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毕业设计论文
基于zigbee的高校教室智能照明系统的研究
摘要
随着科学技术的高速发展,特别是物联网技术方面的成熟,以及人们对低碳、绿色环境的充分认识和渴望,推动了促使传统照明正在加速地向智能控制照明系统转变。
由于高校特殊场所的职能和需求,照明量大,电能消耗高的现象普遍存在着。
因此在国家“十二五”建设规划的积极倡导下,将校园照明系统向智能化、节约化转变,建设节约型是
目前所面临的紧迫课题。
本文设计了一种基于Zigbee技术的高校教室智能照明控制系统,以实现照明教师场所的智能控制。
该解决方案依靠照度传感器、和人体红外传感器对教室的照度、使用状态及位置等信息进行信息采集。
在满足国家照度标准的前提下,达到了节约能源的目
的。
并考虑管理的便利和友好的人机交互原则,附带设计了LCD显示屏和监控管理系统,方便管理人员、教师和学生监控和查看。
文中从三个方面对高校教室智能照明控制系统进行了细致的分析和介绍。
以51单片机开发板控制器及外围硬件模块的选取,无线传感网络终端节点模块电路设计为主线,介绍了系统硬件平台的搭建方案。
依据现场熟练技术人员的运行经验、领域专家总结的
知识规律,以及经验参数,重点探讨了zigbee原理及其串口调试仿真过程。
最后,介绍了IAR软件系统的开发和调试过程,无线传感网协议栈和节点应用程序的开发,上位机监控界面的搭建等。
经验证,基于Zigbee技术的高校教室智能照明控制系统不但能根据光环境变化自动、稳定地控制灯具照度输出,而且结构简单、易于实现,适合高校教室环境,在保证照度恒定的基础上,达到了节能的目的。
关键词Zigbee;51开发板;传感器;串口助手
Abstract
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,especiallytherapidmaturationofInternetofthingstechnologyandthefullyunderstandinganddesireofpeopleforlowcarbon,greenenvironment,thetraditionallightingistransformingtotheintelligentcontrolofilluminationquickly.Collegeexiststhephenomenonoflargelightingquantityandhighenergyconsumptionbecauseofitsuniquefunctionandneeds.Ontheinitiativeof"tentwofive"constructionplan,buildingaconservation-mindedcampusandtransformingittointelligentandeconomicistheurgenttaskofcurrentsituation.
ThispaperdesignsacollegeclassroomintelligentlightingcontrolsystembasedonZigbeetechnology,soastorealizetheintelligentcontrollightingteachersplace。
Thesolutiondependsonintensityofilluminationsensor,andthehumanbodyinfraredsensorontheintensityofilluminationoftheclassroom,usingstateandlocationinformationsuchasinformationcollection.Underthepremisethatmeetthenationalstandardoftheintensityofillumination,achievedthepurposeofsavingenergy.Andconsideringtheconvenienceofmanagementandfriendlyhuman-computerinteractionprinciple,designedLCDdisplayandmonitoringmanagementsystemtofacilitatemonitorandexaminationforadministrator,teachersandstudents.
Thispaperfromthreeaspectsofuniversityclassroomintelligentlightingcontrolsystemhascarriedonthedetailedanalysisandintroduction.With51MCUdevelopmentboardcontrollerandtheselectionoftheperipheralhardwaremodule,thewirelesssensornetworkterminalnodemodulecircuitdesignasthemainline,introducedthesystemhardwareplatformconstructionscheme.Basedontheoperatingexperienceofskilledtechnicalpersonnel,summarizethedomainexpertknowledgeoflaw,aswellasexperienceparameters,discussedthezigbeeprincipleandserialdebuggingsimulationprocess.Finally,thispaperintroducestheIARsoftwaresystemdevelopmentanddebuggingprocessofthewirelesssensornetworkprotocolstackandapplicationdevelopmentandthesoftwareprogramofPCmonitoringinterfacestructures.
