智能路灯.docx

智能路灯.docx

《智能路灯.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能路灯.docx（37页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

智能路灯

第十一届“博创杯”全国大学生嵌入式设计大赛

作品设计报告

基于zigbee的智能路灯

Intelligentrobotcontrolbasedonbodysensingtechnology

设

计

报

告

队伍编号：

参赛学校：

青岛农业大学

作者：

刘志鹏吕永红葛士浩

指导教师：

白皓然王蕊

组别：

□硕士组本科组□高职组

摘要

随着我国城市化水平的不断提高，城市的路灯照明系统不断扩大，然而由于恶劣天气情况的影响，时常出现断电、供电量不足等问题，同时，节约电能、提高路灯控制器的使用率，已经是城市路灯照明系统急需解决的问题。

目前各大城市的路灯能源利用率普遍不高，路灯电费高昂，增加了管理喝实用单位的经济负担，而传统路灯控制存在着智能化程度低、通讯稳定程度差、管理控制不方便、路面照度分布不均等问题。

本课题设计的无线智能路灯系统，采用ZigBee无线自组织网络技术，可以实现路灯节能控制系统的智能化、信息化、而且具有可靠性高、成本低的优势。

本系统由三部分组成：

上位机系统管理软件、无线路灯网关和无线路灯控制器。

无线路灯网关作为ZigBee网络协调器，可安置在监控机房，一方面负责ZigBee网路的建立喝配置，另一方面通过以太网与上机连接，实时反馈网络状态和接收上位机控制指令。

无线路灯控制器作为ZigBee网络路由器，安置在灯杆内部，可对照明电路电压、电流、功率等参数进行监测，并控制路灯的智能开启和关闭。

在ZigBee网络中，它的功能是允许其他设备加入网络和多跳路由维护。

论文首先介绍了课题研究背景、研究状况以及目的喝意义；其次分析了ZigBee技术标准，ZigBee网络的设备类型，详细介绍了ZigBee协议层组成，包括物理层、介质访问控制层、网络层喝应用层；接着进行无线路灯智能系统总体设计，研究了系统网络拓扑、路由协议等，本系采用网状网，Cluser-Tree算法和AODVjr算法相结合的路由协议，并在NS2平台上进行了仿真分析，结果表明，重新设计的智能路灯由协议性能优于前两者；随后设计了基于CC2530的ZigBee射频模块，给出了原理图和PCB设计中的注意事项；接着，进行ZigBee协议栈的软件开发，重点研究了Z-Stack协议栈的各个模块和运行机制，设计了ZigBee模块的启动流程，并且实现了API接口的功能开发；最后在陕西渭南进行系统安装和测试，共安装控制器93个，其中一个无线路灯网关，92个无线路灯控制器，实际运行结果表明系统运行良好，具有很高的推广价值。

关键词：

zigbee、GSM、智能路灯

Abstract

Withtheconstantimprovementofthelevelofurbanizationinourcountry,theexpandingofcitystreetlamplightingsystem,butduetobadweatherconditions,theinfluenceoffrequentpoweroutages,suchproblemsasinsufficientsupply,atthesametime,managingelectricenergy,improvethedistributionofstreetlampcontroller,isalreadyacitystreetlamplightingsystemurgentlyneedstosolvetheproblem.Streetlampsinthegreatcitiesofthecurrentenergyefficiencygenerallyisnothigh,highstreetlightelectricity,increasetheeconomicburdenofthemanagementunitofdrink,thereisalowdegreeofintelligenceandtraditionalstreetlightcontrol,communicationofstability,poormanagementcontrol,convenient,roadilluminationdistributioninequalityproblem.

