基于zigbee的灯光控制系统本科毕业设计(论文).docx

本科毕业设计(论文）智能灯光控制系统学院名称专业名称学生姓名学号指导教师iv西南科技大学本科生毕业论文智能灯光控制系统摘要：近年来，物联网成为全球关注的热点领域，作为物联网中的一种重要应用，智能家居的概念也逐步被大家接受，智能家居涉及的内容包括家庭安防、家电控制、开关照明控制、信息服务等，其中开关照明控制系统主要是通过远程遥控的方式对设备进行开关控制。本系统构建了一套基于物联网技术的智能家居控制系统平台，并就此智能家居系统平台以上位机对家庭中的电灯进行控制实验。本设计运用vb、服务器(pc机)、zigbee射频通信协议、可控硅控制电路等技术，实现了以上位机为控制端，以zigbee无线网络为传输桥梁，以cc2530板作为家庭控制中心。本系统通过串口将上位机与zigbee网络中的协调器连接起来，上位机采集用户操作信息，并通过串口将数据发送到协调器，协调器收到数据后通过无线发送方式将数据发送到终端节点，并根据数据控制电灯电路。本系统基本实现了远程控制家用电器工作状态，并提供了人性化界面操作，具有较强的实用性和可靠性。关键字：物联网; 智能家居; zigbeeintelligent lighting control systemabstract: in 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 control switch, information services, 1, lighting control system which is mainly on the switching equipment switch is controlled by the remote control mode.the system construction of the intelligent home furnishing control system platform based on internet of things technology, and intelligent 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 network 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 coordinator receives data through wireless transmission mode to send data to the terminal node, and according to the data control electric circuit. this system realizes the working state of remote control of household appliances, and provides a user-friendly interface, has strong practicality and reliability key word：internet of things, intelligent home furnishing, zigbee目 录第1章 绪论11.1课题背景与意义11.1.1智能家居发展与现状11.1.2物联网发展趋势21.1.3智能家居和物联网的关系31.2项目需求分析41.2.1社会效应需求分析41.2.2 系统硬件需求分析41.2.3 系统软件需求分析41.3设计主要工作5第2章 系统总体设计方案62.1系统总体设计62.2系统各部分关键技术72.2.1上位机72.2.2 zigbee无线网络72.2.3可控硅电路13第3章 系统硬件电路设计与实现153.1 核心功能模块153.2 串口通信接口163.3 供电电源电路173.4 电路控制模块18第4章 系统软件设计与实现194.1 zigbee网络软件设计194.2协调器软件设计194.3家庭控制中心节点程序设计214.4上位机设计234.4.1界面设计234.4.2模块功能的实现244.4.3程序设计24第5章 系统运行测试265.1 上位机测试265.2 zigbee网络测试265.3 系统整体测试27结 论28致 谢29参考文献30第1章 绪论1.1课题背景与意义1.1.1智能家居发展与现状智能家居的发展起源于20世纪80年代，将电子技术、网络通信技术用于对各种家电设备的监视、控制和管理，它的商用系统就是如今智能家居的原型。