Verified,thecollegeclassroomintelligentlightingcontrolsystembasedonZigbeetechnologynotonlycanautomaticallyaccordingtothelightenvironmentchange,stableoutputtocontroltheintensityofilluminationlampsandlanterns,andsimplestructure,easytoimplement,issuitableforcollegeclassroomenvironment,inguaranteeingintensityofillumination,onthebasisofconstantachievedthepurposeofenergysaving.
KeywordsZigbee;51MCU;sensor;serialassistant
第一章绪论
1.1zigbee技术简介
Zigbee是一种基于802.15.4物理层协议、支持自组网、多点中继，可实现网状拓扑的复杂的组网协议。
根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术标准，其特点是近距离，高复杂度，自组织，低功耗，低数据速率，低成本双工无线通信设备。
它典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用主要适合用于自动控制和远程控制领域，而且可以嵌入各种设备。
目前应用领域主要有智能家居物联网产业链中的M2M行业、工业自动化、农业无线监测系统、数字化医疗、消费电子等。
1.1.1zigbee发展现状及发展前景
Zigbee是由zigbee联盟制定的一种无线通信技术标准，为无线传感器提供一互联互通的平台。
任何一项通信协议标准发展和成熟都归功于上游芯片厂商的支持和推动，ZigBee作为一项低功耗节能;且低速率传输无线短距离应用的通信工具，自然也离不开各大芯片厂商的开发和推广。
目前从整个ZigBee产业联盟琏来看，大概有几家主要的上游芯片供应商，它们分别是Jennic;Ti（Chipcon）;Frescale;Ember;Ateml。
Zigbee所嵌入的“芯片”实际上只是一个符合物理层标准的芯片，它仅仅负责调制解调无线通讯信号，因此达到完成对数据的接收发送和协议等各功能的实现所以必须结合单片机。
为了达到减少OEM厂商的成本目的，一些上游芯片厂商开发和推出了集成度比较高的单颗芯片上同时集成了物理层的收发和单片机功能的单Soc解决方案，单Soc把射频部分和单片机部分集成在了一起，这样就不需要额外实现对数据的接收发送和协议等各功能的一个单片机，实现了节约成本，简化设计电路目的。
而且大多数芯片生产开发公司都免费提供了基于本公司芯片的ZigBee协议栈，实现了加速了ZigBee的应用和普及。
随着ZigBee协议标准的逐步完善成熟和物联网在生活中的应用的环境下，整个ZigBee产业利用渐渐的形成了人们生活中越来越广泛趋势发展，在各大上游芯片厂商和ZigBee联盟的不断努力推动下，基于ZigBee应用在各个生活领域收益，且和我们的实际生活接轨，让人们的生活充分体会到智能时代的到来!
随之ZigBee芯片全球销售收入逐年递增。
伴随着ZigBee技术的应用十分广泛，现阶段以商业大楼自动化控制，家庭自动化控制（新建安装）与仪表控制为中心点。
商业大楼可以利用ZigBee完成自动控制，管理员可以有效地管理空调，灯光，火灾，人员感应系统等各项特殊监控和开关控制系统，可以达到节能减排，减少能源费用，降低管理人力等浪费目的。
对普通消费者来说，若家中安装ZigBee控制系统，可方便的监控家中的各电器使用情况，有效掌握电力，自来水，瓦斯的使用状况之外，亦可以具有防盗功能，例如可以在家中安装无线传感器来监控各种家庭情况，一旦侦查到异状即可通过物联网实现自动发出警告。
1.1.2zigee技术的性能及其应用
zigbee主要应用于短距离的无线传输通信功能，它具有以下诸多优点：
1）传输低速率数据：
zigbee的工作频段：
2.4GHz~868MHz，分别提供250kb/s~20kb/s的数据传输速率，且覆盖距离50m~300m，能够满足长距离低速率的数据传输的需求应用
2）低功耗：
