智能家居照明控制系统设计11

本科毕业论文（设计）

题 目 智能家居照明控制系统设计

学 院 电信学院

专 业 电子信息工程

班 级 电子信息工程 统本（01）班

学 号 [1**********]9

学生姓名 谢国鑫

指导教师 田新志

完成日期 2016年5月

西安思源学院教务处制

二〇一 六 年 五 月

摘 要

人们日常生活照明是必不可少的，随着老百姓生活水平的提高, 普通照明达不打那种随心所欲的要求, 并且电子的发展, 通信和计算机网络技术为智能照明控制系统提供了条件，具有广阔的发展前景。

本课题中所设计的系统中使用CC2530作为无线网络设备, MSP430F2619 微控制器芯片作为处理器，并结合TI 公司Z -堆栈协议栈来实现打开和关闭以及控制LED 灯泡。本设计在上位机通过节点之间关系的灵活配置进而能达到智能控制。

本设计中的电气系统的自组网功能, 用户可以通过路由器到路由器节点控制协调器发送信号任何终端设备, 终端接收到命令和PWM 信号, 实现每个灯导致多级调光和场景模式控制功能, 具有一定的实用价值。

关键词： 智能照明系统 ZigBee 无线网络 CC2530

Abstract

Lighting is essential to People's Daily life, as people living standard rise, the requirements of general lighting up to don't play that follow one's inclinations, and the development of electronic, communication and computer network technology provides conditions for the intelligent lighting control system, has a broad development prospects.

This topic in the design of the system used in CC2530 as wireless network equipment, MSP430F2619 microcontroller chip as the processor, and connecting with the TI company Z - stack protocol stack to achieve open and close and control LED bulbs. This design through the node in the upper machine of the relationship between the flexible configuration which can achieve intelligent control.

Electrical system in the design of the ad-hoc network function, the user can control the coordinator to send signals through the router to router nodes any terminal, terminal receives the command and the PWM signal, realize each lamp to multistage dimming and scene mode control function, has a certain practical value.

