当前位置:首页>> >>


无线LED照明系统设计(ZigBee)的设计与实现.rar

收藏

资源目录
    文档预览:
    编号:20180914220237142    类型:共享资源    大小:13.60MB    格式:RAR    上传时间:2018-09-15
    尺寸:148x200像素    分辨率:72dpi   颜色:RGB    工具:   
    45
    金币
    关 键 词:
    无线 LED 照明 系统 设计 ZigBee 实现
    资源描述:
    太 原 理 工 大 学 毕 业 设 计 (论 文 )用 纸目 录摘要 ..................................................................................................................................................................IAbstract ...........................................................................................................................................................II1 绪论 ..............................................................................................................................................................11.1 课题背景 ...........................................................................................................................................11.2 可行性分析 .......................................................................................................................................11.2.1 技术可行性 ............................................................................................................................11.2.2 经济可行性 ............................................................................................................................11.2.3 操作可行性 ............................................................................................................................11.3 相关工作 ...........................................................................................................................................11.3.1 阅读并学习单片机 C 语言程序设计实例 ...........................................................................11.3.2 阅读并学习 Zigbee 通信协议相关资料 ...............................................................................22 系统设计 ......................................................................................................................................................52.1 设计任务与要求 ...............................................................................................................................52.1.1 设计任务 ................................................................................................................................52.1.2 设计要求 ................................................................................................................................63 系统硬件设计 ..............................................................................................................................................73.1 主要模块的电路图 ...........................................................................................................................83.2 硬件系统的各组成模块 ..................................................................................................................113.2.1 控制器模块 ..........................................................................................................................113.2.2 LED 灯组模块 ......................................................................................................................133.2.3 8*8 LED 点阵模块 ...............................................................................................................133.2.4 Zigbee 协议控制模块 ...........................................................................................................143.2.5 