针对节点传输时延敏感的应用进行了优化,通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短;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3）时延短：
zigbee技术专门针对时延做了优化，一般从睡眠状态转入工作状态只需十几秒钟，搜索设备时延一般只有约30ms左右，达到降低了能耗效果。
4）网络容量大：
ZigBee可采用星型、树状和网型网络结构，一个协调器最多可连接255个子节点；同时每个协调器还可由上一层协调器管理，理论上最多可组成65535个节点的树状大型网络。
5）高安全：
为保证传输数据的可靠性，建立了完整的应答数据传输机制。
而且，物理层采用了DSSS技术，将一个讯号分为多个讯号，再经编码方式传送讯号以避免同频干扰，介质访问控制层（MAC）采用802.11系列标准中的避免冲突的多路载波侦听方式，避免数据传输信道中冲突，且提高了系统的整体兼容性。
zigbee提供了三级安全模式：
无安全设定、使用访问控制清单（AccessControlList,ACL）防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES128）的对称密码，以供灵活的确定其安全属性；
6）费用低：
zigbee免收协议专利费，且通过大幅简化协议，降低了对通信控制器的要求，低的数据传输速率也带来了较低的成本。
目前每块芯片的价格大约为2美元，它的最终目标是将成本控制在1美元内左右从而达到推广应用目的。
ZigBee市场价值已经达到数亿美元。
其应用领域行业中的以低速率的无线数据传输为主，应用主要包括：
家庭和楼宇网络：
空调系统的温度控制、照明系统的自动控制、窗帘的自动控制、家用电器的远程控制、门禁系统等；
工业控制：
结合各种传感器进行数据采集和监控；
商业：
智慧型标签等；
公共场所：
烟雾探测器等；
农业控制：
收集包括土壤湿度、氮浓度、PH值等土壤信息和空气湿度、气压等气候
信息.。
医疗：
医疗传感器实时地检测病人、老人与行动不便者的血压、体温和心跳等信息，
有助于医生对病人的监护和治疗。
目前，由于Zigbee广阔的的应用前景,世界各大半导体生产厂商纷纷推出了支持IEEE802.15.4标准的无线接收芯片,比较典型的如飞思卡尔公司的MC13224,Chipcon公司的CC2430、CC2530等。
越来越多的智能楼宇系统采用了zigbee技术。
zigbee技术适合在采集或控制点比较密集并且中心端较近的地方使用，非常适合应用在建筑物监控系统中。
本次设计中,选用了Chipcon公司推出,用来实现嵌入式Zigbee应用的片上系统
CC2530-F256。
CC2530芯片具有如下主要特征:
（1）高性能和低功耗的8051微控制器核结合API协议栈;
（2）集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线电收发系统;
（3）优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性能力;
（4）在休眠模式时仅0.9uA的功耗,外部的中断或RTC能唤醒系统,在待机模式时少于0.6uA的功耗,外部中断能唤醒系统;
（5）硬件支持CSMA/CA功能;
（6）较宽旳电压范围（2.0到3.6V）;
（7）数字化的RSSI/LQI支持和强大的DMA功能;
（8）具有电压监测和内嵌温度传感器功能;
（9）具有集成了14位模/数转换的ADC转换功能;
（10）集成AES安全协处理器;
（11）带有2个强大的支持几组协议的USAJRT,以及1个符合IEEE802.15.4规范的MAC计时器,1个常规的16位计时器和2个8位计数器。
1.2智能控制照明系统研究现状
智能照明系统中的关键技术是信息传输与智能控制。
电力载波技术、综合布线技术、无线网络技术是当前国内智能照明控制系统中信息传输的三大主要技术。
从上个世纪九十年代开始国外就开始从事智能照明控制系统的开发与应用,。
进入21世纪，国内智能照明厂家和商家也积极投入智能照明系统的开发和推广迅速发展起来，涌现出了如瑞郎、百分百照明、清华同方、索博等大小不一的几十家企业，随之国内智能照明行业进入一个崭新的蓬勃发展阶段。