Keywords: Intelligent Light System ZigBee wireless network CC2530

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目 录

第一章 绪论.................................................... 1

1.1 本课题研究背景.......................................... 1

1.2智能家居照明系统国内外研究现状 .......................... 1

1.2.1智能家居照明系统发展现状 .......................... 1

1.2.2短距离无线通信技术发展现状 ........................ 2

1.3智能家居照明控制系统发展方向 ............................ 2

1.4本课题设计的主要工作和任务 .............................. 3

1.5论文结构安排 ............................................ 3

第二章 智能家居照明控制系统支撑技术——zigbee 技术 ............. 5

2.1 ZigBee概述 ............................................ 5

2.2 ZigBee网络基础 ........................................ 6

2.2.1 网络节点类型..................................... 6

2.2.2 网络拓扑形式..................................... 7

2.2.3 工作模式......................................... 8

2.3 本章小结................................................ 8

第三章 智能家居照明系统总体设计方案............................ 9

3.1 智能家居照明系统设计要求................................ 9

3.2 系统总体设计方案....................................... 10

3.3 系统硬件设计方案....................................... 11

3.4 系统软件设计方案....................................... 11

第四章 智能照明系统的硬件设计与实现............................ 13

4.1微控制器模块设计 ....................................... 13

4.1.1 MSP430F2619 微控制器芯片......................... 13

4.1.2 MSP430F2619 微控制器外围电路设计................. 15

4.2无线射频模块设计 ....................................... 18

4.3传感器采集模块设计 ..................................... 19

4.4 光控模块设计........................................... 19

第五章 智能照明控制系统的软件设计............................. 21

5.1 系统的结构............................................ 21

5.2系统程序流程图 ......................................... 22

5.2.1网络建立过程 ..................................... 22

5.2.2路由器程序设计 ................................... 23

5.3.3终端程序设计 ..................................... 24

5.3系统的核心程序设计 ..................................... 25

5.4 上位机................................................ 26

5.4.1 上位机的功能简介................................ 26

5.4.2 上位机工作流程.................................. 26

5.5 系统测试............................................... 27

5.5.1 系统硬件测试..................................... 27

5.5.3 协议栈的测试..................................... 27

5.5.4 上位机的测试..................................... 27

第六章 结论................................................... 28

致谢........................................................... 29

参考文献....................................................... 30

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第一章 绪论

1.1 本课题研究背景

对于繁杂的照明控制系统来说，若采用传统的有线控制方式则价格较高，电缆铺设繁琐，已经逐渐不能完全满足现代都市人们的应用需求了。因而无线通信技术应运而生。

无线通信技术的种类有很多，不同的技术应用的场合也不相同。如蓝牙技术传输速度快，但是传输距离有限，适用于近距离且组网节点少的场合；WIFI 传输速度快，传输距离远，但其价格偏高，功耗较大，组网能力较差。而本文中将要使用的ZigBee 技术则具有低成本、低功耗等特点，并且其在工作模式下，ZigBee 传输速率较低，传输数据量很小，从而导致信号收发时间很短，另外当其处于非工作模式时，节点处于休眠模式以节省能源消耗。

1.2智能家居照明系统国内外研究现状

1.2.1智能家居照明系统发展现状

智能家居照明系统是近几年开始发展起来的，本质上是隶属于智能楼宇自动化系统中的一个子系统。进入二十一世纪已来，智能化建筑方面的发展可谓是日新月异，在智能化建筑中涉及到有传统的用于通信方面网络系统（包括有线与无线系统），有用于安全方面的智能监控系统，有用于提高工作效率的智能办公和通信自动化系统。智能建筑在这几方面已经有了长足的发展，相关技术也比较成熟。但是作为智能建筑中的智能照明控制系统方面的发展却相对比较滞后。目前在很多成熟的智能建筑系统，照明方面仍然采用传统的手动控制照明的方法。出现这一现象主要是因为智能照明控制系统在国外的定位太高，对于普通消费者来说只能是海市蜃楼，价格高得难以接受。而在国内以前则是主要是受传统消费观念的影响，在人们的印象中照明也只是在黑暗中提供充足的光源就可以了，没有必要去花过多的金钱在照明控制上，正是由于普通民众的这种想法，使得国内一些具有这方面科研能力的院所和企业没有也不愿投入过多的人力和财力进行研

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究和推广智能照明系统1。现在随着生活水平的提高，人们对生活品质的追求也越来越高，因而对智能照明系统提出了新的要求，现在的智能照明控制系统大部分是由舞台灯光控制系统演变而来，但随着智能家居和楼宇自动化的发展，智能照明系统也开始从舞台灯光控制向各种建筑物照明发展。现在随着无线通信技术与计算机技术的发展，国内外很多的科研机构也开始研究如何将无线通信技术引入智能照明控制系统中。而ZigBee 技术的各种特性，能够很好的满足智能照明系统的要求，成为智能照明控制系统研究的热点技术。

1.2.2短距离无线通信技术发展现状

对于智能照明系统来说使用的主在通信技术就是短距离无线通信技术。现阶段主要的无线短离距通信技术有ZigBee 技术、UWB 技术、蓝牙技术、WiFi 技术等。UWB 不采用传统无线通信技术常用的连续载波，而是通过纳秒级的脉冲来完成数据信号的发送，具有很宽的频谱范围。蓝牙技术的通信距离一般在10m 以内，现阶段蓝牙技术主要应用在计算机外设，比如蓝牙打印机、蓝牙音箱等。另外目前的智能手机都内置有蓝牙模块，用于短距离之间的数据传输。WiFi 也是一种短距离的无线通信技术，主要用于数据传输量大，可靠性要求较高的场合（如无线局域网）等，但其成本较高、功耗很大。 对于ZigBee 来说，其通信速率在10~250kbit/s之间，通信距离在开阔空间难能够达到300m ，若是在室内等较封闭的空间也在10~100m范围之间，通信效率也比较高。适用于低成本、低功耗的场合。上述的几种无线短距通信技术各有各的特点，因而其应用场合也不完全相同，但它们之间的竞争非常激烈，一定的时候可能互相进行补充1。

1.3智能家居照明控制系统发展方向

传统的照明系统只为人们提供必要的照度，智能照明控制系统的设计主要是为了解决传统照明系统方面的不足。纵观智能照明控制系统发展，大致可分为三个阶段：照明系统的电子化、照明系统自动化和照明系统智能化2。在智能照明系统中用户可以根据需要设置不同的情景模式，另外还可以通过一些传感器感应周围环境变化，从而实现智能调节，为人们的工作、学习和生活提供更好的环境。就目前的发展来看智能照明控制发展的主要趋势主要在以下几个方面1：