Thistopicdesignofwirelessintelligentstreetlampsystem,USEStheZigBeewirelessself-organizingnetworktechnology,canrealizeenergy-savingcontrolsystemofintelligentstreetlamp,informationization,andhastheadvantagesofhighreliabilityandlowcost.Thissystemconsistsofthreeparts:

theuppermachinesystemmanagementsoftware,wirelessstreetlampgatewayandwirelessstreetlampcontroller.WirelessstreetlampgatewayastheZigBeenetworkcoordinator,canbeplacedinthemonitoringroom,ontheonehand,isresponsiblefortheestablishmentoftheZigBeenetworkconfiguration,drinkwithcomputerbyEthernetconnectionontheotherhand,real-timefeedbackcontrolnetworkstatusandreceivetheuppermachineinstructions.WirelessstreetlampcontrollerasZigBeenetworkrouters,placedinsidethelightpole,forlightingcircuitparameterssuchasvoltage,current,powermonitoring,andcontrolofstreetlampintelligentopenandclosed.IntheZigBeenetwork,itsfunctionistoallowotherdevicestojointhenetworkandmultiplehopsroutingmaintenance.

Paperfirstintroducestheresearchbackground,researchstatusandpurposedrinkmeaning;SecondlyanalyzestheZigBeetechnologystandards,ZigBeenetworkdevicetype,ZigBeeprotocollayerisintroduced,includingthephysicallayer,mediaaccesscontrollayer,networklayerfortheapplicationlayer;Thenforwirelessstreetlampintelligentsystemoveralldesign,thesystemnetworktopologyandroutingprotocols,thissystemadoptsthemeshnetwork,Cluser-TreealgorithmandAODVjralgorithmcombinedwithroutingprotocols,andhascarriedonthesimulationanalysisonNS2platform,theresultsshowthattheredesignedperformanceisbetterthanthatoftheformertwointelligentstreetlampbytheagreement;ThendesignedbasedonCC2530ZigBeerfmodule,themattersofattentionintheschematicandPCBdesignisgiven;ThencarriesontheZigBeeprotocolStack,thesoftwaredevelopment,andfocusesontheZ-StackmodulesandoperationmechanismofprotocolStack,designofthestart-upprocessoftheZigBeemodule,andrealizedthefunctionoftheAPIinterfacedevelopment;Finallyweinaninshaanxiprovincetoinstallandtestsystem,installthecontroller93,oneofthestreetlightswirelessgateway,92wirelessstreetlampcontroller,theactualrunningresultsshowthatthesystemrunswellandhashighpromotionvalue.

Keywords:

