1、本科畢業設計 （論文）智能燈光控制系統學院名稱專業名稱 學生姓名 學號 指導教師西南科技大學本科生畢業論文智能燈光控制系統摘要：近年來，物聯網成為全球關注的熱點領域，作為物聯網中的一種重要應用，智 能家居的概念也逐步被大家接受， 智能家居涉及的內容包括家庭安防、 家電控制、 開 關照明控制、信息服務等， 其中開關照明控制系統主要是通過遠程遙控的方式對設備 進行開關控制。 矚慫潤厲釤瘞睞櫪廡賴。本系統構建了一套基于物聯網技術的智能家居控制系統平臺， 并就此智能家居系統平臺以上位機對家庭中的電燈進行控制實驗。本設計運用VB 、服務器 （PC 機）、ZigBee射頻通信協議、可控硅控制電路等技術，

2、實現了以上位機為控制端， 以 ZigBee 無線網絡為傳輸橋梁，以 CC2530 板作為家庭控制中心。本系統通過串口將上位機與 ZigBee 網絡中的協調器連接起來，上位機采集用戶操作信息，并通過串口將數據發 送到協調器， 協調器收到數據后通過無線發送方式將數據發送到終端節點， 并根據數 據控制電燈電路。 聞創溝燴鐺險愛氌譴凈。本系統基本實現了遠程控制家用電器工作狀態， 并提供了人性化界面操作， 具有 較強的實用性和可靠性。關鍵字：物聯網 ; 智能家居 ; ZigBeeII西南科技大學本科生畢業論文Intelligent Lighting Control SystemAbstract: In

3、recent years, the Internet of things becomes a hotspot in the field of global concern, as an important application of the Internet of things in the concept of intelligent home furnishing, also gradually accepted, intelligent home furnishing includes home security, home appliance control, lighting co

4、ntrol switch, information services, 1, lighting control system which is mainly on the switching equipment switch is controlled by the remote control mode.殘騖樓諍錈瀨濟溆塹籟。The system construction of the intelligent home furnishing control system platform based on Internet of things technology, and intellig

5、ent home furnishing this system platform above machine in the family of electric control experiment. The design using VB, server (PC), ZigBee RF communication protocol, a controlled silicon control circuit technology, the realization of the above machine as the control terminal, ZigBee wireless netw

6、ork as the transmission bridge, using CC2530 board as the home control center. The system connects the coordinator between host computer and ZigBee network through the serial port, computer collects user operation information, and sends the data to the coordinator through the serial port, the coordi

7、nator receives data through wireless transmission mode to send data to the terminal node, and according to the data control electric circuit. 釅錒極額閉鎮檜豬訣錐。This system realizes the working state of remote control of household appliances, and provides a user-friendly interface, has strong practicality a

8、nd reliability 彈貿攝爾霽斃攬磚鹵廡。 Key word： internet of things, Intelligent home furnishing, ZigBee 謀蕎摶篋飆鐸懟類蔣薔。III西南科技大學本科生畢業論文目錄第 1 章 緒論 1 廈礴懇蹣駢時盡繼價騷。1.1 課題背景與意義 11.1.1 智能家居發展與現狀 11.1.2 物聯網發展趨勢 21.1.3 智能家居和物聯網的關系 31.2 項目需求分析 41.2.1 社會效應需求分析 41.2.2 系統硬件需求分析 41.2.3 系統軟件需求分析 51.3 設計主要工作 5第 2 章 系統總體設計方案 62.1

9、系統總體設計 62.2 系統各部分關鍵技術 62.2.1 上位機 62.2.2 ZigBee 無線網絡 72.2.3 可控硅電路 12第 3 章 系統硬件電路設計與實現 133.1 核心功能模塊 133.2 串口通信接口 133.3 供電電源電路 143.4 電路控制模塊 14第 4 章 系統軟件設計與實現 154.1 ZIGBEE網絡軟件設計 154.2 協調器軟件設計 154.3 家庭控制中心節點程序設計 174.4 上位機設計 18IV西南科技大學本科生畢業論文4.4.1 界面設計 184.4.2 模塊功能的實現 194.4.3 程序設計 20第 5 章 系統運行測試 225.1 上位機

10、測試 225.2 ZigBee 網絡測試 225.3 系統整體測試 22結 論 24致 謝 25參考文獻 26第 1 章 緒論1.1 課題背景與意義1.1.1 智能家居發展與現狀智能家居的發展起源于 20世紀 80 年代，將電子技術、網絡通信技術用于對各種 家電設備的監視、 控制和管理， 它的商用系統就是如今智能家居的原型。 第一幢擁有 智能家居系統的建筑誕生于美國， 它利用計算機技術、 綜合布線技術將整幢樓的照明、 空調、電梯等設備進行統一的監控和管理。不就之后，北美、歐洲、澳洲以及東南亞 等地區的發達國家也相距提出了自己的只能家居方案 1 。經過近 30 年的發展，國外 的只能家居系統相對

