基于無線局域網(wǎng)地住宅小區(qū)智能照明系統(tǒng)及其硬件實(shí)現(xiàn)地研究

基于無線局域網(wǎng)的住宅小區(qū)智能照明系統(tǒng)及其硬件實(shí)現(xiàn)的研究

——商業(yè)計(jì)劃書參賽院校：華東交通大學(xué)信息工程學(xué)院參賽隊(duì)伍：天馬行空2017參賽隊(duì)員：張寧、鄭翔文、王元東、王瑋、王培東指導(dǎo)老師：羅暉教授

目錄系統(tǒng)總體簡(jiǎn)介1234

無線通信協(xié)議創(chuàng)新點(diǎn)56第-1-頁智能遙控器產(chǎn)業(yè)化風(fēng)控與財(cái)務(wù)計(jì)劃智能照明控制器1系統(tǒng)總體簡(jiǎn)介4圖1智能照明系統(tǒng)示意圖由圖1可知，該系統(tǒng)由光源路燈、節(jié)電智慧控制器、手持無線遙控等組成，用戶可以通過無線遙控器在有效通信范圍內(nèi)控制系統(tǒng)。通信模塊的底層硬件平臺(tái)選用通用無線收發(fā)器芯片nRF24L01，它是一款新型單片射頻收發(fā)器件。用nRF24L01實(shí)現(xiàn)收發(fā)原理：至少需要兩個(gè)nRF24L01模塊，一個(gè)作為發(fā)射端,另一個(gè)為接收端。首先在收發(fā)前要對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)置，主要包括地址設(shè)置、通道設(shè)置、發(fā)射頻率設(shè)置等。地址設(shè)置：發(fā)射端和接收端都需要設(shè)置相應(yīng)的接收地址和發(fā)送地址。通道設(shè)置：在接收數(shù)據(jù)時(shí)需要選擇相應(yīng)的接收通道，選擇好通道后再設(shè)置相應(yīng)通道的接收地址。2無線通信協(xié)議5圖2通用Modbus幀Modbus協(xié)議定義了一個(gè)與基礎(chǔ)通信層無關(guān)的簡(jiǎn)單協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU），特定總線或網(wǎng)絡(luò)上的Modbus協(xié)議映射能夠在應(yīng)用數(shù)據(jù)單元（ADU）上引入一些附加域，通用Modbus幀如圖2所示。啟動(dòng)Modbus事務(wù)處理的客戶機(jī)創(chuàng)建ModbusPDU，其中的功能碼向服務(wù)器指示將執(zhí)行哪種操作，功能碼后面是含有請(qǐng)求和響應(yīng)參數(shù)的數(shù)據(jù)域，差錯(cuò)校驗(yàn)一般使用CRC校驗(yàn)碼。CRC校驗(yàn)算法編寫用C語言：CRC校驗(yàn)碼由發(fā)送端計(jì)算，放置于發(fā)送信息的尾部，接收端的設(shè)備再重新計(jì)算接收到信息的CRC校驗(yàn)碼，比較計(jì)算得到的CRC校驗(yàn)碼是否與接收到的相符，如果二者不相符，則表明出錯(cuò)。6本課題借鑒Modbus協(xié)議的指令格式及通信原理，研究一個(gè)更為簡(jiǎn)潔實(shí)用并適用于住宅小區(qū)智能照明系統(tǒng)的無線通信協(xié)議。（1）根據(jù)被控對(duì)象路燈的特點(diǎn)研究一種短距離無線通信和接力轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。（2）協(xié)議的故障處理機(jī)制是這樣的：正常情況時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只和相鄰節(jié)點(diǎn)通信；如果有節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，連續(xù)3次重發(fā)，仍無響應(yīng)的，即確定為故障節(jié)點(diǎn)，可以跳開這個(gè)故障節(jié)點(diǎn)，和下一個(gè)節(jié)點(diǎn)通信，并把故障信息存起來，等到遙控器查詢時(shí)，上報(bào)故障信息。