zigbee,GSM,intelligentstreetlamp

目录

摘要2

Abstract3

目录4

第1章绪论6

1.1课题背景6

1.2什么是ZIGBEE无线传感网络7

1.3嵌入式系统的特点与应用8

第2章系统方案9

2.1基于体感器的智能机器人控制系统的基本要求9

2.2系统总体设计9

2.3系统的选定10

2.4机器人方案设计与论证10

2.5无线网络蓝牙4.0的选择12

2.6Kinect系统编辑语言的选择12

第3章系统功能与指标14

3.1系统功能描述14

3.2系统性能特点14

3.3系统功能指标14

第4章实现原理15

4.1Kinect的实现原理15

4.1.1Kinect的介绍15

4.1.2Kinect骨骼追踪数据的处理方法15

4.2蓝牙4.0核心芯片CC2540的实现原理17

4.3LPC1114主控实现原理18

4.4机器人驱动的实现原理19

第5章系统硬件框图21

5.1KinectforXBOX360的硬件系统21

5.2蓝牙4.0的硬件系统22

5.2.1蓝牙4.0的核心芯片CC254022

5.2.2CC2540核心模块的电路23

5.3.2CC2540核心模块的外围驱动电路24

5.3LPC1114的硬件系统24

5.4机器人的硬件系统25

5.4.1核心舵机控制板25

5.4.2电源模块26

5.4.3舵机模块27

5.4.4电源隔离模块27

第6章系统软件流程28

6.1Kinect的软件流程28

6.2蓝牙4.0的软件流程29

6.2.1CoordinatorEB-Pro节点的程序的软件流程29

6.2.2EndDeviceEB-Pro服务器的软件流程30

6.3LPC1114的软件流程30

第7章系统测试方案32

第8章测试设备33

第9章测试数据34

第10章实现功能37

第11章特色38

结论39

参考文献40

附录1：

作品程序代码（见文件夹代码）40

附录2：

作品原理图（见文件夹）40

第1章绪论

1.1课题背景

2008年，比尔·盖茨提出"自然用户界面"（NaturalUserInterface）的概念，并预测人机交互在未来几年内会有很大的改观，键盘和鼠标将会逐步被更为自然的触摸式、视觉型以及语音控制界面所代替。

与此同时，另外一种提法一一"有机用户界面"（OrganicUserInterface）也开始悄然兴起，其包括生物识到传感器、皮肤显示器，乃至大脑与计算机的直接对接，这些技术无疑都将给人类的生活带来重大影响。

随着计算机技术和传感器的普遍应用，现实世界也逐步出现其"数字版"的一面，而自然人机交互技术正是现实与虚拟世界之间的桥梁。

2011年3月9日，微软宣布Kinect自发售以来已经售出了1000多万部，销售额超过15亿美元。

成为了历史上销售速度最快的消费电子产品，并打破了由iPhone和iPad所保持的记录。

微软Kinect以“你就是主角”（Youarethecontroller）为口号，正在引领一场人机交互的变革。

其次随着二十一世纪社会经济和现代科技的迅速发展，人们对能够随时随地提供信息服务的无线通信的需求越来越迫切。

短距离无线通信技术成为无线通信技术领域的一个重要分支，在诸多无线数据传输中的应用已经越来越广泛。

蓝牙4.0是一种短距离、低速率、低功耗、低成本和低复杂度的双向无线通信技术，它工作于无需注册的2．4GHz国际免费频段ISM（IndustrialScientificMedicalBand）。

蓝牙4.0的传输速率为1Mbps—24Mbps，传输距离为200m，具有电池寿命长、应用简单、可靠性高及超低功耗等特点。

作为一种新兴的短距离无线通信技术，蓝牙4.0技术以其显著的特点和广阔的市场前景，已经得到了人们越来越多的关注，成为当前国内外无线技术研究的热点。

1.2什么Kinect

Kinect是Xbox360外接的3D体感摄影机，如图1-1所示。

它利用即时动态捕捉、影像识别、麦克风输入、语音识别等功能，使玩家摆脱了传统游戏手柄的束缚，使用自己的肢体来控制游戏。

而任天堂Wii、索尼PlayStationMove等同类产品，则需要玩家借助一个或多个设备才能完成体感和互动。

作为Xbox360的外设，Kinect不需要使用任何道具即可完成整个动作的识别和捕捉，它使用了由微软剑桥研究院研发的基于深度图像的人体骨骼追送算法，而深度图像则是由PrimeSense公司提供的RangeCamera技术产生的。

此外，Kinect使用的一个四元麦克阵列，可以识别3D立体语音。

Kinect的主要识别算法和软件部分都是由微软旗下的游戏工作室提供的。

国内外一些所谓的可见光或者红外识别公司，大多是从该工作室获取一些专利权，其产品跟微软的Kinect相比在精度上还有一定的差距。

1.3什么是蓝牙4.0无线传感网络

蓝牙4.0是2012年最新蓝牙版本，是3.0的升级版，较3.0版本更省电、成本低、3毫秒低延迟、超长有效连接距离、AES-128加密等。

它支持两种部署方式：

双模式和单模式。

双模式中，低功耗蓝牙功能集成在现有的经典蓝牙控制器中，或再在现有经典蓝牙技术（2.1+EDR/3.0+HS）芯片上增加低功耗堆栈，整体架构基本不变，因此成本增加有限。