11、比較成熟， 也有了自己穩定的客戶群。 占領市場份額較大的有霍 尼韋爾(Honeywell)、Control4、快思聰 (CRESTRON)等知名公司，都成功的推出過 自己的智能家居系統案例。 霍尼韋爾的智能家居產品比較齊全， 它以智能家居中央控 制系統為核心， 結合智能燈光系統、 空調與地暖控制系統、 安全防盜報警系統等為用 戶提供一個安全、 舒適、便捷的家居環境。 霍尼韋爾采用多種組網方式相結合的方式， 取長補短， 大大提高了智能家居系統的靈活性與穩定性。 在 2010 年的拉斯維加斯國 際消費電子展會上， Control4 公布了針對黑莓和 Android 的新的導航系統。 Control

12、4 一直比較注重移動平臺的應用開發， 源源不斷地為市場提供易于操作的應用程序。 九 十年代后期智能家居的概念開始在國內出現， 并逐漸被人們所接受。 經過十多年的發 展，出現了一大批從事智能家居的企業。 從整體上看整個國內智能家居行業結構比較 復雜，有從安防類、 傳統家電類和網絡通信類發展而來的主流廠家， 也有專業從事智 能家居的后起之秀。如英諾維科技設備有限的感應式( RF/M1/ID )智能門鎖，它采 用無線 RF 感應技術，并根據需要設置多級權限，實現酒店、辦公大樓等安全出入 的統一管理；天敏科技公司的 DVR4000HS 四路嵌入式硬盤錄像機，采用了嵌入式 處理器和嵌入式操作系統，結合視

13、音頻壓縮 /解壓縮、大容量硬盤記錄、 TCP/IP 網絡 等技術， 即可以單獨工作， 也可以與外網連接組成一個覆蓋面更大的監控網絡， 非常 適合金融、司法、家居、醫療等領域的安全防范； 天津朗瑞智能家居系統采用 X10 電 力載波通信技術，安裝簡單，操作方便，采用中央控制系統將家居的照明系統、空調 地熱系統、安防系統等結合在一起提供一個更加舒適、 安全、便捷和節能家居環境 1 。煢楨廣鰳鯡選塊網羈淚總的說來， 目前智能家居處于蓬勃發展期， 多樣化的產品滿足了人們的大部分需 求，提高了人們的生活品質，但是還存在一些不足，羅列如下： 鵝婭盡損鵪慘歷蘢鴛賴。(1) 缺乏統一的標準。因為現在國內外關于

14、智能家居內部網絡通信沒有形成統一 的標準， 這導致了各個商家產品之間很大的兼容性問題， 減少了用戶的選擇余地， 也 給以后的升級換代留下了隱患。 籟叢媽羥為贍僨蟶練淨。(2) 價格昂貴。前期的開發必須注入大量的資金，而且各種通信協議和軟件的實 現必須有相應的硬件來支持， 以及系統的安裝維護等等使智能家居系統的產品居高不 下，很多時候成了普通大眾眼中的奢侈品。 預頌圣鉉儐歲齦訝驊糴。(3) 操作復雜。智能家居是以住宅為平臺的系統，其復雜程度遠遠超過了現在家 庭中的單件設備。 要對整個系統進行有效地日常操作、 維護和必要的設置和修改， 如 果沒有人性化的操作界面和專業知識，多數用戶會覺得無從下手。

15、 滲釤嗆儼勻諤鱉調硯錦。 2013-2017年中國智能家居行業分析與前景預測報告介紹智能家居產業相關 概述、國內外智能家居產業整體運行態勢等， 智能家居集成市場發展狀況， 智能家居 集成市場規模及預測、 物聯網與智能家居集成應用發展。 可以肯定的是未來中國的智 能家居行業必將高速發展， 大約有一半的人家講享受到智能化的生活， 人們的生活質 量將會進一步提高 3。 鐃誅臥瀉噦圣騁貺頂廡。1.1.2 物聯網發展趨勢物聯網又名傳感網 , 英文名稱叫“ The Internet of things ”, 是指將各種信息 傳感設備與互聯網結合起來而形成的一個巨大網絡， 可使所有的物品與網絡連接， 方 便

16、識別和管理。物聯網具有全面感知、可靠傳遞、智能處理的特點，是繼計算機、互 聯網、移動通信網之后的又一次信息產業浪潮 2 。擁締鳳襪備訊顎輪爛薔。物聯網是 MIT-ID 中心 Ashton 教授 1999 年在研究 RFID時最早提出來的。在 2005 年國際電信聯盟( ITU)發布的同名報告中，物聯網的定義和范圍已經發生了變化， 覆蓋范圍有了較大的拓展，不再只是指基于 RFID 技術的物聯網。中國移動總裁王建 宙多次提及， 物聯網將會成為中國移動未來的發展重點。 在中國通信業發展高層論壇 上，王建宙表示：物聯網商機無限，中國移動將以開發的姿態與各方竭誠合作。 國 家中長期科學與技術發展規劃(

17、2006-2020 年)和“新一代寬帶移動無線通信網” 重大專項中均將物聯網列入重點研究領悟。 贓熱俁閫歲匱閶鄴鎵騷。2013年 2月 17日，中國政府網公布國務院關于推進物聯網有序健康發展的指 導意見中提到到 2015 年的近期發展目標： “在工業、農業、節能環保、商貿流通、 交通能源、公共安全、社會事業、城市管理、安全生產、國防建設等領域實現物聯網 試點示范應用，突出一批核心技術，初步形成物聯網產業體系。”根據對物聯網的 3 個關鍵細分領域 傳感器、 RFID、M2M 的市場發展數據預測，以傳感感知層對整體 物聯網產業的帶動系數 5 倍計算，中國物聯網產業的總體規模預計到 2015年將超過