但由于国外品牌智能照明系统竞争力很强，跨国企业研发实力较强，其产品在创意、质量等方面均走在智能照明行业前端，导致目前国内智能照明市场目前是国外品牌占有国内大部分市场。
据统计国外品牌占据了国内市场大约90%以上的大型公用建筑和70%以上家居智能照明控制系统的市场份额，国内现有的业内企业目前实力比较弱。
智能照明控制系统与传统照明相比，智能照明可达到安全、舒适、节能、高效的目的，因此智能照明在家居领域、办公领域、商务领域及公共设施领域均有较好发展前景。
目前，中国智能照明市场并未成熟，智能照明的应用领域还主要集中在商务领域和公共设施领域，酒店、会展场馆、市政工程、道路交通领域内对智能照明的采纳使用较多;此外，办公建筑和高端别墅项目也有采用智能照明。
随着国内智能照明研发生产技术的发展和产品推广力度的加大，家居领域的智能照明应用有望得以普及。
全球智能照明行业市场前瞻与投资机会分析报告指出，照明是建筑的重要组成部分，随着人们生活水平的不断的提高，对房屋舒适度的需求与日俱增，智能照明行业发展前景潜力无穷。
由于成为楼宇智能化的重要组成一部分，智能照明市场比例也将随之不断增加，产业发展迎来大力发展。
此外，伴随我国房地产市场的不断发展，家用智能照明系统也将进入快速发展时期，智能照明市场前景乐观。
1.3几种短距离无线通信设备简介及比较
1.3.1蓝牙技术
蓝牙由电信、计算机、汽车制造、工业自动化和网络行业的领先厂商组成。
集成该技术的产品从手机、汽车到医疗设备，使用该技术的用户从消费者、工业市场到企业等等。
蓝牙在全球通用的工作频段是2.4GHz。
蓝牙的数据速率可以达到1Mb/s高速传输。
利用时分多址双工传输方案被用来实现全双工传输。
使用IEEE802.15协议支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电传输技术。
能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。
利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信。
1.3.2Wi-Fi（wirelessfidelity）技术
Wi−Fi是一种能够将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端通过无线方式连接的无线通信技术。
Wi−Fi为用户提供无线的宽带互联网访问，比如帮助用户邮件、访问Web服务器等。
用可通过Wi-Fi在家、办公室或在旅途中快速、便捷的上网。
能够访问Wi−Fi网络的位置称作热点。
Wi−Fi在2.4Ghz频段工作，所支持的速度最高达54Mbps它主要在媒体存取控制层MAC中扮演无线工作站及有线局域网络的桥梁。
有了AP，就像一般有线网络的Hub一般，无线工作站可以快速且轻易地与网络相连。
特别是对于宽带的使用，无线保真更显优势，有线宽带网络（ADSL、小区LAN等）到户后，连接到一个AP，然后在电脑中安装一块无线网卡即可。
普通的家庭有一个AP已经足够，甚至用户的邻里得到授权后，则无需增加端口，也能以共享的方式上网。
WSN性能表
1.4zigbee应用于高校智能照明系统的可行性
传输速率方面：
无线照明系统的灯光节点之间传输简单的开关信号及调光信号等，对数据传送频率要求不是很高，zigbee通信速度最大有250kb／s，这对于无线照明系统来说足够了；网络结构和容量方面：
无线智能照明系统中各个灯节点，根据应用的需求通常要组成星型网络、树型网络或网状网络的拓扑结构，一般有几十到几千个节点，zigbee能够提供这些拓扑网络结构，增加或减少节点网络都可以自我修复，网络容纳最大节点数可达到65535，能够符合无线照明系统网络节点数量和网络拓扑结构的需求，而这些是红外和蓝牙技术是无法满足的；
数据传输可靠性方面：
无线照明系统要求数据传输的可靠性，zigbee的MAC层采用talk−when．ready碰撞避免机制，数据接收端收到每一个数据包后会确认然后将确认信息回复给发送端，若发送端在某规定的时间内没有收到回复信息，即说明数据传输失败，数据将会重新传输，这种机制大大提高了数据传输的可靠性，此外zigbee还提供了鉴权、数据校验功能；扩展性方面：