第一幢拥有智能家居系统的建筑诞生于美国，它利用计算机技术、综合布线技术将整幢楼的照明、空调、电梯等设备进行统一的监控和管理。不就之后，北美、欧洲、澳洲以及东南亚等地区的发达国家也相距提出了自己的只能家居方案1。经过近30年的发展，国外的只能家居系统相对比较成熟，也有了自己稳定的客户群。占领市场份额较大的有霍尼韦尔（honeywell）、control4、快思聪(crestron)等知名公司，都成功的推出过自己的智能家居系统案例。霍尼韦尔的智能家居产品比较齐全，它以智能家居中央控制系统为核心，结合智能灯光系统、空调与地暖控制系统、安全防盗报警系统等为用户提供一个安全、舒适、便捷的家居环境。霍尼韦尔采用多种组网方式相结合的方式，取长补短，大大提高了智能家居系统的灵活性与稳定性。在 2010 年的拉斯维加斯国际消费电子展会上，control4 公布了针对黑莓和 android 的新的导航系统。control4 一直比较注重移动平台的应用开发，源源不断地为市场提供易于操作的应用程序。九十年代后期智能家居的概念开始在国内出现，并逐渐被人们所接受。经过十多年的发展，出现了一大批从事智能家居的企业。从整体上看整个国内智能家居行业结构比较复杂，有从安防类、传统家电类和网络通信类发展而来的主流厂家，也有专业从事智能家居的后起之秀。如英诺维科技设备有限的感应式（rf/m1/id）智能门锁，它采用无线 rf 感应技术，并根据需要设置多级权限，实现酒店、办公大楼等安全出入的统一管理；天敏科技公司的 dvr4000hs 四路嵌入式硬盘录像机，采用了嵌入式处理器和嵌入式操作系统，结合视音频压缩/解压缩、大容量硬盘记录、tcp/ip 网络等技术，即可以单独工作，也可以与外网连接组成一个覆盖面更大的监控网络，非常适合金融、司法、家居、医疗等领域的安全防范；天津朗瑞智能家居系统采用 x10 电力载波通信技术，安装简单，操作方便，采用中央控制系统将家居的照明系统、空调地热系统、安防系统等结合在一起提供一个更加舒适、安全、便捷和节能家居环境1。总的说来，目前智能家居处于蓬勃发展期，多样化的产品满足了人们的大部分需求，提高了人们的生活品质，但是还存在一些不足，罗列如下：(1) 缺乏统一的标准。因为现在国内外关于智能家居内部网络通信没有形成统一的标准，这导致了各个商家产品之间很大的兼容性问题，减少了用户的选择余地，也给以后的升级换代留下了隐患。(2) 价格昂贵。前期的开发必须注入大量的资金，而且各种通信协议和软件的实现必须有相应的硬件来支持，以及系统的安装维护等等使智能家居系统的产品居高不下，很多时候成了普通大众眼中的奢侈品。(3) 操作复杂。智能家居是以住宅为平台的系统，其复杂程度远远超过了现在家庭中的单件设备。要对整个系统进行有效地日常操作、维护和必要的设置和修改，如果没有人性化的操作界面和专业知识，多数用户会觉得无从下手。2013-2017年中国智能家居行业分析与前景预测报告介绍智能家居产业相关概述、国内外智能家居产业整体运行态势等，智能家居集成市场发展状况，智能家居集成市场规模及预测、物联网与智能家居集成应用发展。可以肯定的是未来中国的智能家居行业必将高速发展，大约有一半的人家讲享受到智能化的生活，人们的生活质量将会进一步提高3。1.1.2物联网发展趋势物联网又名传感网,英文名称叫“the internet of things ”,是指将各种信息传感设备与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，可使所有的物品与网络连接，方便识别和管理。物联网具有全面感知、可靠传递、智能处理的特点，是继计算机、互联网、移动通信网之后的又一次信息产业浪潮2。物联网是mit-id中心ashton教授1999年在研究rfid时最早提出来的。在2005年国际电信联盟（itu）发布的同名报告中，物联网的定义和范围已经发生了变化，覆盖范围有了较大的拓展，不再只是指基于rfid技术的物联网。中国移动总裁王建宙多次提及，物联网将会成为中国移动未来的发展重点。在中国通信业发展高层论坛上，王建宙表示：物联网商机无限，中国移动将以开发的姿态与各方竭诚合作。