18、 一萬億， 2020 年將超過 5 萬億 3。壇摶鄉囂懺蔞鍥鈴氈淚。1.1.3 智能家居和物聯網的關系智能家居是在物聯網的影響之下物聯化體現。 智能家居通過物聯網技術將家庭中 的各種設備（如音視頻設備、照明系統、窗簾控制、空調控制、安防系統、數字影院 系統、網絡家電以及三表抄送等） 連接到一起，提供家電控制、 照明控制、窗簾控制、 電話遠程控制、室內外遙控、防盜報警、環境監測、暖通控制、紅外轉發以及可編程 定時控制等多種功能和手段。與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統的居住功能， 兼備建筑、網絡通信、信息家電、設備自動化，集系統、結構、服務、管理為一體的 高效、舒適、安全、便利、環保的居住環境

19、，提供全方位的信息交互功能，幫助家庭 與外部保持信息交流暢通， 優化人們的生活方式， 幫助人們有效安排時間， 增強家居 生活的安全性，甚至為各種能源費用節約資金。 蠟變黲癟報倀鉉錨鈰贅。智能家居集成是利用綜合布線技術、 網絡通信技術、 安全防范技術、 自動控制技 術、音視頻技術將家居生活有關的設備集成。 由于智能家居采用的技術標準與協議的 不同，大多數智能家居系統都采用綜合布線方式， 但少數系統可能并不采用綜合布線 技術，如電力載波， 不論哪一種情況， 都一定有對應的網絡通信技術來完成所需的信 號傳輸任務， 因此網絡通信技術是智能家居集成中關鍵的技術之一。 安全防范技術是 智能家居系統中必不可

20、少的技術， 在小區及戶內可視對講、 家庭監控、家庭防盜報警、 與家庭有關的小區一卡通等領域都有廣泛應用。 自動控制技術是智能家居系統中必不 可少的技術， 廣泛應用在智能家居控制中心、 家居設備自動控制模塊中， 對于家庭能 源的科學管理、 家庭設備的日程管理都有十分重要的作用。 音視頻技術是實現家庭環 境舒適性、藝術性的重要技術， 體現在音視頻集中分配、 背景音樂、家庭影院等方面。 其中網絡通信是智能家居最重要的一個模塊，網絡通信的快速發展才產生了智能家 居。買鯛鴯譖曇膚遙閆擷凄。智能家居作為一個新生產業， 目前處于一個導入期與成長期的臨界點， 市場消費 觀念還未形成， 但隨著智能家居市場推廣普

21、及的進一步落實， 培育起消費者的使用習 慣，智能家居市場的消費潛力必然是巨大的，產業前景光明。正因為如此，國內優秀 的智能家居生產企業愈來愈重視對行業市場的研究， 特別是對企業發展環境和客戶需 求趨勢變化的深入研究， 一大批國內優秀的智能家居品牌迅速崛起， 逐漸成為智能家 居產業中的翹楚 ! 智能家居至今在中國已經歷了近 12 年的發展，從人們初最初的夢 想，到今天真實的走進我們的生活，經歷了一個艱難的過程。 綾鏑鯛駕櫬鶘蹤韋轔糴。 1.2項目需求分析本設計的智能燈光控制系統的設計與實現， 是以 CC2530 開發板為協調器和家庭 控制中心節點， 將單片機、串口通信和計算機技術相結合的軟硬件監

22、控系統， CC2530 是用于 2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和 RF4CE 應用的一個真正的片上系統 ( SoC) 解決方案。本設計結合通信、 計算機相關軟硬件， 從而實現遠程監控家用電器工作狀 態。驅躓髏彥浹綏譎飴憂錦。1.2.1 社會效應需求分析在傳統生活中， 當家庭成員外出后， 對家庭的各種電器的工作狀態無法了解更談 不上控制了， 而往往會造成不可預料的后果， 據報道某戶人家在用電磁爐燒水因為外 出無人監管最后造成了房間起火使得家中東西全被燒盡。 貓蠆驢繪燈鮒誅髏貺廡。隨著科技的不斷進步， 智能家居系統的出現悄悄的改變著人們的生活方式， 智能 家居系統為人們

23、提供一個舒適、 安全、方便和高效的生活環境。 對智能家居產品來說， 最重要的是以實用為核心， 摒棄掉那些華而不實， 只能充作擺設的功能， 產品以實用 性、易用性和人性化為主 5 。 鍬籟饗逕瑣筆襖鷗婭薔。1.2.2 系統硬件需求分析 智能燈光控制系統的設計與實現，其硬件系統包括計算機串口通信的接口電路、 協調器節點、家庭控制中心節點、 可控硅電路。 經過研究系統對硬件的需求分析主要 包括以下幾個方面： 構氽頑黌碩飩薺齦話騖。(1) CPU 要具備較快的處理速度，并且對信號進行轉換、處理。(2) 硬件芯片要選擇體積比較小，并方便移動，能較好的與家用電器進行連接。(3) 功耗盡量小，可以降低成本，