无线 315 控制模块 ..............................................................................................................153.2.6 电源模块 ..............................................................................................................................164 程序设计与烧写 ........................................................................................................................................174.1 开发程序的调试与烧写 .................................................................................................................174.1.1 ATmega16 的使用 ................................................................................................................174.1.2 ATmega16 的开发流程 ........................................................................................................184.2 无线 LED 照明系统的设计 ...........................................................................................................244.2.1 对变量的处理 ......................................................................................................................244.2.2 LED 灯组程序部分 ..............................................................................................................244.2.3 LED 8*8 点阵程序部分 .......................................................................................................254.2.4 串口数据传输程序部分 ......................................................................................................284.2.5 进程协议解析程序部分 ......................................................................................................344.2.6 程序主函数部分 ..................................................................................................................37结论 ................................................................................................................................................................38参考文献 ........................................................................................................................................................39致谢 ................................................................................................................................................................40外文原文 ........................................................................................................................................................41中文翻译 ........................................................................................................................................................50太 原 理 工 大 学 毕 业 设 计 (论 文 )用 纸无线 LED照明系统设计(ZigBee)的设计与实现摘 要本次毕业设计的题目是无线 LED 照明系统(Zigbee)的设计与实现。本论文就毕业设计的内容,选用 Atmega16 单片机作主控制器,系统地阐述了整个由 Zigbee 协议支持的无线 LED 照明系统的功能及实现。在指导老师的帮助下设计并实现了从底层各LED 照明器件的驱动控制,到通过进程控制各元器件的系统化编程,再到通过基由Zigbee 协议发送的串口控制量来操控的无线 LED 系统。基本上实现了由 Zigbee 协议支持的无线 LED 照明系统的功能流程,能够通过 Zigbee 协议控制 LED 系统的花样演示。本系统操作界面简单直观,易于操作和使用,交互性强,基于 Zigbee 通信协议。