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ZigBee智能照明设备控制系统设计.rar

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    编号:20180914220230542    类型:共享资源    大小:5.18MB    格式:RAR    上传时间:2018-09-15
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    ZigBee 智能 照明设备 控制系统 设计
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    二 ○ 一四届 毕 业 设 计ZigBee 的智能照明设备控制系统设计学 院:电子与控制工程专 业:自动化姓 名:高 园学 号:3201100325指导教师:李 刚完成时间:2014 年 6 月 11 日二〇一四年六月I摘要随着物联网技术的发展和人们对物质生活水平的要求的不断提高,人们对生活的安全、舒适、便捷等方面的要求也越来越高。不仅需要有照明的作用,还应具有能够满足视觉审美和表现环境氛围的功能。具备节能,光照效果好,并且可以随心所欲控制的照明设备,成为人们日益追求的照明对象。而传统的照明设备只能实现照明设备的简单开关控制。因此,本课题根据当今市场需求以及人们生活的实际需要,设计了一种基于 ZigBee 技术的智能照明设备远程控制系统。其不仅实现了远程控制本地的照明设备开关控制,还实现灯光色彩的改变和亮度的调节。此项系统可以适用于日常家居生活,还应用于舞台、KTV、酒店等场所的灯光控制。论文首先分析研究了 ZigBee 技术以及照明设备控制系统的发展现状,分析了 ZigBee 无线技术以及其通信协议,选择运用 ZigBee 技术实现智能照明设备控制系统的无线网络部分。其次根据人们的需求和市场发展需要提出了系统设计原则并根据此设计了系统总体框架。依据总体架构设计了系统硬件总体方案。然后进一步分析了 ZigBee 技术的通信协议,介绍了 ZigBee 协议栈、ZigBee 网络拓扑结构,进行了系统嵌入式软件的研究和设计,实现了系统无线网络通信、串口通信以及照明设备开关控制、色彩改变、亮度调节等功能。最后对整个系统的功能进行了测试,测试结果达到了系统设计目标。关键词:ZigBee 无线通信;照明设备远程控制系统;CC2530 嵌入式控制IIABSTRACTAlong with the development of internet technology and the requirement of people to the material life level unceasing enhancement, people living on the safety, comfort, convenience and other requirements are also getting higher and higher. The system not only has the function of lighting, but also has to meet the visual aesthetic and expressive function of environmental atmosphere. People increasingly pursue have the advantages of energy saving, light effect is good, and can control the lighting equipment. But the traditional lighting equipment can only achieve a simple switch lighting control. Therefore, this topic according to the market demand and the actual needs of human life, designed a kind of intelligent lighting remote control system based on ZigBee technology. It not only realizes the lighting switch remote control local control, also realizes the light the change of color and brightness. This system can be applied to daily life, light control is also applied to the stage, KTV, hotels and other places.Firstly, research on ZigBee technology and the development status of lighting control system, analysis of ZigBee wireless technology and the communication protocol, wireless network selection control system of intelligent lighting device using ZigBee Technology. Secondly, according to the needs of people's needs and market development put forward the design principle of the system and the overall framework of the system design. On the basis of the overall architecture design of the overall scheme of the system hardware. Then further analysis of the communication protocol of ZigBee technology, the ZigBee protocol stack, ZigBee network topology structure, the research and design of embedded software system, implement the system of wireless network communication, serial port communication and lighting