24、保證系統的持久性，也可以節約資源，使性能 更加穩定。以上硬件需求分析， 是為了能夠提高整個系統的性能指標， 保障系統的穩定性和 可靠性。1.2.3 系統軟件需求分析系統的軟件設計與硬件設計相聯系，軟件系統主要包括：上位機顯示界面程序設 計，協調器節點程序設計， 家庭控制中心節點程序設計。 系統軟件開發應具備以下功 能：輒嶧陽檉籪癤網儂號澩。(1) 系統能保證實時的對家庭電器工作情況進行采集和反饋。(2) 針對 PC 機、協調器節點和家庭控制中心節點設計不同的通信方式， 軟件的設 計要與芯片的硬件參數相匹配。 堯側閆繭絳闕絢勵蜆贅。(3) 上位機軟件要簡潔明了，方便操作，適合普通人群。1.3 設

25、計主要工作 本設計針對當前智能家居控制系統的不足，發揮當前發展迅速的短距離無線技 術標準的優勢，提出一種以 ZigBee 無線技術為網絡通信協議，智能家居控制系統與 照明系統相結合的設計方案實現了遠程控制目的 4 。識饒鎂錕縊灩筧嚌儼淒。上位機的設計對于計算機專業人員可以通過輸入命令控制電燈， 如何才能讓操作變得簡單并適 合普通人群使用？本設計采用 VB語言在 VC6.0 環境下設計上位機，上位機則是可以 讓人們通過熟悉的圖像界面對家用電器的運行情況有真實的了解， 并且通過簡單的按 鍵操作進行遠程控制， 適合廣大人群的需求。 這對于智能家居的推廣和普及有著重要 意義。 凍鈹鋨勞臘鍇癇婦脛糴。構

26、建 ZigBee 網絡數據的有效傳輸是本設計成功的重要保證， 現在的智能家居產品多數采用有線形 式組建其控制網絡與之相對應的技術有： X-10, RS485, RS232 ，CANBus, CEBus, LonWorks 和 TCP/IP 等，這些方式有著明顯的缺點：布線復雜，系統安裝、維護成 本較高；系統擴展性差，設備的移動、增加和減少都需要重新布線，而 ZigBee 恰好 能客服這些因素，因此本設計采用了 ZigBee 構建傳輸模塊，本設計中 Zigbee網絡中 有一個協調器， 一個家庭中心節點， 協調器負責與上位機進行串口通信， 并將數據發 送到家庭控制中心，家庭控制中心控制電燈照明模塊

27、。 恥諤銪滅縈歡煬鞏鶩錦。設計電路控制系統 芯片只能傳輸出低電壓，如何用低電壓控制 220V 的電壓，本設計采用了可控硅 設計電路，當終端接收到命令后通過家庭中心節點對 CC2450的 P1.0 口的電平變化實 現對電路的閉合和斷開，從而實現了對電燈亮滅控制。 鯊腎鑰詘褳鉀溈懼統庫。第 2 章 系統總體設計方案2.1 系統總體設計智能家居控制系統 （smarthome control systems簡, 稱 SCS），是以住宅為平臺， 家居 電器及家電設備為主要控制對象， 利用綜合布線技術 自動控制技術、 音協調、 網絡通信技術、 安全防范技術、 關的設施進行高效集成， 構建高效的住宅設施與家

28、庭日程事務的控制管理系統，提升家居智能、安全、便利、舒適，并實現環保 節能的綜合智能家居上位網機絡控制系統平臺。 智能家居控80制2.系15統.4是智能家居核心， 家居控制功能實現的基礎。智能家居通過Z使igb用ee多終種終端，.以. 互聯網Zig為bee通終信中轉中心， 沒有通信距離， 家庭和家居數量的限制， 能讓人們隨時隨地的了解自己家居狀況并遠 程控制， 提高人們的生活水平和質量。 制 居控制中心收到命令后就可根據命令做出是智能制制 控制戶在自己的終端上發送相制應控 的控制命令， 家電燈的亮滅控制 ,的操作，系統設計如圖 2-1 所示6 。碩癘鄴頏謅攆檸攜驤蘞燈1本設計中燈N圖 2-1

29、系統總體設計整個設計分為三個部分：上位機控制端 6 ，ZigBee 無線網絡和終端電路控制。這 三個部分分別對應于 vc6.0 環境下的控制臺設計，基于無線傳感技術的網絡設計， MOC3061 系列光電雙向可控硅驅動器。 最終實現上位機控制家居 （以控制電燈為例） 。 閿擻輳嬪諫遷擇楨秘騖。2.2 系統各部分關鍵技術2.2.1 上位機上位機是指可以直接發出操控命令的計算機，一般是 PC，屏幕上顯示各種信號 變化（液壓，水位，溫度等） 。下位機是直接控制設備獲取設備狀況的計算機，一般 是 PLC/ 單片機之類的。上位機發出的命令首先給下位機，下位機再根據此命令解釋 成相應時序信號直接控制相應設備

30、。 下位機不時讀取設備狀態數據 （一般為模擬量）， 轉換成數字信號反饋給上位機。簡言之如此，實際情況千差萬別，但萬變不離其宗： 上下位機都需要編程，都有專門的開發系統。 氬嚕躑竄貿懇彈瀘頷澩。通常上位機和下位機通訊可以采用不同的通訊協議可以有 RS232 的串口通訊或 者采用 RS485串行通訊當用計算機和 PLC 通訊的時候不但可以采用傳統的 D 形式的 串行通訊還可以采用更適合工業控制的雙線的 PROFIBUS-DP 通訊采用封裝好的程 序開發工具就可以實現 PLC 和上位機的通訊，當然可以自己編寫驅動類的接口協議 控制上位機和下位機的通訊。 本設計使用了 VC6.0 的 MSComm 通