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1) 更加人性化。根据人们的不同需求来实现智能化调节，目的就是实现人机合一。

2) 网络化。由于维护方面传统照明比较有局限性，所以网络化能及时监测到各种信息并及时反馈方便人们的使用。

3) 可扩展性。智能照明系统因实现可扩展，方便新设备能随意接入网络。

4) 标准化。智能照明系统的标准化很重要，如果说不同厂商生产出来的用时不能使用会给人们带来极大地不便。

1.4本课题设计的主要工作和任务

智能家居照明系统是一项实践性很强的课题。需要具有一定的理论基础知识，还要求具有一定的动手实践能力。为了很好的完成本次毕业设计，从毕设的准备到最后的完成主要做了以下几方面的工作。

（1）查阅相关的文献资料，搜集相应的理论基础知识。在此基础上做好理论知识准备。

（2）进行了相应的实地考察，理论与现实相结合，分析判断考虑设计的整体框架。

（3） 深入了解了ZigBee 技术的特性和通信原理以及智能照明的技术要求等。

（4）在相关理论基础完备的情况下设计了基于ZigBee 的智能家居照明系统

（5）4) 最后进行仿真与调试，完成课题设计。

1.5论文结构安排

论文第一部分为“绪论”，该部分首先说本课题的研究背景做了较为详细的阐述，随后就智能照明控制系统的国内外的研究现状过行了系统的分析。

论文第二部分为“智能照明控制系统支撑技术——Zigbee 技术”，该部分主要对Zigbee 技术进行了具体的说明。

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论文的第三部分为“系统的硬件设计与实现”, 该部分主要介绍智能照明控制技术中的硬件部分的设计。

论文第四部分为“系统的软件设计实现”，该部分就系统的结构，功能以及相对应的程序的设计与实现分别进行关键技术说明分析。

第五部分为“结论”，该部分用于描述本课题的实施结论并给出了进一步的展望。

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第二章 智能家居照明控制系统支撑

技术——zigbee 技术

2.1 ZigBee概述

ZigBee 技术一种应用于传输距离短、速率低的电子设备间的无线通信技术。是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。

Zigbee 协议栈由子层组成，每一层为其上层提供服务：如果是一个数据实体就提供数据传输服务；如果是一个管理实体就提供管理、维护服务。每个服务实体通过一个提供了一系列的基本服务指令来实现相应的功能服务接入点（SAP ）为其上层提供服务接口。其协议栈结构如图2-1所示。

图2-1 ZigBee协议栈结构

从图中可以看出，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)（应用支持子层和应用层）3。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定，传输层、网络层及应用支持子层则遵循ZigBee 联盟标准的规定。

从协议的工作过程来看，ZigBee 协议中层与层之间与OSI 参考模型的工作过程类似都是通过原语进行信息的交换和应答的。层与层之间通过服务接口来完成相关服务与相关数据的传递的。ZigBee 协议提供数据服务和管理服务两种服

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务接口，数据服务接口的主要任务是向上层提供所需的常规数据服务，管理服务接口的主要任务是向上层提供访问内部层参数、配置和管理数据的机制4。

在本课题所设计的系统中，为了达到节能的目的，系统将会采用Zigbee 技术来构建智能家居照明系统。

2.2 ZigBee网络基础

ZigBee 网络和传统意义上的网络是不同的。本文主要从ZigBee 网络中的设备类型，网络拓扑结构以及工作模式这三方面的内容进行介绍，在ZigBee 标准中，网络主要有三类网络节点、三种拓扑结构以及两种工作模式。三类网络节点分别是网络协调器（Coordinator ）、路由器(Router)和终端节点（End Device）；三种拓扑形式是星型拓扑、树型拓扑和网状拓扑；两种工作模式为信标(Beacon)模式和非信标(Non-beacon)模式。

2.2.1 网络节点类型

(1) 协调器（Coordinator ）

协调器顾名思义就是在网络中进行协调的，在ZigBee 网络中，协调器的主要作用有：1）ZigBee 网络中通信频道的选择；2）ZigBee 网络的建立；3) 为其他节点提供必要的路由信息，管理其它节点的安全及其他服务。根据ZigBee 协议的规定在一个Zigbee 网络中有且只有一个协调器节点。