（3）在協(xié)議的指令格式設(shè)計(jì)上，借鑒了著名的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制協(xié)議Modbus的一些思想，并結(jié)合路燈控制的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了協(xié)議的指令格式，具體格式如下：轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)接收節(jié)點(diǎn)地址，轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)地址、最終接收節(jié)點(diǎn)地址、最初發(fā)送節(jié)點(diǎn)地址、指令碼、指令數(shù)據(jù)、累計(jì)轉(zhuǎn)發(fā)計(jì)數(shù)器、最大轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)限制值、CRC校驗(yàn)碼。圖3路燈節(jié)點(diǎn)類型及信息傳遞路徑3智能照明控制器7圖4.應(yīng)用智能照明控制器的太陽能LED路燈效果圖熱釋電紅外傳感器即PIR傳感器，它是通過檢測(cè)人體輻射出的特定波長的紅外線來檢測(cè)行人。PIR傳感器輸出的信號(hào)及其微弱，一般只有幾mV，現(xiàn)在常常使用透明塑料做成的菲涅爾透鏡來增強(qiáng)入射紅外信號(hào)，并通過增益達(dá)數(shù)千倍的放大電路去放大輸出信號(hào)，這樣使得PIR傳感器的檢測(cè)范圍可以達(dá)到10米左右。PIR傳感器輸出的信號(hào)要經(jīng)過一個(gè)信號(hào)處理電路的處理之后，才能使用。PIR信號(hào)處理電路包括：放大、低通濾波、鑒幅、波形保留等環(huán)節(jié)?，F(xiàn)在PIR信號(hào)處理電路常用的是模擬信號(hào)處理電路，如以PIR專用芯片Bliss0001為核心構(gòu)成的模擬PIR信號(hào)處理電路，還有以四運(yùn)放芯片LM324為核心構(gòu)成的模擬PIR信號(hào)處理電路。8對(duì)于路面汽車的檢測(cè)，利用超聲波的多普勒效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)車速的測(cè)量。多普勒效應(yīng)是指物體輻射的波長因?yàn)楣庠春陀^測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化，在運(yùn)動(dòng)的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高，在運(yùn)動(dòng)的波源后面，產(chǎn)生相反的效應(yīng)，波長變得較長，頻率變得較低，波源的速度越高，所產(chǎn)生的效應(yīng)越大，根據(jù)光波紅/藍(lán)移的程度，可以計(jì)算出波源循著觀測(cè)方向運(yùn)動(dòng)的速度，恒星光譜線的位移顯示恒星循著觀測(cè)方向運(yùn)動(dòng)的速度，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。求出汽車的運(yùn)動(dòng)速度后，進(jìn)而由單片機(jī)處理來控制路燈的明暗。.應(yīng)用智能照明控制器的太陽能LED路燈效果圖9式中：V0為聲速，Vr為觀察者相對(duì)介質(zhì)的速度，Vs為波源相對(duì)介質(zhì)的速度，f0為信號(hào)源的頻率，f為聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)測(cè)得的頻率?；诔暡ǘ嗥绽招?yīng)推導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)的車速，具體公式如下：①當(dāng)波源靜止，觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)