31、信控件實現串行接 口發送數據 7。 釷鵒資贏車贖孫滅獅贅。數據收發部分和顯示部分(1) 上位機在系統中的位置：處于網絡層中，與嵌入式網關通過網線相連。實際 應用時是放置在實驗室的工作臺上，供監控者使用。 慫闡譜鯪逕導嘯畫長涼。(2) 上位機的功能：此軟件實時監視電燈的工作狀況，并且可以控制電燈的亮滅。(3) 上位機的設計實現：此軟件主要有兩部分組成，數據發送部分和顯示部分。數據發送指的是將數據發送到協調器。兩者是通過 USB 接口連接的，它在和上位機 通信中是作為服務器的，而上位機就是作為連接發起方。 諺辭調擔鈧諂動禪瀉類。2.2.2 ZigBee 無線網絡 蜜蜂在發現花叢后會通過一種特殊的肢

32、體語言來告知同伴新發現的食物源位置 等信息，這種肢體語言就是 ZigZag 行舞蹈，是蜜蜂之間一種簡單傳達信息的方式。 借此意義 ZigBee 作為新一代無線通訊技術的命名。在此之前 ZigBee 也被稱為 “ HomeRF Lite、”“ R-F EasyLink ”或“ fireFly無線”電技術，目前統稱為 ZigBee8。嘰覲詿 縲鐋囁偽純鉿錈。簡單的說， ZigBee是一種高可靠的無線數傳網絡，類似于 CDMA 和 GSM網絡。 ZigBee數傳模塊類似于移動網絡基站。通訊距離從標準的 75m 到幾百米、幾公里， 并且支持無限擴展。 熒紿譏鉦鏌觶鷹緇機庫。ZigBee 是一個由可多到

33、 65000個無線數傳模塊組成的一個無線數傳網絡平臺， 在整個網絡范圍內，每一個 ZigBee 網絡數傳模塊之間可以相互通信，每個網絡節點 間的距離可以從標準的 75m無限擴展。可工作在 2.4GHz(全球流行 )、868MHz(歐洲 流行)和 915 MHz(美國流行)3 個頻段上,分別具有最高 250kbit/s、20kbit/s和 40kbit/s 的傳輸速率，它的傳輸距離在 10-75m的范圍內 ,但可以繼續增加 11。 鶼漬螻偉閱劍鯫腎邏蘞。ZigBee 特點(1) 低功耗: 由于 ZigBee的傳輸速率低 ,發射功率僅為 1mW,而且采用了休眠模 式，功耗低 ,因此 ZigBee

34、設備非常省電。據估算， ZigBee 設備僅靠兩節 5號電池就可 以維持長達 6 個月到 2 年左右的使用時間 ,這是其它無線設備望塵莫及的。 紂憂蔣氳頑薟驅 藥憫騖。（2）成本低： ZigBee模塊的初始成本在 6 美元左右，估計很快就能降到 1.52.5 美元, 并且 ZigBee 協議是免專利費的。低成本對于 ZigBee 也是一個關鍵的因素。 穎 芻莖蛺餑億頓裊賠瀧。（3）時延短 : 通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延 30ms,休眠激活的時延是 15ms, 活動設備信道接入的時延為 15ms。因此 ZigBee 技術 適用于對時延要求苛刻的無線控制 （如工業控

35、制場合等 ）應用。 濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。（4）網絡容量大：一個星型結構的 ZigBee 網絡最多可以容納 254 個從設備和一個 主設備，一個區域內可以同時存在最多 100個 ZigBee網絡, 而且網絡組成靈活。 銚銻 縵嚌鰻鴻鋟謎諏涼（5）可靠 : 采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙,避開了發送數據的競爭和沖突。MAC 層采用了完全確認的數據傳輸模式，每個發 送的數據包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過應程應中應出應現應問題可以進行重發擠貼綬電麥結鈺贖嘵類。（6） 安全：ZigBee 提供了基于循環冗應余應校應驗應（應CR應應C）A的PS數應據包完整性檢查

36、功能 ,支持9。賠荊鑒權和認證，采用應了應應AE應S應-128的加密算法 ,各個應用可以靈活確定其安應全應屬性紳諮侖驟遼輩襪錈。應應ZigBee 協議棧 本設計采用的是應 應應應 NWK 應ZigBee-Pro/2007 協80議2.規15范.4P1H0Y，應其M協AC議應棧架構如圖 2-3 所示圖 2-3 ZigBee 體系結構 協議棧中的每一層都對上層協議一無所知。可以把上層協議看成下層協議的上 司，下層協議在上層協議的命令下展開工作。 在下層的基礎上， 上層可以變得越來越 塤礙籟饈決穩賽釙冊庫。復雜。ZigBee 沒有嚴格地遵行 OSI 七層協議模型，但有些是一樣的，包括物理層 （PHY