国家中长期科学与技术发展规划（2006-2020年）和“新一代宽带移动无线通信网”重大专项中均将物联网列入重点研究领悟。2013年2月17日，中国政府网公布国务院关于推进物联网有序健康发展的指导意见中提到到2015年的近期发展目标：“在工业、农业、节能环保、商贸流通、交通能源、公共安全、社会事业、城市管理、安全生产、国防建设等领域实现物联网试点示范应用，突出一批核心技术，初步形成物联网产业体系。”根据对物联网的3个关键细分领域传感器、rfid、m2m的市场发展数据预测，以传感感知层对整体物联网产业的带动系数5倍计算，中国物联网产业的总体规模预计到2015年将超过一万亿，2020年将超过5万亿3。1.1.3智能家居和物联网的关系智能家居是在物联网的影响之下物联化体现。智能家居通过物联网技术将家庭中的各种设备（如音视频设备、照明系统、窗帘控制、空调控制、安防系统、数字影院系统、网络家电以及三表抄送等）连接到一起，提供家电控制、照明控制、窗帘控制、电话远程控制、室内外遥控、防盗报警、环境监测、暖通控制、红外转发以及可编程定时控制等多种功能和手段。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境，提供全方位的信息交互功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。智能家居集成是利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设备集成。由于智能家居采用的技术标准与协议的不同，大多数智能家居系统都采用综合布线方式，但少数系统可能并不采用综合布线技术，如电力载波，不论哪一种情况，都一定有对应的网络通信技术来完成所需的信号传输任务，因此网络通信技术是智能家居集成中关键的技术之一。安全防范技术是智能家居系统中必不可少的技术，在小区及户内可视对讲、家庭监控、家庭防盗报警、与家庭有关的小区一卡通等领域都有广泛应用。自动控制技术是智能家居系统中必不可少的技术，广泛应用在智能家居控制中心、家居设备自动控制模块中，对于家庭能源的科学管理、家庭设备的日程管理都有十分重要的作用。音视频技术是实现家庭环境舒适性、艺术性的重要技术，体现在音视频集中分配、背景音乐、家庭影院等方面。其中网络通信是智能家居最重要的一个模块，网络通信的快速发展才产生了智能家居。智能家居作为一个新生产业，目前处于一个导入期与成长期的临界点，市场消费观念还未形成，但随着智能家居市场推广普及的进一步落实，培育起消费者的使用习惯，智能家居市场的消费潜力必然是巨大的，产业前景光明。正因为如此，国内优秀的智能家居生产企业愈来愈重视对行业市场的研究，特别是对企业发展环境和客户需求趋势变化的深入研究，一大批国内优秀的智能家居品牌迅速崛起，逐渐成为智能家居产业中的翘楚!智能家居至今在中国已经历了近12年的发展，从人们初最初的梦想，到今天真实的走进我们的生活，经历了一个艰难的过程。1.2项目需求分析本设计的智能灯光控制系统的设计与实现，是以cc2530开发板为协调器和家庭控制中心节点，将单片机、串口通信和计算机技术相结合的软硬件监控系统，cc2530是用于2.4-ghz ieee 802.15.4、zigbee 和rf4ce 应用的一个真正的片上系统（soc）解决方案。本设计结合通信、计算机相关软硬件，从而实现远程监控家用电器工作状态。1.2.1社会效应需求分析在传统生活中，当家庭成员外出后，对家庭的各种电器的工作状态无法了解更谈不上控制了，而往往会造成不可预料的后果，据报道某户人家在用电磁炉烧水因为外出无人监管最后造成了房间起火使得家中东西全被烧尽。随着科技的不断进步，智能家居系统的出现悄悄的改变着人们的生活方式，智能家居系统为人们提供一个舒适、安全、方便和高效的生活环境。对智能家居产品来说，最重要的是以实用为核心，摒弃掉那些华而不实，只能充作摆设的功能，产品以实用性、易用性和人性化为主5。 1.2.2 系统硬件需求分析智能灯光控制系统的设计与实现，其硬件系统包括计算机串口通信的接口电路、协调器节点、家庭控制中心节点、可控硅电路。经过研究系统对硬件的需求分析主要包括以下几个方面：(1)cpu要具备较快的处理速度，并且对信号进行转换、处理。(2)硬件芯片要选择体积比较小，并方便移动，能较好的与家用电器进行连接。(3)功耗尽量小，可以降低成本，保证系统的持久性，也可以节约资源，使性能更加稳定。