关键词:LED 照明;无线控制;Zigbee 通信协议;Atmega16;AVR 单片机 c 语言太 原 理 工 大 学 毕 业 设 计 (论 文 )用 纸IDesign and Implementation of the Wireless LED lighting system by Zigbee protocolAbstractThe graduation project entitled Design and Implementation of the Wireless LED lighting system by Zigbee protocol. In this thesis, the content of the graduation project,a systematic exposition of the design and implementation of the Wireless LED lighting supported by Zigbee protocol, which chooses Atmega16 micro controller as its primary controller.From the ground drive control of each LED lighting device to the various components of systematic programming, through process control to the base amount which controlled by Zigbee protocol to send a serial port to control the wireless LED systems.Basically a function of wireless LED lighting system supported by Zigbee protocol is realized,which is able to control the demonstration of LED system in a variety of ways.The system interface is simple and intuitive, easy to operate and use, interactive, fully based on the Zigbee protocol.Keywords: LED lighting; wireless control; Zigbee protocol;Atmega16;AVR太 原 理 工 大 学 毕 业 设 计 (论 文 )用 纸01 绪论1.1 课题背景无线 LED 照明系统设计一个智能控制系统,基由 AVR 单片机芯片的控制,可通过自动或手动操控模式来达到预期的显示效果,加上经由 Zigbee 协议下的无线操控,其在小区域内低成本、低功耗电路照明控制方便可靠稳定性强,节能环保并且不依赖现有的通信网络和电力网络,可广泛使用于生活照明和商用照明,即将跨入物联网时代的今天在工业控制、家庭智能化、无线传感器网络等领域都有广泛的应用前景。1.2 可行性分析1.2.1 技术可行性由于 AVR 单片机采用的是 C 语言编程,所以系统的编程实现只需要普通电脑安装AVR Studio 程序进行编程即可,对于程序往实际硬件上的烧写,由于有 AVR fighter----现成的可快速将程序与熔丝位设置等烧写至硬件设备的软件再经由 USB-ISP 下载器完全可以快速实现程序对硬件的控制,程序的调试与修改也可以通过硬件的显示直观的得到验证。1.2.2 经济可行性系统的程序部分是在常用的 Windows 系统下的 AVR Studio 开发程序里编写;系统的硬件部分由于只涉及到对 LED 电路的控制功能和终端与实际电路的通信功能,所以只需要用到常见的 AVR 单片机开发板加装各种 LED 元器件与通信串口再配合电脑的信号收发即可实现,开发成本预估计在 300 人民币左右,考虑到系统实现后移植到更大规模的电路系统中的实际应用与发展,可应用与街边商店 LED 广告版,公交车 LED 信息显示板等器材,其即使通信控制显示内容的优势显而易见,商业化经济效益还是非常可观的,在经济上完全可行。1.2.3 操作可行性程序烧写在开发板上的 AVR 单片机芯片上,运行起来安全稳定、功耗低,在计算机端发送操作数据时准备使用串口调试助手程序,只需将各种电路控制操作与数据串对应,再由程序经过解析选择对应的控制函数即可,操作起来只需在串口调试助手里点选选项即可,方便直观、易于操作。1.3 相关工作1.3.1 阅读并学习单片机 C语言程序设计实例在学习单片机 C 语言各种丰富的实例时除了对硬件驱动各部分的代码进行了深入的分析思考,对器材的引脚、熔丝位等方方面面的知识有了初步的了解,自己还稍微对目标程序系统的程序代码中函数部分的编写总结了一些书写上的需要注意的地方。1)设计原则 函数的基本要求: 正确性:程序要实现设计要求的功能。 稳定性和安全性:程序运行稳定、可靠、安全。 可测试性:程序便于测试和评价。 规范/可读性:程序书写风格、命名规则等符合规范。 扩展性:代码为下一次升级扩展留有空间和接口。 全局效率:软件系统的整体效率高。 局部效率:某个模块/子模块/函数的本身效率高。 编制函数的基本原则: 单个函数的规模尽量限制在 200 行以内(不包括注释和空行) 。一个函数只完成一太 原 理 工 大 学 毕 业 设 计 (论 文 )用 纸1个功能。 函数局部变量的数目一般不超过 5~10 个。 函数内部局部变量定义区和功能实现区(包含变量初始化)之间空一行。 函数名应准确描述函数的功能。通常使用动宾词组为执行某操作的函数命名。 函数的返回值要清楚明了,尤其是出错返回值的意义要准确无误。 不要把与函数返回值类型不同的变量,以编译系统默认的转换方式或强制的转换方式作为返回值返回。 减少函数本身或函数间的递归调用。 尽量不要将函数的参数作为工作变量。 2)函数定义 函数若没有入口参数或者出口参数,应用 void 明确申明。 函数名称与出口参数类型定义间应该空一格且只空一格。 函数名称与括号()之间无空格。 函数形参必须给出明确的类型定义。 多个形参的函数,后一个形参与前一个形参的逗号分割符之间添加一个空格。 函数体的前后花括号“{} “ 各独占一行。 3)局部变量定义 同一行内不要定义过多变量。 同一类的变量在同一行内定义,或者在相邻行定义。 先定义 data 型变量,再定义 idtata 型变量,再定义 xdata 型变量. 数组、指针等复杂类型的定义放在定义区的最后。 变量定义区不做较复杂的变量赋值。 4)功能实现区规范 一行只写一条语句。 注意运算符的优先级,并用括号明确表达式的操作顺序,避免使用默认优先级。 各程序段之间使用一个空行分隔,加以必要的注释。程序段指能完一个较具体的功能的一行或多行代码。程序段内的各行代码之间相互依赖性较强。 不要使用难懂的技巧性很高的语句。 源程序中关系较为紧密的代码应尽可能相邻。 完成简单功能、关系非常密切的一条或几条语句可编写为函数或定义为宏。 1.3.2 阅读并学习 Zigbee通信协议相关资料ZigBee 是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee 协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循 IEEE 802.15.4 标准的规定。ZigBee 网络主要特点是低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。ZigBee 网络中的设备可分为协调器(Coordinator)、汇聚节点(Router)、传感器节点(EndDevice)等三种角色。长期以来,低价位、低速率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。蓝牙的出现,曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃不已。它依据 802.15.4标准,在数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。ZigBee 技术所采用的自组织网是怎么回事,举一个简单的例子就可以说明这个问太 原 理 工 大 学 毕 业 设 计 (论 文 )用 纸2题,当一队伞兵空降后,每人持有一个 ZigBee 网络模块终端,降落到地面后,只要他们彼此间在网络模块的通信范围内,通过彼此自动寻找,很快就可以形成一个互联互通的 ZigBee 网络。而且,由于人员的移动,彼此间的联络还会发生变化。因而,模块还可以通过重新寻找通信对象,确定彼此间的联络,对原有网络进行刷新。这就是自组织网。