switch control, color change, brightness adjustment and other functions. Finally, the function of entire system was tested and testing result show that this system reached the anticipation of system design.IIIKey words: ZigBee wireless communication;The remote control system of lighting apparatus; CC2530 embedded controlIV目录第一章 绪论 ..................................................................................................................21.1 课题研究背景和研究意义 ..................................................................................21.2 ZIGBEE 技术概述 .................................................................................................21.3 照明设备控制系统的发展及研究现状 ..............................................................21.4 ZIGBEE 的起源与发展 .........................................................................................41.5 本章小结 ..............................................................................................................6第二章 物联网相关通信技术的原理 ..........................................................................72.1 ZIGBEE 无线技术 .................................................................................................72.2 软件开发环境 ....................................................................................................152.3 本章小结 ............................................................................................................15第三章 智能照明设备控制系统设计 ........................................................................163.1 系统总体设计思想 ............................................................................................163.2 系统工作过程 ....................................................................................................173.3 应用技术分析 ....................................................................................................173.4 本章小结 ............................................................................................................19第四章 智能照明设备控制系统嵌入式软件设计 ....................................................204.1 嵌入式软件流程设计 ........................................................................................204.2 通信模块软件设计与实现 ................................................................................234.3 照明设备控制功能实现 ....................................................................................284.4 本章小结 ............................................................................................................30第五章 智能照明设备控制系统测试 ........................................................................325.1 系统嵌入式软件测试 ........................................................................................325.2 照明设备控制 ....................................................................................................325.3 本章小结 ............................................................................................................35第六章 总结与展望 ....................................................................................................366.1 总结 ....................................................................................................................366.2 展望 ....................................................................................................................36参考文献 ......................................................................................................................38致谢 ..............................................................................................................................40第 2 页 共 46 页第一章 绪论1.1 课题研究背景和研究意义随着科技的飞速发展与人们生活水平的不断提高,人们的生活节奏、思想观念都发生了很大的改变。在现代家居生活中越来越多的人都意识到,照明设备除了需要有照明的功能以外,还应该满足视觉审美和表现环境氛围等要求。同时,在娱乐场所、晚会中照明设备控制起重要的作用,担任着重要角色。具有节能、使用寿命长、灯光效果好,可以随心控制,满足不同环境需求的照明设备,比如:在居家生活中,可以为小孩夜晚睡觉提供有助睡眠的柔和灯光,为夜晚工作提供让人清醒的光线等;各种娱乐场中所的彩灯变换、酒店依据环境和氛围提供不同的灯光效果等的照明设备成为人们日益追求的对象。而传统的照明设备控制系统只能用于实现照明设备的简单开关控制,或功能相对可以但体积庞大、不易安装使用,很难满足人们的不同需求。可见,便捷的智能化照明设备控制系统的研究和设计具有重大而深远的意义 [1]。因此,本课题根据当今市场的需求以及人们生活的实际需要,在家居环境下,设计了一种基于 ZigBee 技术的智能照明设备控制系统,该系统不仅可以实现局域网内的照明设备开关控制,还能实现照明设备色彩的改变以及亮度的调节,并且可以远程进行控制。本系统虽在特定环境下开发,但其不仅适合于日常家居生活,还可以很好的应用于舞台、KTV、酒店等场所的灯光控制。这很好的满足了当今市场的需求,能够提高人们的生活效率和生活质量。1.2 ZigBee 技术概述ZigBee 技术是一种新兴的无线 网络通信技术。以其低成本,很好的填补了近距离、低功率的无线通信市场空缺。应用该技术,可以建立一个成本低、通信距离短、长电池使用寿命、具有可靠数据传输、易于安装的无线网络,被广泛应用于如军事、环保、医疗、工业、家居等领域 [3-4]。1.3 照明设备控制系统的发展及研究现状 照明设备控制系统最初采用的是手动控制方式,通过在照明回路中安置开关等元件来达到开关照明设备目的,完全依赖于人工手动控制,操作不便,管理效率低。后来研究人员将数字控制技术应用到了照明系统,利用声光电等形第 3 页 共 46 页式短距离的遥控,该方式虽然比手动有了很大的提高,解决了管理低效的弊端,但无法实现网络化。随着网络化技术以及电子技术的飞速发展,智能控制才慢慢走近我们的生活,照明系统通过处理、分析传感器所采集的信息结合用户指令实现不同的功能,与之前的系统相比有了很大的提高,且智能照明监控系统在国内外都有很好的发展,并日益被广泛应用于工业以及日常生活中 [5]。智能化照明设备控制系统主要是伴随着通信科技的发展由原来有线监控逐步向无线监控迈进的。起初,系统主要采用有线协议,如:RS-485 通讯标准,EIB(EuropeanInstallation Bus)协议,C.Bus ,LONWORKS 协议,X-10 协议等。其中典型的串行通讯标准——RS-485,最长传输距离可达 1200 米,最大通信速率可达 100Mbps,完全满足小型照明系统智能控制的要求 [6]。但该协议只支持主从结构而不支持其他网络结构,仅适用于简单的照明设备控制系统,不能和其他系统进行合并或者在原有系统上进行升级。而且 RS-485 协议只有 MAC 层标准,很难基于该协议互联不同厂家的设备。EIB 协议是电气布线领域使用范围最广的行业规范和产品标准,其在欧洲是占主导地位的楼宇自动化标准,并于 2007 年正式成为中国国标 GB/Z20965-2007。基于该协议的网络可以进行点对点的通信,其总线采用的是四芯屏蔽双绞线,两芯使用,两芯备用。网络的容纳性大,最多可以容纳 65025 个节点。但是,从组网方式和成本看,EIB 技术属于电缆铺设,只有线型、树型或星型,硬件成本高,通信时组网方式不灵活。不适合一般家庭日常生活或者居民楼宇的智能照明设备控制。C.Bus,是澳大利亚在 90 年代初制定的,以非屏蔽双绞线作为总线载体,被广泛应用于建筑物内照明、空调、火灾探测、出入口、安防等系统的综合控制与综合智能化控制系统。C.Bus 系统的核心由主控制器和总线连接器组成,系统运行无需计算机的协助,只是主控制器的程序需要由计算机编程后通过 RS-232 标准接口下载。但该系统的协议只能支持厂家自家生产的产品,兼容性差,扩展性发展有很多限制。LONWORKS 协议,即现场总线,它可以充分利用互联网资源来完成远程控制。控制系统通过该协议数字化的通信,可以方便可靠地控制现场设备,被广泛应用于需集中处理、分布较广的照明设备控制,如:商场、写字楼等区域。但是该系统成本也是相对较高,硬件设备复杂,不适宜于家庭或者居民楼的照明设备控制。X-10 协议,是以电力线为传播媒介来对电子第 4 页 共 46 页设备进行远程控制的通信协议,其中电力线既提供电源又传送信号,极大的简化了系统网络结构,降低了使用成本。现该协议已广泛应用于家庭安全监控、家用电器控制和住宅仪表数字读取等。X-10 系统由发送控制盒及由多个不同编码以示区别的接受控制组件构成。X-10 技术虽在家庭自动化中得到了广泛的应用,但电力线抗干扰性很差、传输速度也不理想、系统安装属于有线安装,需要在房子建设时预先做出准备工作等种种因素导致有限的控制系统在我国发展前景并不乐观。后来,随着无线技术的飞速发展,出现了 ZigBee Light Link 协议,一种可以统一规范 LED 无线控制的标准。该协议是 ZigBee 协议的一种实例化的应用。应用 ZigBee Light Link 可以将家居生活中或者商场等处的高效节能照明设备、LED 灯具、传感器、定时器、遥控器等在简单的安装后通过无线进行互联,用户凭借联网电脑、平板电脑、智能手机等进行远程的照明控制。