以上硬件需求分析，是为了能够提高整个系统的性能指标，保障系统的稳定性和可靠性。 1.2.3 系统软件需求分析系统的软件设计与硬件设计相联系，软件系统主要包括：上位机显示界面程序设计，协调器节点程序设计，家庭控制中心节点程序设计。系统软件开发应具备以下功能：(1)系统能保证实时的对家庭电器工作情况进行采集和反馈。(2)针对pc机、协调器节点和家庭控制中心节点设计不同的通信方式，软件的设计要与芯片的硬件参数相匹配。(3)上位机软件要简洁明了，方便操作，适合普通人群。1.3设计主要工作本设计针对当前智能家居控制系统的不足，发挥当前发展迅速的短距离无线技术标准的优势，提出一种以zigbee无线技术为网络通信协议，智能家居控制系统与照明系统相结合的设计方案实现了远程控制目的4。上位机的设计对于计算机专业人员可以通过输入命令控制电灯，如何才能让操作变得简单并适合普通人群使用？本设计采用vb语言在vc6.0环境下设计上位机，上位机则是可以让人们通过熟悉的图像界面对家用电器的运行情况有真实的了解，并且通过简单的按键操作进行远程控制，适合广大人群的需求。这对于智能家居的推广和普及有着重要意义。构建zigbee网络数据的有效传输是本设计成功的重要保证，现在的智能家居产品多数采用有线形式组建其控制网络与之相对应的技术有： x-10, rs485, rs232，canbus, cebus, lonworks和 tcp/ip 等，这些方式有着明显的缺点：布线复杂，系统安装、维护成本较高；系统扩展性差，设备的移动、增加和减少都需要重新布线，而zigbee恰好能客服这些因素，因此本设计采用了zigbee构建传输模块，本设计中zigbee网络中有一个协调器，一个家庭中心节点，协调器负责与上位机进行串口通信，并将数据发送到家庭控制中心，家庭控制中心控制电灯照明模块。设计电路控制系统芯片只能传输出低电压，如何用低电压控制220v的电压，本设计采用了可控硅设计电路，当终端接收到命令后通过家庭中心节点对cc2450的p1.0口的电平变化实现对电路的闭合和断开，从而实现了对电灯亮灭控制。第2章 系统总体设计方案2.1系统总体设计智能家居控制系统(smarthome control systems,简称scs)，是以住宅为平台，家居电器及家电设备为主要控制对象，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施进行高效集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的控制管理系统，提升家居智能、安全、便利、舒适，并实现环保节能的综合智能家居网络控制系统平台。智能家居控制系统是智能家居核心，是智能家居控制功能实现的基础。智能家居通过使用多种终端，以互联网为通信中转中心，没有通信距离，家庭和家居数量的限制，能让人们随时随地的了解自己家居状况并远程控制，提高人们的生活水平和质量。用户在自己的终端上发送相应的控制命令，家居控制中心收到命令后就可根据命令做出相应的操作，本设计中实现电灯的亮灭控制,系统设计如图2-1所示6。图 2-1 系统总体设计整个设计分为三个部分：上位机控制端6，zigbee无线网络和终端电路控制。这三个部分分别对应于vc6.0环境下的控制台设计，基于无线传感技术的网络设计，moc3061系列光电双向可控硅驱动器。最终实现上位机控制家居（以控制电灯为例）。2.2系统各部分关键技术2.2.1上位机上位机是指可以直接发出操控命令的计算机，一般是pc，屏幕上显示各种信号变化（液压，水位，温度等）。下位机是直接控制设备获取设备状况的计算机，一般是plc/单片机之类的。上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。下位机不时读取设备状态数据（一般为模拟量），转换成数字信号反馈给上位机。简言之如此，实际情况千差万别，但万变不离其宗：上下位机都需要编程，都有专门的开发系统。通常上位机和下位机通讯可以采用不同的通讯协议可以有rs232的串口通讯或者采用rs485串行通讯当用计算机和plc通讯的时候不但可以采用传统的d形式的串行通讯还可以采用更适合工业控制的双线的profibus-dp通讯采用封装好的程序开发工具就可以实现plc和上位机的通讯，当然可以自己编写驱动类的接口协议控制上位机和下位机的通讯。