zigbee是一个开放的世界标准，ZigBeeAlliance专门针对照明系统，制定了相应的规范，为各个厂商的无线照明系统的灯节点提供互操作性，各厂商的zigbee方案均通过ZigBeeAlliance的兼容性测试，这是Z−Wave和MiWi等专有的无线技术所不能满足的；
通信距离及实时性方面：
在智能家居领域的无线照明系统，所有的楼层和房间都要实现通讯，系统的信号传输需要具备穿墙能力，zigbee工作在2.4GHz的ISM频率段，节点的最大通信范围能达到100m，且信号具有一定的穿透墙壁的能力，并且zigbee支持路由功能，合理的布局可确保建筑物里不会有无线通信的盲区，红外技术做不到这点；zigbee的响应特性快，不到5ms即可在两节点间进行一次数据传输，可以满足无线照明系统对传输实时性的要求；
安全性方面：
zigbee采用ASE.128加密机制进行数据传输，并可以灵活确定其加密级别。
zigbee联盟开发了zigbee的安全层，以保证在远距离的数据传输中节点不会泄漏其标识或者被其它节点获取信息；
成本方面：
照明系统的成本控制很关键，zigbee芯片的成本大约在2美元左右，对于大批量应用而言zigbee设备的成本更低。
集成半导体技术的发展，使得zigbee芯片价格更低，体积也越来越小。
zigbee同适用于多媒体和无线局域网的高速无线通信技术，如Wi−F比较，成本非常低。
由以上分析可见，zigbee技术是应用于无线照明系统的最适合的短距离无线通信技术。
第2章zigbee技术相关知识
2.1zigbee协议体系结构
ZigBee协议栈建立在IEEE802．154的PHY层和MAC子层规范之上。
IEEE802．154定义了物理层和MAC层，而Zigbee联盟定义了网络层、应用层技术规范，每一层为其上层提供特定的服务：
即由数据服务实体提供数据传输服务；管理实体提供所有的其他管理服务。
每个服务实体通过相应的服务接入点（SAP）为其上层提供一个接口，每个服务接入点通过服务原语来完成所对应的功能。
它实现了网络层（networklayer，NWK）和应用层（applicationlayer，APL）。
在应用层内提供了应用支持子（applicationsupportsub—layer，APS）和ZigBee设备对象（ZigBeeDeviceObject，ZDO）数据传送和管理。
物理层（PHY）
物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。
物理层数据服务从无线物理信道上收发数据。
物理管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。
物理层内容：
1）ZigBee的激活；2）当前信道的能量检测；3）接收链路服务质量信息；4）ZigBee信道接入方式；5）信道频率选择；6）对于数据传输和接收。
介质接入控制子层（MAC）
MAC层负责处理所有的物理无线信道访问，并产生网络信号、同步信号；支持PAN连接和分离，提供两个对等MAC实体之间可靠的链路。
_MAC层数据服务：
保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中正确收发。
MAC层管理服务：
维护一个存储MAC子层协议状态相关信息的数据库。
MAC层功能：
1）网络协调器产生信标；2）与信标同步；3）支持PAN（个域网）链路的建立和断开；4）为设备的安全性提供支持；
5）信道接入方式采用免冲突载波检测多址接入（CSMA／CA）机制；6）处理和维护保护时隙（GTS）机制；
7）在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路。
网络层（NWK）
ZigBee协议栈的核心部分在网络层。
网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能，而协调器网络层的任务主要包括启动和维护网络正常工作，为新加入的节点分配16位短地址。
网络层还限制了数据帧在网络中的传输距离，确定路由跳数的最大值。
支持Cluster-Tree等多种路由算法，支持星形（Star）、树形（Cluster-Tree）、网格（Mesh）等多种拓扑结构。
网络层功能：
1）网络发现；2）网络形成；3）允许设备连接；4）路
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