蓝牙4.0是一款低功能耗产品，目前，iPhone5s、iPadAir等等都配备了蓝牙4.0，刚刚发布不久的安卓5.0也提供了蓝牙4.0的API接口。

可以预言，在不久的日子，蓝牙4.0将会大放异彩。

在无线领域，蓝牙4.0将成为一颗璀璨的新星，在医疗、生活、智能家居等领域中发挥举足轻重的作用。

蓝牙4.0最重要的特性是省电科技，极低的运行和待机功能消耗可以使一粒纽扣电池连续工作数年之久。

此外，低成本和跨厂商互操作性，3毫秒低延迟、100米以上超长距离、AES-128加密等诸多特色，可以用于计步器、心律监视器、智能仪器、传感器物联网等众多领域，大大扩展蓝牙技术的应用范围。

1.4嵌入式系统的特点与应用

嵌入式系统被定义为:

以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统,对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统，具有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点。

一个嵌入式系统就是一个硬件和软件的集合体,它包括硬件和软件两个部分。

几乎应用于所有的电器设备:

个人数字助理（PDA）、手机、机顶盒、汽车控制系统、航空航天等。

嵌入式系统通常是面向对象的,因此嵌入式CPU与通用CPU的最大不同就是嵌入式CPU工作在为特定的用户群设计的系统中。

第2章系统方案

2.1基于体感器的智能机器人控制系统的基本要求

本方案的目标是设计一款基于体感器的智能机器人控制，利用体感技术识别出人体的各个关节点，如头，肩，手腕，手等重要的关节点。

然后根据人体离体感器的距离来控制机器人的运动。

利用左手和右手的手势来控制机器人的方向。

最后通过串口和无线网络蓝牙4.0将控制信号传送到智能机器人上。

实现其相应的转向、挥手等动作。

2.2系统总体设计

系统的总体设计如图2-2

1）上位机模块：

主要是通过Xbox360体感器采集人体的肢体语言，如左手和右手的挥动以及人体与Xbox360体感器之间的深度距离。

然后将信息传送给计算机通过Kinect程序进行处理，将各种肢体语言识别为相应的数字信号并由串口发送到蓝牙4.0协调器模块。

2）无线传输模块：

主要是通过蓝牙4.0的主控芯片CC2540接收来自串口的信息，由蓝牙4.0客户端将信息经过处理后无线发送给蓝牙4.0服务器。

3）智能机器人模块：

主要是通过LPC1114单片机作为核心的控制模块，TFT触摸屏作为人机交互界面，舵机控制板模块驱动舵机，以及电源和机器人硬件等设备来实现机器人的体感智能控制。

2.3系统的选定

考虑到整个系统的复杂性，以及涉及的知识面过于宽泛，作品的实现会在最大程度上降低自身的难度，主要是通过对系统资源的整合和充分利用。

在上位机的Kinect应用上，我们通过对《KINECT人机交互开发实践》第五章的内容进行的整合和处理做出了Kinect的程序应用，在蓝牙4.0模块上我们利用了TIBLE-CC254x-1.3.2协议栈内的应用程序进行的无线组网与通讯。

最后的机器人模块我们则利用各种现有的硬件模块进行搭建。

在利用自身的知识对LPC1114进行编程，实现各模块的具体功能使其可以实现正常的工作。

2.4机器人方案设计与论证

1）机器人的支架设计

方案1：

自己组装机器人：

组装合适的舵机及舵机控制板，并利用开发板做控制驱动机器人。

但自己组装的机器人，机器人外观，机器人重量、平衡，机器人的电路设计，这些都比较难以良好地实现。

方案2：

购买专用机器人散件：

用舵机控制板控制机器人运动。

各种所需电路的安装十分方便，看起来也比较美观。

综合考虑，本设计采用了方案2

2）机器人舵机控制板的选定

方案1：

采用单片机自带的PWM功能：

LPC1114单片机只可以产生8路PWM波，而用定时器模拟产生得到的PWM稳定性能差，驱动舵机的能力差，并且还增加了单片机的负担，不利于单片机的稳定运行，而且舵机旋转的速度不好控制。