本设计使用了vc6.0的mscomm通信控件实现串行接口发送数据7。数据收发部分和显示部分(1)上位机在系统中的位置：处于网络层中，与嵌入式网关通过网线相连。实际应用时是放置在实验室的工作台上，供监控者使用。(2)上位机的功能：此软件实时监视电灯的工作状况，并且可以控制电灯的亮灭。(3)上位机的设计实现：此软件主要有两部分组成，数据发送部分和显示部分。数据发送指的是将数据发送到协调器。两者是通过usb接口连接的，它在和上位机通信中是作为服务器的，而上位机就是作为连接发起方。2.2.2 zigbee无线网络蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信息，这种肢体语言就是zigzag行舞蹈，是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。借此意义zigbee作为新一代无线通讯技术的命名。在此之前zigbee也被称为“homerf lite”、“rf- easylink”或“firefly”无线电技术，目前统称为zigbee8。简单的说，zigbee是一种高可靠的无线数传网络，类似于cdma和gsm网络。zigbee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个zigbee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。可工作在2.4ghz(全球流行)、868mhz(欧洲流行)和915 mhz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加11。zigbee特点(1) 低功耗: 由于zigbee的传输速率低,发射功率仅为1mw,而且采用了休眠模式，功耗低,因此zigbee设备非常省电。据估算，zigbee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。(2) 成本低：zigbee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.52.5美元, 并且zigbee协议是免专利费的。低成本对于zigbee也是一个关键的因素。(3) 时延短: 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。因此zigbee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。(4) 网络容量大：一个星型结构的zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个zigbee网络, 而且网络组成灵活。(5) 可靠: 采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。mac层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。(6) 安全：zigbee提供了基于循环冗余校验(crc)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证，采用了aes-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性9。zigbee协议栈本设计采用的是zigbee-pro/2007 协议规范10，其协议栈架构如图2-3所示图2-3 zigbee体系结构协议栈中的每一层都对上层协议一无所知。可以把上层协议看成下层协议的上司，下层协议在上层协议的命令下展开工作。在下层的基础上，上层可以变得越来越复杂。zigbee没有严格地遵行 osi 七层协议模型，但有些是一样的，包括物理层（phy）、mac 层和网络层（nwk）。其他 4-7 层（传输层、会话层、描述层和应用层）包括在了zigbee协议栈模型的 aps 层和 zdo 层。在层与层之间都有服务接入点（sap）。sap 提供了应用程序接口（api），从而使得上下层能独立工作。和 ieee 802.15.4 规范一样，zigbee协议栈的每一层都有两个服务接入点，分别用于数据和管理7。例如，所有的进出网络层数据都是通过网络层数据实体服务接入点（nlde-sap）。