(2) 路由器（Router ）

在ZigBee 网络中，路由器的主要作用有：1）路由器节点自身信息的收发；

2）节点之间转发信息的收发；3）协助其它节点加入到网络中；4）为网络提供路由信息。

(3) 终端节点

终端节点是Zigbee 系统中的最小单元，其主要作用有：1）发送和接收信息；

2）为了达到节能的目的，一般当终端节点不需要数据收发时，就会进入休眠状态以降低能耗。

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2.2.2 网络拓扑形式

(1) 星型拓扑

在星型拓扑中有一个协调器节点和若干个终端节点，协调器节点负责全网的运行，这种拓扑结构是Zigbee 网络拓扑结构中最简单的拓扑形式，如图2-2所示。

图2-2 星形拓扑结构

(2)树型拓扑

在树形拓扑结构中，协调器节点作为整个网络的根节点，它可以连接路由器节点和终端节点，路由器节点可以连接路由器节点和终端节点，而终端节点下面则不能再连接任何其它节点。树状拓扑结构如图2-3所示。

图2-3 树状拓扑结构

(3)网状拓扑

在在ZigBee 网状拓扑中，网状拓扑是最复杂的一种方式，当然也是最灵活的一种方式，具有很好的容错能力，如果某个路由路径出现问题，信息可自动选择他路径进行传输。网状拓扑结构如图2-4所示。

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图2-4 网状拓扑结构

2.2.3 工作模式

不同的应用需求，对网络的工作方式的要求也不同。为了满足不同的应用需求，ZigBee 网络的工作模式分为信标(Beacon)模式和非信标(Non-beacon)模式两种。

在信标模式下，网络中的所有设备的工作与休眠都是同步的，这样做的目的是可以在最大程度上节省能源的消耗。而在而非信标模式进行周期性休眠，网络中的设备的工作与休眠不是同步的，网络中的协调器和所有路由器设备长期处于工作状态，以确保系统时刻处于响应中。

2.3 本章小结

本章就ZigBee 技术给与一些基本的介绍，并且对节点类型和拓扑形式以及工作模式有了一定的了解，在第三章和第四章会介绍如何基于硬件完成设计。

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第三章 智能家居照明系统总体设计方案

3.1 智能家居照明系统设计要求

现代家居照明系统的要求与过去相比有了很大的不同。一方面让用户在适合的光照下生活学习，另一方面还要求系统具有节能功能以及用户操作的方便性。因而在设计智能家居照明系统时应围绕这几个方面来考虑。针对以上要求智能控制系统的设计方面应在无线感知网络方面、接入节点功能方面、远端用户和数据中心方面进行重点考虑。各方面需完成的主要功能如下。

无线感知层：作为感知层方面来说系统应该能够监测室内的温度、湿度、室内光照强度及设备电池电压等环境信息, 然后将感知到的结果通过系统中的接入节点转发到远端用户或数据中心5。

接入节点：对于接入点来说，首先收集感知层传感节点采集到的室内温度、室内湿度、室内光照强度及设备电池电压等环境信息, 然后通过通信网络将收集到的数据转发给远程用户或PC 机上的数据中心；另外对于远端用户或者数据中心发送的时候关查询命令、网络拓扑更新命令和LED 灯具的开/关灯及调光控制命令等接入节点应当能够及时的进行解析, 并根据解析的结果将信息转发给底层的感知节点5。

远端用户和数据中心：对于远端用户来说，一般都是采用手机监控室内环境信息, 这样用户就可以利用手机等终端设备通过短信的形式向感知节点发送查询或者控制命令, 并接收感知节点反馈的信息等；让用户可能很方便的监控室内的环境。对于数据中心来说，则需要进行接收并显示感知层监测到的数据、实时显示网络拓扑结构、发送控制命令并显示查询结果, 还具有历史数据查询及统计信息显示等功能5。

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3.2 系统总体设计方案

智能家居照明系统是一个较为复杂的系统，涉及到通信技术、智能控制技术以及计算机技术等方面，本课题经过充分的认证后决定采用基于ZigBee 无线传感器网络技术来设计本系统。本系统的主要组成部分有感知节点、接入节点、路由节点、终端节点和数据中心/远端用户。如图3-1所示。

图3-1 系统结构图

在本系统中，系统中的所有节点通过自适应方式组成一个网状的无线传感器网络, 在该网络中接入节点承担zigbee 网络中的协调器, 该节点上电后会自动建立网络, 随后路由节点和终端节点能自由地加入网络。

