智能家居照明控制系统设计精选版.docx

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智能家居照明控制系统设计精选版

Companynumber【1089WT-1898YT-1W8CB-9UUT-92108】

智能家居照明控制系统设计

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

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

LightingisessentialtoPeople'sDailylife,aspeoplelivingstandardrise,therequirementsofgenerallightinguptodon'tplaythatfollowone'sinclinations,andthedevelopmentofelectronic,communicationandcomputernetworktechnologyprovidesconditionsfortheintelligentlightingcontrolsystem,hasabroaddevelopmentprospects.

ThistopicinthedesignofthesystemusedinCC2530aswirelessnetworkequipment,MSP430F2619microcontrollerchipastheprocessor,andconnectingwiththeTIcompanyZ-stackprotocolstacktoachieveopenandcloseandcontrolLEDbulbs.Thisdesignthroughthenodeintheuppermachineoftherelationshipbetweentheflexibleconfigurationwhichcanachieveintelligentcontrol.

Electricalsysteminthedesignofthead-hocnetworkfunction,theusercancontrolthecoordinatortosendsignalsthroughtheroutertorouternodesanyterminal,terminalreceivesthecommandandthePWMsignal,realizeeachlamptomultistagedimmingandscenemodecontrolfunction,hasacertainpracticalvalue.

Keywords:

IntelligentLightSystemZigBeewirelessnetworkCC2530

第一章绪论

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。

智能家居照明系统国内外研究现状

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。

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。

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：

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。

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。

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。

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。

第二章智能家居照明控制系统支撑技术——zigbee技术

ZigBee概述

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2-1ZigBee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

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。

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（EndDevice）；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。

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。

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。

图2-4网状拓扑结构

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。

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。

第三章智能家居照明系统总体设计方案

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。

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。

。

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。

图3-2节点结构框图

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。

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。

微控制器模块设计

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4-1MSP430F2619芯片管脚排列图

图4-2MSP430F2619芯片功能方框图

MSP430F2619微控制器外围电路设计

1MSP430F2619系列芯片的时钟系统

MSP430F2619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。

图4-3MSP430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

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（JointTestActionGroup，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。

图4-7JTAG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。

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。

ZigBeeCC2530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。

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

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。

图4-9LED驱动调光节点方案框图

第