37、）、MAC 層和網絡層（ NWK ）。其他 4-7 層（傳輸層、會話層、描述層和 應用層）包括在了 ZigBee 協議棧模型的 APS 層和 ZDO 層。在層與層之間都有服 務接入點（ SAP）。SAP 提供了應用程序接口（ API），從而使得上下層能獨立工作。 和 IEEE 802.15.4 規范一樣， ZigBee 協議棧的每一層都有兩個服務接入點， 分別用于 數據和管理 7 。例如，所有的進出網絡層數據都是通過網絡層數據實體服務接入點NLDE-SAP )裊樣祕廬廂顫諺鍘羋藺。物理層 PHY編號“11”到“26”。物理層處于 ZigBee協議棧的最底層，由 IEEE 802.15.4 規范

38、定義。IEEE 802.15.4 規范定義了三種物理層基帶模式， 分別工作在 868 MHz、915 MHz 和 2.4 GHz 頻段， 但 ZigBee 協議棧只采用了 2.4 GHz 這一頻段一共有 16 個信道， 其中心頻率由公式（ 2-1）計算得出： 倉嫗盤紲囑瓏詁鍬齊驁。fc = 2045+5(k- 11)MHk= 12,13,26(2-1)綻萬璉轆娛閬蟶鬮綰瀧。上層實體 了更高P的L速M率E（-SHz 頻段在全球 理管理層頻段實在體全球 理管（。理P層物M理L實E層）體4 GHPz D頻-段S提AP供40kps），而且物2.4 G 兩種服務：物理層數據服務物和理物層理層管物理服務（

39、co（l PDHataY Un）it ，PPDPUH）Y的-P收I發B數這不僅是因為工作在 2.為 20kps, 915MHz 為為 250kps,868MHz圍內通用。物理層提供Hz層通過某 據服 過 PLME-SAP （物理層管理實體服務接入點）向上層提供管理 體同時也維護物理層個域網絡信息庫（ 層的結構模型如圖 2-4 所示協議數據包（ PHY Proto一物理信道提供物理層 務；物理層管理實體通 服務。物理層管理實PRHYF -PSAANIPnformation Base ,PHY-PIB ）。物理 驍顧燁鶚巰瀆射蕪領頻鱺賻硬。件圖 2-4 物理層結構模塊物理層的主要功能是實現兩個物理

40、無線設備之間的數據收發。 ZigBee 協議棧采 用一問一答的形式來實現物理幀的空間傳送。 此外還包括對信道能量水平的檢測、 空 閑信道評估和數據信號質量測量等。 瑣釙濺曖惲錕縞馭篩涼。MAC 層MAC 層是媒體控制接入層的簡稱， 顧名思義該層主要功能是管理設備的通信資 源，使之在網絡中和一個或者多個設備正常通信。 ZigBee 協議棧的 MAC 層由 IEEE 802.15.4 定義，提供了信道接入、 本地網絡建立維護和同步、 安全、可靠通信等功能。 鎦詩涇艷損樓紲鯗餳類。網絡中的每個設備都必須有一個地址，在 MAC 層 MAC 地址是通信設備的標 識。 MAC 層規定兩種地址， 既短地址和

41、擴展地址。 短地址是設備加入 PAN 網絡時， 協調器臨時分配的一個地址， 長度為 16 個比特。而擴展地址一般是出廠時就已經固 化的長期地址， 長度為 64 個比特。在通信中， 如果使用擴展地址可以唯一區分不同 的設備，但相對最大凈荷只有 127 字節的物理層幀來說開銷比較大。短地址的引出就是為了節省開銷，但引入了地址沖突的可能。目前 ,IEEE802.15.4 中 MAC 層并沒 有規定短地址沖突檢測和解決的方法，而 ZigBee 協議網絡層中規定了解決此問題的 機制。 櫛緶歐鋤棗鈕種鵑瑤錟。MAC 層數據需經物理層封裝后才能發送出去， 接收設備再經過解封裝從新得到 MAC 數據。 MAC

42、 層幀包括幀頭、凈荷和幀校驗序列（ FCS），具體結構如下表： 轡燁棟剛殮攬瑤麗鬮應MCPS-SAP MLME-SAP AC 幀頭MAC管理層實體（ MLME）MACMAC負載幀尾MAC 提供了M兩A種C通服用務部：分M子AC層 層數據服務和 MAC 層管理服務 持子層服務接入點。網絡層數據實體( NWK Layer Data Entity ， NLDE )通過 MAMCA C層-P通IB用部分支(MAC Common Part Sublayer SAP， MCPS-SAP)提供數據服務。AC 管理服務則是通過 MAC 層管理實P體D服-S務A接P入點 （MLME-SE供-M服SA務P。具體

43、MAC 結構模型如圖 2-5 所示。峴揚斕滾澗輻灄興渙藺。物理層10/20/2/80/20/2/80/5/6/10/14可變2序列號目的 PAN標 識符目的地址源 PAN 標識符源地址安裝認證頭凈荷幀校驗表 2-1 MAC 數據結構2（字節）幀控制地址域 上層實體圖 2-5 MAC 層結構模型網絡層 NWK由 ZigBee 協議棧架構可知， 網絡層內部分為網絡層數據實體NLD（EN-SLADPE ）和網絡管理實N體LM（E-SNALPME ）兩部分，如圖 2-6 所 示。對上，網絡層層是實igBee 聯盟定義的協議層。 在邏輯上網絡數據實體通過訪問服務接口 NLDE-SAP 為上層接口 NNL