在本系统中, 各部分的作用如下。

网络的管理 数据转发

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。

3.3 系统硬件设计方案

本课题中的硬件部分的设计本质上就是无线传感器网络中的节点的设计。由于系统需要实现无线方式照度的调节，灯具的开与关，因此本系统的硬件设计主要有微处理器模块、光控模块、无线射频收发模块、电源模块、串口单元和调试接口等的设计, 系统的结构框图如图3-2所示。在该系统中, 微处理器单元需要与光控模块、射频模块、串口单元以及调试接口进行通信，是系统的核心部件。

电源模块

光控模

串

调

J G MSP430F2619 微控制器模块 CC253G

图3-2 节点结构框图

3.4 系统软件设计方案

系统的硬件是系统正常运行的基础，而系统中的软件部分则是系统的灵魂，一个好的系统离不开优秀的软件系统。为了实现本课题中的智能家居照明系统的

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设计，在该系统中的数据中心/远端用户、接入节点、路由节点和终端节点部分的软件功能如下应做到以下几个方面5。

数据中心 实时地显示家居环境信息（自然光照度）

远端用户

接入节点

路由节点

终端节点

用户能够通过数据中心对网络中节点的管理、控制智能灯光节点上灯具的开关等; 可以实时远程监控家居环境信息 可以通过短信的形式向感知节点发送查询、控制命令, 并接收感知节点反馈的信息; 组建无线传感器网络

发送与接收网络数据与指令 实现与数据中心/远端用户的通信; 实现数据包的路由与转发, 扩大网络覆盖范围 具备终端节点的所有功能

实现对室内环境信息的采集 通过无线传感器网络发送监测数据及拓扑信息到接入节点

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第四章 智能照明系统的硬件设计与实现

按照系统的规划，智能家居照明系统的硬件部分的设计与实现也就是微控制器模块、射频模块、光控模块、传感器采集模块、电源模块、串口单元及调试接口的设计与实现。

4.1微控制器模块设计

4.1.1 MSP430F2619 微控制器芯片

微控制器（MCU ），也被称为单片机，可以被认为在其内部集成了许多完成算术运算和逻辑运算等功能的逻辑电路模块。微控制器的每一条汇编指令对应一个逻辑电路模块。微控制器依靠所运行的程序来完成工作。这个程序是设计者对微控制器的一组完整的指令，指令告诉微控制器其操作的每一步应该去调用什么逻辑电路模块，以及如何调用这个逻辑电路模块。这些指令以二进制代码的形式存储在存储器中，微控制器从存储器中一次读取一条指令代码，并完成由指令代码指定的操作。

通过编写设计文件，或者程序，可以在可编程逻辑器件内部产生希望的硬件电路，或者控制微控制器完成不同的工作，正时由于这个特点，使得硬件系统的设计变得非常方便。当由于需求的更改而需要修改系统的部分设计时，设计者只需要进行少量的工作就可以完成。

由于微控制器一次只能执行一条指令，因此它的主要局限性是工作速度。采用硬件方案设计的数字系统总是比软件方案设计的数字系统的工作速度快6。可编程逻辑器件在下载设计文件以后，在它的内部将形成对应的硬件电路，这些电路是可以同时工作的。例如向2个数码管传送显示代码，这时可以同时进行。在微控制器中，向2个数码管传送显示代码的工作只能是逐个传送。可编程逻辑器件内部电路模块中信号处理的时间只来源于硬件电路产生的时间延迟，不存在指

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令读取和执行产生的时间延迟。上述工作特点使得可编程逻辑器件的工作速度比微控制器芯片快。

在本课题的设计中采用MSP430F2619微控制器模块，该芯片是由德州仪器（TI ）公司生产的64管脚PM 包装。MSP430F2619芯片管脚排列图和功能方框图分别如图4-1和图4-2所示。

图4-1 MSP430F2619芯片管脚排列图

图4-2 MSP430F2619芯片功能方框图

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4.1.2 MSP430F2619 微控制器外围电路设计 1 MSP430F2619系列芯片的时钟系统

MSP430 F2619芯片的时钟系统具有4种时钟信号源： 内部数控振荡器（DCO ） 内部低功耗振荡器（VLO ） 低频振荡器（LFXT1） 高频振荡器（XT2）。