（式-1）②當(dāng)波源運(yùn)動(dòng)，觀察者靜止時(shí)

（式-2）③當(dāng)兩者同時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)

（式-3）由于超聲波的發(fā)生器和接收器是集中在一起的，所以當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體反射超聲波時(shí)，應(yīng)該把運(yùn)動(dòng)物體當(dāng)做波源，而把超聲波接收器作為觀察者。這樣，就可以結(jié)合上述公式求出運(yùn)動(dòng)物體的速度與多普勒頻移之間的關(guān)系，如下：④當(dāng)波源靜止，觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)

（式-4）10⑤當(dāng)波源運(yùn)動(dòng)，觀察者靜止時(shí)

（式-5）⑥當(dāng)兩者相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)（式-6）

4基于ARM的linux最小系統(tǒng)的嵌入式智能遙控器介紹11整個(gè)嵌入式智能遙控器系統(tǒng)分為軟件和硬件兩部分。在硬件部分,嵌入式微處理器是整個(gè)系統(tǒng)的核心,嵌入式外圍設(shè)備則包括存儲(chǔ)器件和各種通信接口。通過接口接入液晶屏外設(shè),顯示控制界面。通過觸摸屏接口,實(shí)現(xiàn)遙控器控制按鍵功能。同時(shí)設(shè)有RS232、JTAG、LAN等用于開發(fā)調(diào)試的接口。在軟件部分,引導(dǎo)程序與嵌入式內(nèi)核、根文件系統(tǒng)一起形成嵌入式系統(tǒng)的基本運(yùn)行環(huán)境,對(duì)應(yīng)用層的用戶應(yīng)用程序作必要的支持。在這里,應(yīng)用程序就是遙控器人機(jī)交互界面、紅外學(xué)習(xí)和控制程序。智能遙控器系統(tǒng)硬件組成12圖5硬件組成框圖嵌入式微處理器方面,RISC思想的提出從簡(jiǎn)化指令集的角度降低了微處理器的開發(fā)難度和成本,同時(shí)提高微處理器的并行度。ARM體系的設(shè)計(jì)是基于RISC思想的,智能遙控器系統(tǒng)的主要硬件處理器S3C2410A主頻203MHZ存儲(chǔ)器64MB動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器SDRAMHY57V561620BT-H和64MB的靜態(tài)存儲(chǔ)器NANDFLASHK9F1208;通訊模塊:系統(tǒng)進(jìn)行紅外學(xué)習(xí)和控制的基于UART2端口的紅外收發(fā)模塊;一個(gè)Ethenet接口10Base-t,支持低功耗模式;基于UART0的串口。人機(jī)接口模塊采用分辨率640*480的TFT的ClorLCD和四線電阻式觸摸屏(TouchScreen)這種模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可以降低硬件調(diào)試難度,同時(shí)也是基于硬件平臺(tái)的可重用性考慮。

智能遙控器系統(tǒng)軟件13智能遙控器系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)：嵌入式智能遙控器系統(tǒng)軟件框架如圖6所示,主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括嵌入式linux系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)建、驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)三大部分。嵌入式linux系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)建,即建立嵌入式交叉開發(fā)環(huán)境Bootloader的設(shè)計(jì)和移植和根文件系統(tǒng)的移植、嵌入式linux內(nèi)核的移植、根文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)指的是紅外器件ZHX1010在linux系統(tǒng)下的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。應(yīng)用程序設(shè)計(jì)包括紅外學(xué)習(xí)和控制程序和基于Qt/Embedded的遙控器人機(jī)界面的程序的設(shè)計(jì)。圖6遙控器軟件結(jié)構(gòu)圖5創(chuàng)新點(diǎn)141、借鑒Modbus協(xié)議的一些思想，對(duì)協(xié)議的指令格式進(jìn)行了改進(jìn)，研究出一種簡(jiǎn)潔實(shí)用并適用于住宅小區(qū)路燈智能照明控制系統(tǒng)的無線通信協(xié)議。此外，課題還借鑒了古代的烽火臺(tái)通過放狼煙傳遞信息的方法，把路燈組成一個(gè)可以通信的網(wǎng)絡(luò)，使每盞燈處于可通信、可控的狀態(tài)。2、構(gòu)建出一套基于多傳感器的住宅小區(qū)行人車輛檢測(cè)方案，是本課題的另一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。方案充分考慮了住宅小區(qū)的道路特點(diǎn)，利用熱釋電紅外傳感器與超聲波傳感器分別實(shí)現(xiàn)對(duì)行人及車輛的檢測(cè)。

3、系統(tǒng)軟件平臺(tái)采用嵌入式linux系統(tǒng),并設(shè)計(jì)了紅外功能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件。6、產(chǎn)業(yè)化風(fēng)控與財(cái)務(wù)計(jì)劃6.1風(fēng)險(xiǎn)控制本項(xiàng)目技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)以碩士生導(dǎo)師羅暉教授為核心，具有良好的技術(shù)基礎(chǔ)和成功的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，并形成了一支具有卓越進(jìn)取精神、創(chuàng)新精神和合作精神，加之與中興軟件技術(shù)(南昌)有限公司、深圳市訊方通信技術(shù)有限公司等企業(yè)保持著良好的技術(shù)合作關(guān)系，因此技術(shù)實(shí)現(xiàn)完全有保障。但是本項(xiàng)目在市場(chǎng)化的過程中仍然可能存在著技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、資金風(fēng)險(xiǎn)、市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)等?！窦夹g(shù)