44、LMMEE-SAP 為上層提供網絡層的管一般是應用層）提供數據服務；數據管理實體通過訪問服務NLDE層數據實體通過MAC 層通用NE支KI持B 子層訪問服務理服務。對下，網絡通過 MAC 層管理實體訪問服務接口獲得管理MCP-SAP服務；數據管理層MLME-SAP鋨驁。MAC層實體10務接口獲得數據。 詩叁撻訥燼憂毀厲圖 2-6 網絡層結構的設備類型初始化設備： 如果是協調器， 則應 口（ ZDO） 離開， 以及為其他設備分配地址等功能； 如果是路由器應具備發現、 報告和記錄相鄰設備信 力；如果是終端端設口備2則40應具備最基本端的口數據1 接收和發送功能應用層不同在設備啟動時， 網絡層會針對

45、該具備初始化應并用對建象立一2個40新的.網絡應的用能對力象， 1 包括支共持口接其他。則APDE-SAPAPDE-SAP息的能鯤愜韋瘓賈暉園棟瀧應用層是整個 ZigBee 協應議用層棧數據的實最體 高一層。 ZigBee 應用層由O ）和應用框架。 脹鏝彈奧秘孫戶三個部分組成，如圖2-7 所示：應用支持子層（ APS）、ZigBee 設備對象（ ZD應用支持子層管g理實體（APSME）孿釔賻。應用支持子層APSIBZDO公共接口ZDO管理平臺圖 2-7 應用層結構框圖應用支持子層（ APS）在網絡層（ NWK ）和應用層之間提供了一個接口。跟低 層協議相似，應用支持子層支持兩種服務：數據和管

46、理。應用支持子層數據實體 （APSDE）通過 APSDE 訪問服務接口（ SAP）提供數據服務；應用支持子層管理 實體（ APSME）通過 APSME-SAP 體現管理能力。 鰓躋峽禱紉誦幫廢掃減。在 ZigBee 設備中應用層框架是應用對象的支撐，同時也管理著協議層。所有應 用對象都是供應商開發的， 這也為用戶提供了應用的多樣化。 在一個設備中最多可以 嵌入多達 240 個應用對象。 稟虛嬪賑維嚌妝擴踴糶。在對等之間應用對象之間通過 APSDE-SAP 發送和接收數據（如圖 2-5）。每 一個應用都有一個唯一的端點地址 （端點 1 至端點 240）。端點地址 0 為 ZDO 保 留。如果要廣

47、播一個消息至所有應用對象， 那么它的端點地址必須設置為 255。端點 編址允許多個設備共享一個無線電收發器。 例如在智能家居照明系統中多個燈連接在 一個無線電收發器上， 每個燈都被分配了一個唯一的端點地址， 都能被獨立地開啟和 關閉。 ZDO 提供了一個在應用支持子層和應用框架層之間的服務接口 26 。它包括 了 ZigBee 協議棧中所有應用的通用函數。例如把一個設備配置成協調器、路由器還 是終端設備是 ZDO 其中的一個功能。 ZDO 利用原語履行它的職責，通過管理接口 APSME-SAP 獲得 APS 的管理實體，應用框架層通過 ZDO 公共接口和 ZDO 聯系 在一起。 陽簍埡鮭罷規嗚

48、舊巋錟。ZigBee 新一代 SOC 芯片 CC2530 是真正的片上系統解決方案，支持 IEEE 802.15.4 標準。擁有龐大的快閃記憶體多達 256 個字節， CC2530 是理想的 ZigBee11 專業應用芯片。 CC2530 結合了一個完全集成的，高性能的 RF 收發器與一個 8051微 處理器，8 kB 的RAM ，32/64/128/256 KB閃存，以及其他強大的支持功能和外設 10。 溈氣嘮戇萇鑿鑿櫧諤應。CC2530 還可以配備 TI 的一個標準兼容或專有的網絡協議棧 （RemoTI，Z-Stack， 或 SimpliciTI ）來簡化開發，使開發變得更加容易，因此本系

49、統選擇 CC2530 作為主 控制器 11。鋇嵐縣緱虜榮產濤團藺。2.2.3 可控硅電路 在電燈控制電路中選用的是可控硅， 可控硅是可控硅整流元件的簡稱， 是一種具 有三個 PN 結的四層結構的大功率半導體器件， 亦稱為晶閘管。 具有體積小、 結構相 對簡單、功能強等特點，是比較常用的半導體器件之一 8。 懨俠劑鈍觸樂鷴燼觶騮。可控硅能以毫安級電流控制大功率的機電設備， 如果超過此頻率， 因元件開關損 耗顯著增加，允許通過的平均電流相降低，此時，標稱電流應降級使用.謾飽兗爭詣繚鮐癩別瀘。可控硅的優點很多，例如：以小功率控制大功率，功率放大倍數高達幾十萬倍； 反應極快，在微秒級內開通、關斷；無觸