这些时钟信号源被用来产生芯片内部使用的3种时钟信号： 主时钟信号（MCLK ） 子时钟信号（SMCLK ） 辅助时钟信号（ACLK ）

主时钟信号（MCLK ）支持芯片CPU 的工作，子时钟信号（SMCLK ）和辅助时钟信号（ACLK ）支持芯片内部外围模块的工作。MSP430F2619微控制器芯片的时钟系统方框图如图4-3所示。

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图4-3 MSP430系列芯片的时钟系统方框图 2) 传感器电路

传感节点的作用就是感知信息的，在本系统中传感电电路的设计中使用了温度方面的传感器。在该系统中温度采集使用 ds18b20传感芯片，具体电路如图4-4所示。

图 4-4 温度传感器电路图 图 4-5 按键复位电路图

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3) 按键复位电路

按键复位电路的作用是可以通过按键的断开和闭合在运行的系统中控制其复位。图 4-5是系统的按键复位电路。

4) 串口连接电路

串行数据通信中数据位的传送，按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成；成本低但传送速度慢。在本系统中PC 与接入点采用的就是串口通信。串口连接电路图如图4-６所示。

图 4-６ 串口模块原理图 5) 调试接口电路

调试接口是单片机系统中常用接口，调试接口也有很多很多，在本系统中调试接口采用JTAG ，JTAG(Joint Test Action Group，联合测试行动小组) 是一种适合于国际性的标准协议测试，主要用于芯片内部的测试。JTAG 属于在线编程，具体的做法是，先对芯片进行预编译，没问题后装配到目标板上。利用该项技术可以改变其设计流程，简化元器件，从而提高工作效率，加快工程进度。JTAG 接口原理图如图 4-7 所示。

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图 4-7 JTAG 接口原理图 6) 复位电路

系统在启动运行时都需要复位，复位使MCU 和系统中的其他部件都处于一个确定的工作状态，并从这个状态开始工作。在系统中，有时也会出现显示不正常，也为了调试方便，需要设计一个复位电路。

4.2无线射频模块设计

无线射频是20世纪90年代兴起的一种非接触式的自动识别技术。射频技术 相对于传统的磁卡及IC 卡技术具有非接触、阅读速度快、无磨损等特点。 无线射频技术在阅读器和射频卡之间进行非接触双向数据传输，以达到目标识别和数据交换的目的。与传统的条型码、磁卡及IC 卡相比，射频卡具有非接触、阅读速度快、无磨损、不受环境影响、寿命长、便于使用的特点和具有防冲突功能，能同时处理多张卡片7。

在本课题的设计过程中，考虑到智能家居照明系统的低功耗、响应快等特点, 在本系统中的协调器、路由器和各个终端节点的RF 芯片都采用TI 公司的CC2530F256芯片。ZigBee CC2530片上系统提高了系统的性能并且节省系统的成本；CC2530的RF 收发器能有效地与MCU 融为一体, 大大简化了其外围电路，因此在设计本系统也提供了很大的便捷性。

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4.3传感器采集模块设计

本课题所设计的智能家居照明控制系统需要采集照明现场的光照度、移动目标、温度、LED 状态等环境参数等，而要完成这一功能则是由系统中布置的大量传感器模块来完成的，当传感节点收集到这些信息后通过RF 无线射频模块发送到系统中的协调器网关节点，而系统中的MCU 微处理器则需要对收集过来的数据进行处理、依据内置条件进行逻辑分析和智能判断，然后根据结论来实现LED 灯具的PWM 线性无极智能调光、智能调色温、分组群控、情景模式等复杂功能。

在该系统中传感器采集模块主要由以下内部分组成：用于采集自然光照度的GL45I6光敏电阻，用于检测人体移动目标的LHI787热释电红外探头, 用于釆集环境温度的DS18B20温度传感器组成。传感器釆集模块方案框图如图4-8所示。

图4-8 传感器采集模块方案框图

4.4 光控模块设

光控模块是系统中的主要控制模块，在该系统中所有的灯具均采用LED 灯源，LED 作为照明灯是这两年来使用频率越来越高的一种照明技术。绿色低碳、节能减排是LED 灯的一个重要特点。本系统选用LED 作为被控灯具, 相比传统的LED 灯，在这里的LED 灯具中集成了 CC2530微处理器、RF 无线射频模块以及PT4115脉冲恒流驱动器。具体的工作过程是系统中的MCU 对室内环境参数(光照度、移动目标、温度等) 数据进行处理，结合特点进行逻辑判断，然后通过智能分析, 最终实现对LED 灯具的PWM 无极智能调光、智能调色温、分组群控、情景模式等复杂功能。LED 驱动调光节点方案框图如图4-9所示。