物理层phy物理层处于zigbee协议栈的最底层，由 ieee 802.15.4 规范定义。ieee 802.15.4 规范定义了三种物理层基带模式，分别工作在 868 mhz、915 mhz 和2.4 ghz 频段，但zigbee协议栈只采用了 2.4 ghz 这一频段一共有 16 个信道，编号“11”到“26”。其中心频率由公式（2-1）计算得出：fc = 2045+5(k-11)mh k= 12,13,26 (2-1)这不仅是因为工作在 2.4 ghz 频段提供了更高的速率（2.4 ghz 为 250kps,868mhz 为 20kps, 915mhz 为 40kps），而且 2.4 ghz 频段在全球范围内通用。物理层提供两种服务：物理层数据服务和物理层管理服务。物理层通过某一物理信道提供物理层协议数据包（phy protocol data unit ，ppdu）的收发数据服务；物理层管理实体通过 plme-sap（物理层管理实体服务接入点）向上层提供管理服务。物理层管理实体同时也维护物理层个域网络信息库（phy paninformation base ,phy-pib）。物理层的结构模型如图 2-4 所示。图2-4 物理层结构模块物理层的主要功能是实现两个物理无线设备之间的数据收发。zigbee协议栈采用一问一答的形式来实现物理帧的空间传送。此外还包括对信道能量水平的检测、空闲信道评估和数据信号质量测量等。mac层mac 层是媒体控制接入层的简称，顾名思义该层主要功能是管理设备的通信资源，使之在网络中和一个或者多个设备正常通信。zigbee协议栈的 mac 层由 ieee 802.15.4 定义，提供了信道接入、本地网络建立维护和同步、安全、可靠通信等功能。网络中的每个设备都必须有一个地址，在 mac 层 mac 地址是通信设备的标识。 mac 层规定两种地址，既短地址和扩展地址。短地址是设备加入 pan网络时，协调器临时分配的一个地址，长度为 16 个比特。而扩展地址一般是出厂时就已经固化的长期地址，长度为 64 个比特。在通信中，如果使用扩展地址可以唯一区分不同的设备，但相对最大净荷只有 127 字节的物理层帧来说开销比较大。短地址的引出就是为了节省开销，但引入了地址冲突的可能。目前,ieee802.15.4 中 mac 层并没有规定短地址冲突检测和解决的方法，而zigbee协议网络层中规定了解决此问题的机制。mac 层数据需经物理层封装后才能发送出去，接收设备再经过解封装从新得到 mac 数据。mac 层帧包括帧头、净荷和帧校验序列（fcs），具体结构如下表：表2-1 mac数据结构2（字节）10/20/2/80/20/2/80/5/6/10/14可变2帧控制序列号目的pan标识符目的地址源pan标识符源地址安装认证头净荷帧校验地址域mac帧头mac负载mac帧尾mac 提供了两种服务：mac 层数据服务和 mac 层管理服务。网络层数据实体（nwk layer data entity， nlde）通过 mac 层通用部分支持子层服务接入点(mac common part sublayer sap， mcps-sap）提供数据服务。mac 管理服务则是通过mac层管理实体服务接入点(mlme-sap)提供服务。具体mac结构模型如图 2-5 所示。图2-5 mac层结构模型网络层 nwk由zigbee协议栈架构可知，网络层是zigbee联盟定义的协议层。在逻辑上网络层内部分为网络层数据实体（nlde）和网络管理实体（nlme）两部分，如图 2-6 所示。对上，网络层数据实体通过访问服务接口 nlde-sap 为上层（一般是应用层）提供数据服务；数据管理实体通过访问服务接口 nlme-sap 为上层提供网络层的管理服务。对下，网络层数据实体通过 mac 层通用支持子层访问服务接口获得数据服务；数据管理层通过 mac 层管理实体访问服务接口获得管理服务。图2-6 网络层结构在设备启动时，网络层会针对不同的设备类型初始化设备：如果是协调器，则应该具备初始化并建立一个新的网络的能力，包括支持其他设备的加入、离开，以及为其他设备分配地址等功能；如果是路由器应具备发现、报告和记录相邻设备信息的能力；如果是终端设备则应具备最基本的数据接收和发送功能。应用层应用层是整个zigbee协议栈的最高一层。