50、點運行，無火花、無噪音；效率高，成本低 等等.咼鉉們歟謙鴣餃競蕩賺。可控硅工作原理： 它是由三個 PN 結四層結構硅芯片和三個電極組成的半導體器 件。可控硅的三個電極分別叫陽極 （A） 、陰極（K）和控制極 （G）。當器件的陽極接負電 位（相對陰極而言 ）時，從符號圖上可以看出 PN 結處于反向，具有類似二極管的反向 特性。當器件的陽極上加正電位時 （若控制極不接任何電壓 ），在一定的電壓范圍內， 器件仍處于阻抗很高的關閉狀態。但當正電壓大于某個電壓 （稱為轉折電壓 ）時，器件 迅速轉變到低阻通導狀態。 加在可控硅陽極和陰極間的電壓低于轉折電壓時， 器件處 于關閉狀態。此時如果在控制極上加有適

51、當大小的正電壓 （對陰極 ），則可控硅可迅速 被激發而變為導通狀態。可控硅一旦導通，控制極便失去其控制作用。就是說，導通 后撤去柵極電壓可控硅仍導通， 只有使器件中的電流減到低于某個數值或陰極與陽極 之間電壓減小到零或負值時，器件才可恢復到關閉狀態 。瑩諧齷蘄賞組靄縐嚴減。LCD模塊LED模塊TA3G章 系統硬C件C2電53路0 設計與實接口在本系統中最小的單位是一個功能外還必須具有一定的運算能電力和路存控儲復雜程度以及設計的難度，本系制統選模擇塊了立的終端節點，串模現口塊除了具有2.4GHZ 無線收發TI 公司模最新塊的 CC2530 作為本設計的主芯片。只要極少數的外圍元器件就能完成一個典

52、型的應用設計， 由此降低了整個無線網 絡的成本。如圖3-1 就是本文節點硬件電的源總設模計塊方案麩肅鵬鏇轎騍鐐縛縟糶。3-1 總設計方案3.1 核心功能模塊要由 CC2530 主還引出了所有的通用 I/O濾波電路、外部晶振組成，此外/O 端口分配在三個接口，如圖 3-2。該功能模塊負責終端節點 收相關命令、 控制本節點相關輸出芯片、電源或者是路由節點數據的采集、 預處理、設備（如 LED 、電機等），本設計采用發送以及接P1_0口來控控制電燈電路的閉合和斷開鄖禎銣膩鰲錟。 納疇鰻吶圖 3-2 CC2530 核心功能模塊原理圖3.2 串口通信接口CC2530兩個 USART （串行同步 /異步通

53、信端口）接口，可以獨立地工作在 者 SPI（串行外設接口 ）模式。RS232 標準定義邏輯“ ，邏輯“ 0”為 3 到 15 伏，而一般的微處理邏輯“ 為 0到 1伏。所以當 CC2530的 UART 相連于上位）模式或UART（通用異 的電平相對于地為 -3 到-15 伏的電平為 3 到 5時，它需1”1”轉換靜電保護13。風攆鮪貓鐵頻鈣薊糾廟2驅動器來轉換電平。本設計采用德州儀器公司的 N65C3243 支持 3.35.5V 電壓供電，休眠 機通過串口通信接口與協調器相連接， 串口轉N65C3243電流僅為 電流僅為圖1，而且帶圖 3-3 串口轉換電路13換電路如3-3 所示3.3 供電電

54、源電路ZigBee 節點設備按功能分，可以分為協調器、路由節點和終端節點。由于功能不同， 一般情況下它們的工作環境和工作時間長都不太一樣： 協調器任務最重， 工作的時長也最長，工作環境較好；路由器次之；路由器任務最輕，大多時候都處在休眠而且很可能在野外或者環境較惡劣的地方。因此本系統采用了兩種供電方案：狀態，一種是采用開關電源供電（開關電源與市電電網相連） ，另一種是采用干電池組（兩 節 AADCDC轉換芯片把 5V 直流電壓轉換為 3.3V 直流電壓輸出；上半部分是干電池組供電電路，池）供電。如圖 3-4 所示，下半部分是開關電源供電電路，主要采用了一顆有低電壓報警調能采用開關電源供電，終端

55、設備采用干電池供電噯駭諗鋅獵輛覯餿藹。圖 3-4 供電電路3.4 電路控制模塊電路控制模塊采用雙向可控硅調光電路，電路設計如圖 3-5 所示。 HOT 端口與 GROUND 端口則與另一根地線相連，用光電耦合器 MOC3021 內部雙向晶閘管 1 引腳為高電平時， ，電路斷開，燈熄滅。220V 電路的火線相連，而MOC3021 作為晶閘管的驅 導通，觸發外部晶閘MOC3021 內部雙向晶閘管斷開，從個電路導通，燈 而觸發外部晶閘平時， 點亮；當 管也斷開鐒鸝餉飾鐔閌貲諢癱騮。圖 3-5 控制電路設計圖144.1 ZigBee建一絡系統通過兩顯塊示件網設絡的2I5D3、0頻芯道片分別作為協調器和家庭終頻道發送加入網絡信號機負責采集用戶進的入數無據線，監控狀然態后通過串口傳輸方式將加入是否成數據后進行打包然后發網絡控給制新加中入心節，點分配并 網絡號，并顯示加 的入節點Zi的gb網e絡e號節監視無線信現對電燈的控制據得進到入監的控數狀據態控并顯示加器建了否 ZigBee 網絡，上位 器， 協調器接收到 制可控硅電路從而實（ Coordinator），在終 Coor收di到na開to或r關通命過令輪詢方式