由于该协议是 ZigBee 协议的实例化,延续了 ZigBee 协议的许多优点,比如:该网络组网方式多样,可以自由的在网络中增添额外的照明设备;无线传输;安装方便等。Atmel, Ember,Osram,飞利浦以及德州仪器的产品都已经通过标准测试组织 TRaCGlobal 的承认。飞利浦公司还在该协议的基础上研制了 Hue 智能照明系统,该系统的终端通过内置的三源 LED 照明设备(包括绿、红、蓝的混合)以不同色彩比例的混合,可为照明设备提供超过 1600 万种颜色变化。使得照明设备的显示效果更好,且更加节能,Hue 电照明设备仅需 8.5W 即可达到传统 50W 电照明设备所能提供的亮度。但是 Hue 电照明设备的控制软件多为苹果公司特制,一套最普通的照明设备的价格在 199 美元,一般家庭很难接受。所基于的 ZigBee Light Link 协议虽然继承了 ZigBee 协议的很多优点,但是毕竟属于实例化的协议,在应用上有很大的限制,很难在此协议上加入其它的家电设备进行控制,且该协议需要获得许可才可使用,目前基于该协议的硬件还比较的少。1.4 ZigBee 的起源与发展ZigBee,在中国被译为“ 紫蜂”,它与蓝牙相类似。是一种新兴的短距离无线技术。用于传感控制应用。第 5 页 共 46 页此想法在 IEEE 802.15 工作组中提出,于是成立了 TG4 工作组,并制定规范 IEEE 802.15.4 。2002 年 8 月,ZigBee Alliance 成立。2004 年,ZigBee V1.0 诞生。它是 ZigBee 的第一个规范。但由于推出仓促,存在一些错误。2006 年,推出 ZigBee 2006,比较完善。2007 年底,ZigBee PRO 推出。2009 年 3 月,ZigBee RF4CE 推出,具备更强的灵活性和远程控制能力。2009 年开始,ZigBee 采用了 IETF 的 IPv6/6Lowpan 标准作为新一代智能电网 Smart Energy(SEP 2.0)的标准,致力于形成全球统一的易于与互联网集成的网络,实现端到端的网络通信。随着美国及全球智能电网的建设,ZigBee 将逐渐被 IPv6/6Lowpan 标准取代。ZigBee 的底层技术基于 IEEE 802.15.4。物理层 和 MAC 层直接引用了IEEE 802.15.4 在蓝牙技术的使用过程中,人们发现蓝牙技术尽管有许多优点,但仍存在许多缺陷。对工业,家庭 自动化控制 和工业遥测遥控领域而言,蓝牙技术显得太复杂,功耗大,距离近,组网规模太小等,而工业自动化,对无线数据通信 的需求越来越强烈,而且,对于工业现场,这种无线数据传输必须是高可靠的,并能抵抗工业现场的各种电磁干扰。因此,经过人们长期努力,ZigBee 协议在 2003 年正式问世。另外,Zigbee 使用了在它之前所研究过的面向家庭网络的通信协议 Home RF Lite。长期以来,低价、低传输率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。自从 Bluetooth 出现以后,曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃不已,但是 Bluetooth 的售价一直居高不下,严重影响了这些厂商的使用意愿。如今,这些业者都参加了 IEEE802.15.4 小组,负责制定 ZigBee 的物理层和媒体介质访问层。IEEE802.15.4 规范是一种经济、高效、低数据速率(<250kbps ) 、工作在 2.4GHz 和 868/928MHz 的无线技术,用于个人区域网和对等网络。它是ZigBee 应用层和网络层协议的基础。ZigBee 是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术,它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据 802.15.4 标准,在数第 6 页 共 46 页千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个网络节点传到另一个节点,所以它们的通信效率非常高。互联网标准化组织 IETF 也看到了无线传感器网络(或者物联网)的广泛应用前景,也加入到相应的标准化制定中。以前许多标准化组织和研究者认为 IP技术过于复杂,不适合低功耗、资源受限的无线传感器网络,因此都是采用非IP 技术。在实际应用中,如 Zigbee 需要接入互联网时需要复杂的应用层网关,也不能实现端到端的数据传输和控制。与此同时,与 Zigbee 类似的标准还有 z-wave、ANT 、 Enocean 等,相互之间不兼容,不利于产业化的发展。IETF 和许多研究者发现了存在的这些问题,尤其是 Cisco 的工程师基于开源的 uIP 协议实现了轻量级的 IPv6 协议,证明了 IPv6 不仅可以运行在低功耗资源受限的设备上,而且,比 zigbee 更加简单,彻底改变了大家的偏见,之后基于 IPv6 的无线传感器网络技术得到了迅速发展。 目前 IETF 已经完成了核心的标准规范,包括 IPv6 数据报文和帧头压缩规范 6Lowpan 、面向低功耗、低速率、链路动态变化的无线网络路由协议 RPL 、以及面向无线传感器网络应用的应用层标准CoAP ,相关的标准规范已经发布。目前 IETF 组织成立了 IPSO 联盟,推动该标准的应用,并发布了一些列白皮书。IPv6/6Lowpan 目前已经成为许多其它标准的核心,包括智能电网 zigbee SEP2.0、工业控制标准 ISA100.11a、有源RFID ISO1800-7.4(DASH)等。IPv6/6Lowpan 具有诸多优势:可以运行在多种介质上,如低功耗无线、电力线载波、WiFi 和以太网,有利于实现统一通信;IPv6 可以实现端到端的通信,无需网关,降低成本;6Lowpan 中采用 RPL 路由协议,路由器可以休眠,也可以采用电池供电,应用范围广,而 zigbee 技术路由器不能休眠,应用领域受到限制。 目前 6Lowpan 标准已经得到大量开源软件实现,最著名的是 Contiki 、TinyOS 系统,已经实现完整的协议栈,全部开源,完全免费,已经在许多产品中得到应用。IPv6/6Lowpan 协议将随着无线传感器网络以及物联网的广泛应用,很可能成为该领域的事实标准。1.5 本章小结本章简要概述了智能照明控制系统的研究背影与研究意义,其次介绍了ZigBee 技术、照明设备控制系统的研究现状,最后对 ZigBee 技术的起源与发
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