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1、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Intelligent robot control based on body sensing technology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

2、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

3、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，

4、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 AbstractWith the constant improvement of the level of urbanization in our country, the expanding of city street lamp lighting sy

5、stem, but due to bad weather conditions, the influence of frequent power outages, such problems as insufficient supply, at the same time, managing electric energy, improve the distribution of street lamp controller, is already a city street lamp lighting system urgently needs to solve the problem. S

6、treet lamps in the great cities of the current energy efficiency generally is not high, high street light electricity, increase the economic burden of the management unit of drink, there is a low degree of intelligence and traditional street light control, communication of stability, poor management

7、 control, convenient, road illumination distribution inequality problem.This topic design of wireless intelligent street lamp system, USES the ZigBee wireless self-organizing network technology, can realize energy-saving control system of intelligent street lamp, informationization, and has the adva

8、ntages of high reliability and low cost. This system consists of three parts: the upper machine system management software, wireless street lamp gateway and wireless street lamp controller. Wireless street lamp gateway as the ZigBee network coordinator, can be placed in the monitoring room, on the o

9、ne hand, is responsible for the establishment of the ZigBee network configuration, drink with computer by Ethernet connection on the other hand, real-time feedback control network status and receive the upper machine instructions. Wireless street lamp controller as ZigBee network routers, placed ins

10、ide the light pole, for lighting circuit parameters such as voltage, current, power monitoring, and control of street lamp intelligent open and closed. In the ZigBee network, its function is to allow other devices to join the network and multiple hops routing maintenance.Paper first introduces the r

11、esearch background, research status and purpose drink meaning; Secondly analyzes the ZigBee technology standards, ZigBee network device type, ZigBee protocol layer is introduced, including the physical layer, media access control layer, network layer for the application layer; Then for wireless stre

12、et lamp intelligent system overall design, the system network topology and routing protocols, this system adopts the mesh network, Cluser - Tree algorithm and AODVjr algorithm combined with routing protocols, and has carried on the simulation analysis on NS2 platform, the results show that the redes

13、igned performance is better than that of the former two intelligent street lamp by the agreement; Then designed based on CC2530 ZigBee rf module, the matters of attention in the schematic and PCB design is given; Then carries on the ZigBee protocol Stack, the software development, and focuses on the

14、 Z - Stack modules and operation mechanism of protocol Stack, design of the start-up process of the ZigBee module, and realized the function of the API interface development; Finally weinan in shaanxi province to install and test system, install the controller 93, one of the streetlights wireless ga

15、teway, 92 wireless street lamp controller, the actual running results show that the system runs well and has high promotion value.Keywords: zigbee, GSM, intelligent street lamp目 录摘 要 2Abstract 3目录 4第1章 绪论 61.1 课题背景 61.2 什么是ZIGBEE无线传感网络 71.3 嵌入式系统的特点与应用 8第2章 系统方案 92.1基于体感器的智能机器人控制系统的基本要求 92.2 系统总体设计

16、92.3系统的选定 102.4机器人方案设计与论证 102.5 无线网络蓝牙4.0的选择 122.6 Kinect系统编辑语言的选择 12第3章 系统功能与指标 143.1 系统功能描述 143.2 系统性能特点 143.3 系统功能指标 14第4章 实现原理 154.1 Kinect的实现原理 154.1.1Kinect 的介绍 154.1.2Kinect 骨骼追踪数据的处理方法 154.2 蓝牙4.0 核心芯片CC2540的实现原理 174.3 LPC1114主控实现原理 184.4 机器人驱动的实现原理 19第5章 系统硬件框图 215.1 Kinect for XBOX360的硬件系统

17、 215.2 蓝牙4.0的硬件系统 225.2.1 蓝牙4.0 的核心芯片CC2540 225.2.2 CC2540核心模块的电路 235.3.2 CC2540核心模块的外围驱动电路 245.3 LPC1114的硬件系统 245.4机器人的硬件系统 255.4.1核心舵机控制板 255.4.2电源模块 265.4.3舵机模块 275.4.4电源隔离模块 27第6章 系统软件流程 286.1 Kinect的软件流程 286.2 蓝牙4.0的软件流程 296.2.1 CoordinatorEB-Pro节点的程序的软件流程 296.2.2 EndDeviceEB-Pro服务器的软件流程 306.3

18、LPC1114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 (Natural User Interface) 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 (Organic User Interface) 也开始悄然兴起，其包括生物

19、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”( You are the controller )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

20、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24GHz国际免费频段ISM(Industrial Scientific Medical Band)。蓝牙4.0的传输速率为1Mbps24Mbps，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KinectK

21、inect是Xbox 360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Play Station Move 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Prime Sense 公司提供的Range Camera 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。

22、 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

23、，目前，iPhone 5s、iPad Air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

24、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，

25、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2-21) 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

26、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TI BLE-CC254x-1.3.2协议栈内的应用程序进行的无线组网与通

27、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22) 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P

28、WM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512K Flash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

29、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

30、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

31、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7.2V 2300MAH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Mi

32、niUSB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22.5 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CC2430CC2540备注引脚4840引脚少，操作简单大小7mmx7mm6mmx6mm