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图4-9 LED驱动调光节点方案框图

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第五章 智能照明控制系统的软件设计

5.1 系统的结构

本课题所设计的智能家居照明系统由ZigBee 协调器节点、路由器节点、继电器器节点组成。ZigBee 协调器的主要任务是进行分布式处理。它能够和若干个继电器节点进行通信，从而完成控制任务。这样可以使本系统同时控制多个区

图5-1 智能LED 系统示意图

(1)在本系统中网关的作用是网间连接器和协议转换器。它在传输层上以实现网络互连，是比较复杂的网络互连设备，用于两个高层协议不同的网络互连

(2)本系统中的继电器节点主在是用于控制LED 灯光，放置在需要控制的地方。同时继电器终端能够实现网络的加入、与协调器绑定来建立LED 控制。

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(3)本系统中的上位机主要作用是完成对所有区域LED 的控制，一般位于监控室。

5.2系统程序流程图

LED 的控制是本课题所设计的关键，是系统能否达到节能的关键所在，系统采用的是基于ZigBee 技术的智能LED 控制。

5.2.1网络建立过程

本课题的设计中，各个终端节点具有自动加入ZigBee 网络的功能，要完成这一功能需要系统自动建立网络，在这一过程中首先协调器发起网络的建立并进行信道选择；随后相关的路由节点和终端节点才能加入网络中。系统流程图如图5-2所示。

图5-2 网络建立过程

具体的工作过程是，相关设备经过一系列的初始化后，系统中的继电器节点依据ZigBee 协议来搜寻网络，一旦发现有相应网络存在就发送指令请求加入节点。在请求得到确认后，继电器节点将自身的地址信息发送给系统中的协调器，并自动与协调器进行绑定。在接受到数据传送请求之后，继电器节点就会将LED 电路及时传送给协调器。协调器将新建无线网络。若成功，允许协调器设定为绑定。协调器检测是否有节点要求加入网络，如果接收到节点的加入请求，记录下

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节点的地址，并建立绑定，同时向节点发出传送数据请求，得到节点的确认后，协调器开始接收数据，最后通过RS-232串口发送给上位机8。

5.2.2路由器程序设计

在本系统中，路由器的作用是对数据进行中继和转发, 并管理及维持网络的正常运行, 当然为了达到节能的目的，路由器可能会不定时休眠。而对于应用层来说，路由是透明的, 应用程序只负责向下发送去往任何设备的数据到相应的栈中, 栈会负责寻找相关路径, 本系统中路由的程序设计包括路径的发现、路径的选择、路径的保持维护、路由表维护和终端与协调器数据交换的中继。程序流程如下图5-3所示:

发 23

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5.3.3终端程序设计

本系统中终端节点主要负责采集室内温湿度和室内光照度等信息, 并将采集的相关数据发送给父节点来进行传送, 另外终端节点还要接收控制端发送过来的脉冲信号来进行数据处理, 控制输出口的脉冲的占空比来控制LED 灯的亮度, 终端节点的网络通信功能比较简单, 系统的数据采集程序和网络通信控制程序如图5-4所示:

图5-4 终端程序设计流程

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5.3系统的核心程序设计

(1)设备的描述程序

在该系统中，继电器和中心收集设备需要进行配置，中心收集设备将作为协调器或路由器启动，具体描述为：

const SimpleDescriptionFormat_t zigb_SimpleDesc =

{MY_ENDPOINT_ID,

MY_PROFILE_ID,

DEV_ID_COLLECTOR,

DEVICE_VERSION_COLLECTOR,

NUM_IN_CMD_COLLECTOR,

(cId_t *) zb_InCmdList,

NUM_OUT_CMD_COLLECTOR,

(cId_t *) NULL

}

(2)继电器设备的描述为：

const SimpleDescriptionFormat_t zigb_SimpleDesc =

{MY_ENDPOINT_ID,

MY_PROFILE_ID,

DEV_ID_COLLECTOR,

DEVICE_VERSION_COLLECTOR,

M_IN NU_CMD_COLLECTOR,

(cId_t *) zb_InCmdList,

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NUM_OUT_CMD_SENSOR,

(cId_t *) zb_OutCmdList

5.4 上位机

5.4.1 上位机的功能简介

上位机软件主要完成对每个区域的控制分析与显示。本课题的设计中，上位机通过串口来对协调器进行实时控制，可以通过上位机可以选择控制一个区域也可以同时控制多个区域，并有很人性化的显示界面提升用户体验。