网状网通信实际上就是多通道通信,在实际工业现场,由于各种原因,往往并不能保证每一个无线通道都能够始终畅通,就像城市的街道一样,可能因为车祸,道路维修等,使得某条道路的交通出现暂时中断,此时由于我们有多个通道,车辆(相当于我们的控制数据)仍然可以通过其他道路到达目的地。而这一点对工业现场控制而言则非常重要。所谓动态路由是指网络中数据传输的路径并不是预先设定的,而是传输数据前,通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索,分析它们的位置关系以及远近,然后选择其中的一条路径进行数据传输。在我们的网络管理软件中,路径的选择使用的是“梯度法” ,即先选择路径最近的一条通道进行传输,如传不通,再使用另外一条稍远一点的通路进行传输,以此类推,直到数据送达目的地为止。在实际工业现场,预先确定的传输路径随时都可能发生变化,或者因各种原因路径被中断了,或者过于繁忙不能进行及时传送。动态路由结合网状拓扑结构,就可以很好解决这个问题,从而保证数据的可靠传输。而如今的 ZigBee 通信技术有如下优点:①低功耗。在低耗电待机模式下,2 节 5 号干电池可支持 1 个节点工作 6~24 个月,甚至更长。这是 ZigBee 的突出优势。相比较,蓝牙能工作数周、WiFi 可工作数小时。TI 公司和德国的 Micropelt 公司共同推出新能源的 ZigBee 节点。该节点采用Micropelt 公司的热电发电机给 TI 公司的 ZigBee 提供电源。②低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的 1/10),降低了对通信控制器的要求,按预测分析,以 8051 的 8 位微控制器测算,全功能的主节点需要 32KB 代码,子功能节点少至 4KB 代码,而且 ZigBee 免协议专利费。每块芯片的价格大约为 2 美元。③低速率。ZigBee 工作在 20~250kbps 的速率,分别提供 250 kbps(2.4GHz)、40kbps(915 MHz)和 20kbps(868 MHz)的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求。④近距离。传输范围一般介于 10~100m 之间,在增加发射功率后,亦可增加到1~3km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。⑤短时延。ZigBee 的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需 15ms,节点连接进入网络只需 30ms,进一步节省了电能。相比较,蓝牙需要 3~10s、WiFi 需要 3 s。⑥高容量。ZigBee 可采用星状、片状和网状网络结构,由一个主节点管理若干子节点,最多一个主节点可管理 254 个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理,最多可组成 65000 个节点的大网。⑦高安全。ZigBee 提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用访问控制清单(Access Control List, ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128)的对称密码,以灵活确定其安全属性。⑧免执照频段。使用工业科学医疗(ISM)频段,915MHz(美国), 868MHz(欧洲), 2. 4GHz(全球)。太 原 理 工 大 学 毕 业 设 计 (论 文 )用 纸3由于此三个频带物理层并不相同,其各自信道带宽也不同,分别为 0.6MHz, 2MHz和 5MHz。分别有 1 个, 10 个和 16 个信道。这三个频带的扩频和调制方式亦有区别。扩频都使用直接序列扩频(DSSS),但从比特到码片的变换差别较大。调制方式都用了调相技术,但 868MHz 和 915MHz 频段采用的是 BPSK,而 2.4GHz 频段采用的是 OQPSK。在发射功率为 0dBm 的情况下,蓝牙通常能有 10 米的作用范围。而 ZigBee 在室内通常能达到 30-50 米的作用距离,在室外空旷地带甚至可以达到 400 米(TI CC2530 不加功率放大)。所以 ZigBee 可归为低速率的短距离无线通信技术。太 原 理 工 大 学 毕 业 设 计 (论 文 )用 纸42 系统设计2.1 设计任务与要求2.1.1 设计任务1.安装 AVR Studio 软件,在其中学习并编写单片机上的 C 语言程序;2.使用 USB-ISP 下载器将开发板与实际电脑连通并使用 AVR fighter 程序对测试代码进行实际开发板上的烧写与调试;3.通过编程对开发板上的 LED 局部电路实现驱动与控制;4.深入学习 AVR 单片机的端口编程、定时/计数器应用、中断程序设计等知识完成目标程序系统的初步搭建;5. 设计并编码基由 Zigbee 通信协议的系统程序的通信部分,完成通信数据的解析与控制变量的数据转换,实现 LED 照明系统通过收发数据的量化控制;6.在程序的命令解析部分中通过函数的有序调用完成各部分无线 LED 照明系统中各元器件的条理、有效控制,使程序组合出的系统功能明确、控制有序;7. 在实际开发板中运行并完整实现基由 ZigBee 通信协议控制的 LED 电路系统。太 原 理 工 大 学 毕 业 设 计 (论 文 )用 纸52.1.2 设计要求1.设计并使用 ATmega16 单片机及 AVR 开发板模拟单片机操控下的 LED 灯可控电路;2.在开发板上加装 Zigbee 无线通信模块,驱动并实现串口数据信号的收发控制;3.设计过程中使用 AVR Studio 软件对设计的 C 语言程序进行编写与调试,模拟出无线 LED 照明控制系统;4.驱动并实现开发板上 LED 灯和 LED 点阵的规律化图形化显示;5.在无线遥控器的键控下实现对 LED 系统的局部控制操作用于系统的测试与调试;6.充分利用 ATmega16 单片机资源,对开发板上无线通信协议下操控的 LED 灯、晶体管、8x8LED 点阵进行综合操作使用。下面是对使用到的硬件设备的截图:图 2-1 硬件设备截图太 原 理 工 大 学 毕 业 设 计 (论 文 )用 纸63 系统硬件设计单片机是整个系统的控制中枢,指挥其他器件的协调工作,从而完成特定的功能,硬件上采用模块化设计,每一个模块只实现一部分特定功能,之后再将个模块搭接在一起,以降低系统设计的复杂性。本系统主要由 AVR 开发板、8 个 LED 构成的灯组、数码管显示器、8x8 LED 点阵、USB-ISP 下载器、 ATmega16 芯片、无线 315 发射接收器、P9 串口线、Zigbee 节点等元器件组成。图 3-1 整体硬件构思框图图 3-2 开发板的整体布局
    展开阅读全文
    1
      金牌文库所有资源均是用户自行上传分享,仅供网友学习交流,未经上传用户书面授权,请勿作他用。
    0条评论

    还可以输入200字符

    暂无评论,赶快抢占沙发吧。

    关于本文
    本文标题:无线LED照明系统设计(ZigBee)的设计与实现.rar
    链接地址:http://www.gold-doc.com/p-158418.html

    当前资源信息

    4.0
     
    (2人评价)
    浏览:15次
    bysj上传于2018-09-15
    1
    关于我们 - 网站声明 - 网站地图 - 资源地图 - 友情链接 - 网站客服客服 - 联系我们
    copyright@ 2014-2018 金牌文库网站版权所有
    经营许可证编号:浙ICP备15046084号-3
    收起
    展开