方案2：

采用32路舵机控制板作为舵机的驱动：

采用32位ARM内核芯片,只许串口通信便可达到舵机的精准控制。

具有1us的控制精度（相当于舵机的0.09度），可同时同步控制多达32路舵机。

内置512KFlash存储芯片，可存储上百个动作组。

拥有强大上位机调试软件，便于精确调试舵机的旋转角度。

综合考虑，本设计采用了方案2

与其它调速系统相比，PWM调速系统有下列优点：

1.PWM从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。

2.对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点

3．由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。

4．主电路简单，所用功率元件少。

5．低速性能好，稳定精度高，调速范围宽。

3）机器人舵机模块的选择

方案1：

使用模拟舵机MG996R：

MG996R舵机控制方法红：

+5v，棕：

GND，黄：

信号。

基于单片机的舵机控制方法具有简单、精度高、成本低、体积小的特点，并可根据不同的舵机数量加以灵活应用。

在机器人机电控制系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。

对于脉宽调制信号的脉宽变换，采用调制信号获取有源滤波后的直流电压，但是需要50Hz（周期是20ms）的信号，这对运放器件的选择有较高要求，PWM脉冲稍不精确时舵机就会抖动。

方案2：

采用数字舵机LD-2015：

具有扭矩大、速度快、噪声低、虚位和死区都特别小，适合用来作为对机器人的控制。

扭力大，速度快，噪音低，虚位和死区都特别小，特别适合做中高端机器人！

只需发送一个信号就能锁定角度不变，而模拟舵机它需要不断地发送PWM信号才能锁住角度不变。

因为数字舵机的根本在于增加了微控制器，当外围电路不能处理掉的过量电动势时，完全可以通过程序的编程，减少脉宽宽度来处理掉，加上MCU本身接收信号和发出信号的PWM频率都是可以调整的，所以数码舵机能够以更高的频率来驱动电机，可编程的特点也使得数码舵机在处理抖动，和越位来得更方便和精准，数码舵机的加/减速更柔和，更平滑，同时更有效的为电机提供启动所需的转矩。

根据以上分析我们采用方案2。

4）电源模块的选定

在本系统中，为了使功率电源和芯片电源隔离以避免系统的相互干扰，需要用到的电源有单片机1pc1114的两节3.7V干电池串联，内部可以稳定为3.3V。

蓝牙用一节3.7V干电池，内部可以稳定为3.3V，所以需要对电源的提供必须具有较高的稳定性。

方案1：

采用5节1.2V可充电干电池串联提供的电源方案为舵机控制板跟舵机供电，采用LM1117稳压芯片稳压后为单片机提供电源。

优点：

价格便宜。

方案2：

采用7.2V2300MAH大容量镍氢充电电池来驱动舵机并给舵机控制板供电，其次用两节3.7V干电池通过MiniUSB接口利用单片机内置稳压电源模块对单片机系统进行供电。

优点：

电路稳定，给出电压稳定。

基于系统的稳定性考虑，我们选择了方案2

2.5无线网络蓝牙4.0的选择

CC2540集成单片机、ADC、无线通信模块于一体。

CC2540支持最新的蓝牙4.0协议——蓝牙4.0Bluetooth-Core_V4.0。

相对于CC2430来说互操作性、节点密度管理、数据负荷管理、频率捷变等方面性能更优，价格更便宜：

由于早已停产CC2430造成目前市场上的该类产品均为库存，每片CC2430有二十多元，而每片CC2540的价格大概在二十元左右，物美价廉成了我们选择CC2540的重要原因。

表格1：

CC2540较CC2430性能参数优点对比:

项目

CC2430

CC2540

备注

引脚

48

40

引脚少，操作简单

大小

7mmx7mm

6mmx6mm