5.4.2 上位机工作流程

在上位机中当程序启动后，需要做以下几件事情，第一对串口进行相应设置并检测网络启动否。其次当串口初始化过后，上位机中的控件将响应串口的读入事件。而这时下位机的相关数据以字符串的形式输入到上位机，在该字符串中含有相关节点的地址信息。这时，上位机需要对收集到地址信息进行查看。系统程序根据不同的地址，选择显示相应的LED 。在上位机程序显示界面中，可以用来显示每个区域LED 的开关情况。可以点击不同节点进行切换查看。

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5.5 系统测试

系统测试是保障系统正常运行的重要步骤。

5.5.1 系统硬件测试

系统的硬件测试包括对开发平台的电源、内存、按键、LED 灯、串口，以及配套电路进行测试。

下载各模块的程序后，系统各硬件均能正常工作。

5.5.3 协议栈的测试

下载协调器模块到网关模块、节点模块到电池板后，程序运行正确，从串口能正确接收到节点的地址以控制LED 的开关。

5.5.4 上位机的测试

打开上位机软件，能显示各个节点区域LED ，并且能够控制任何一个区域的LED ，能够顺利在多个区域间进行切换。

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第六章 结论

主题的实际工程项目, 主要目的是设计一个大中型家庭场合, 智能照明控制系统控制功能, 提供丰富的照明功能, 以及操作方便和手段。提出并设计了一种基于Zigbee 无线网络智能家居照明系统。设计的系统中使用CC2530随着无线网络设备,MSP430F2619单片机芯片作为处理器, 并结合TI 公司Z -堆栈协议栈实现打开和关闭, 控制LED 灯泡。

电气系统设计的自组网功能, 用户可以控制协调器发送信号通过任何终端路由器到路由器节点, 终端接收命令和PWM 信号, 实现多级调光系统中的所有灯具和情景模式控制功能, 具有一定的实用价值。

因为我的水平是有限的, 时间是有限的, 和智能明系统覆盖等因素的存在, 本文只有一小部分的功能进行了深入研究, 系统仍有很多地方需要修改, 可以考虑添加其他电气设备控制子系统, 设计网络、系统扩展到更广泛的智能家居照明系统

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致谢

本设计的完成是在我们的导师田新志老师的细心指导下进行的。在每次设计遇到问题时老师不辞辛苦的讲解才使得我的设计顺利的进行。从设计的选题到资料的搜集直至最后设计的修改的整个过程中，花费了田老师很多的宝贵时间和精力，在此向导师表示衷心地感谢! 导师严谨的治学态度，开拓进取的精神和高度的责任心都将使学生受益终生!

还要感谢和我同一设计小组的几位同学，是你们在我平时设计中和我一起探讨问题，并指出我设计上的误区，使我能及时的发现问题把设计顺利的进行下去，没有你们的帮助我不可能这样顺利地结稿，在此表示深深的谢意。

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参考文献

1. 王群锋 《基于无线网络的智能照明系统研究》 硕士论文 2012年5月

2. 王朝波 《Zigbee 智能家居智能照明》 学士论文 2014年4月

3. 谭成兵 《RFID 技术在家庭农场灌溉中的应用研究》 选自《电脑知识与技术》2013-08-05

4. 刘欣茹 《ZigBee 无线窗控系统的设计与实现》硕士论文 2014年12月

5. 徐勇 《基于ZigBee 无线传感器网络的智能照明系统研究与设计》 硕士论文》2010年3月

6. 薛延侠，赫建国 《基于FPGA 的高速数据接口的实现》 选自《微计算机信息》 2007-06-15

7. 尹启禄，龙智，谭文海，许杨 《射频标签(RFID)在移动基站设备管理中的应用探索》 选自《通信世界》 2006-06-12

8. 郭久楠 《基于CC2520传感网教学楼智能照明控制系统的设计》 选自《现代物业(上旬刊) 》2012-06-05

9. 莫蓉蓉，刘传昌，无线网络设计。机械工业出版社。2002.3

10. 冯军，程群梅，卫欣，无线网络安装，调试与维护。电子工业出版社。2004.8

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