zigbee应用层由三个部分组成，如图 2-7所示：应用支持子层（aps）、zigbee设备对象（zdo）和应用框架。图2-7应用层结构框图应用支持子层（aps）在网络层（nwk）和应用层之间提供了一个接口。跟低层协议相似，应用支持子层支持两种服务：数据和管理。应用支持子层数据实体（apsde）通过 apsde 访问服务接口（sap）提供数据服务；应用支持子层管理实体（apsme）通过 apsme-sap 体现管理能力。在zigbee设备中应用层框架是应用对象的支撑，同时也管理着协议层。所有应用对象都是供应商开发的，这也为用户提供了应用的多样化。在一个设备中最多可以嵌入多达 240 个应用对象。在对等之间应用对象之间通过 apsde-sap 发送和接收数据（如图 2-5）。每一个应用都有一个唯一的端点地址（端点 1 至端点 240）。端点地址 0 为 zdo 保留。如果要广播一个消息至所有应用对象，那么它的端点地址必须设置为 255。端点编址允许多个设备共享一个无线电收发器。例如在智能家居照明系统中多个灯连接在一个无线电收发器上，每个灯都被分配了一个唯一的端点地址，都能被独立地开启和关闭。zdo 提供了一个在应用支持子层和应用框架层之间的服务接口26。它包括了zigbee协议栈中所有应用的通用函数。例如把一个设备配置成协调器、路由器还是终端设备是 zdo 其中的一个功能。zdo 利用原语履行它的职责，通过管理接口 apsme-sap 获得 aps 的管理实体，应用框架层通过 zdo 公共接口和zdo 联系在一起。zigbee新一代soc芯片cc2530是真正的片上系统解决方案，支持ieee 802.15.4 标准。拥有庞大的快闪记忆体多达256个字节，cc2530是理想的zigbee专业应用芯片。cc2530结合了一个完全集成的，高性能的rf收发器与一个8051微处理器，8 kb的ram，32/64/128/256 kb闪存，以及其他强大的支持功能和外设10。cc2530还可以配备ti的一个标准兼容或专有的网络协议栈（remoti，z-stack，或simpliciti）来简化开发，使开发变得更加容易，因此本系统选择cc2530作为主控制器11。2.2.3可控硅电路在电灯控制电路中选用的是可控硅，可控硅是可控硅整流元件的简称，是一种具有三个pn 结的四层结构的大功率半导体器件，亦称为晶闸管。具有体积小、结构相对简单、功能强等特点，是比较常用的半导体器件之一8。可控硅能以毫安级电流控制大功率的机电设备，如果超过此频率，因元件开关损耗显著增加，允许通过的平均电流相降低，此时，标称电流应降级使用.可控硅的优点很多，例如：以小功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍；反应极快，在微秒级内开通、关断；无触点运行，无火花、无噪音；效率高，成本低等等.可控硅工作原理：它是由三个pn结四层结构硅芯片和三个电极组成的半导体器件。可控硅的三个电极分别叫阳极(a)、阴极(k)和控制极(g)。当器件的阳极接负电位(相对阴极而言)时，从符号图上可以看出pn结处于反向，具有类似二极管的反向特性。当器件的阳极上加正电位时(若控制极不接任何电压)，在一定的电压范围内，器件仍处于阻抗很高的关闭状态。但当正电压大于某个电压(称为转折电压)时，器件迅速转变到低阻通导状态。加在可控硅阳极和阴极间的电压低于转折电压时，器件处于关闭状态。此时如果在控制极上加有适当大小的正电压(对阴极)，则可控硅可迅速被激发而变为导通状态。可控硅一旦导通，控制极便失去其控制作用。就是说，导通后撤去栅极电压可控硅仍导通，只有使器件中的电流减到低于某个数值或阴极与阳极之间电压减小到零或负值时，器件才可恢复到关闭状态12。第3章 系统硬件电路设计与实现在本系统中最小的单位是一个个独立的终端节点，它除了具有2.4ghz无线收发功能外还必须具有一定的运算能力和存储能力。考虑到每个终端节点的成本、功能的复杂程度以及设计的难度，本系统选择了ti公司最新的cc2530作为本设计的主芯片。只要极少数的外围元器件就能完成一个典型的应用设计，由此降低了整个无线网络的成本。如图3-1就是本文节点硬件的总设计方案。图3-1 总设计方案3.1 核心功能模块核心功能模块主要由cc2530主芯片、电源lc滤波电路、外部晶振组成，此外还引出了所有的通用i/o端口分配在三个接口，如图3-2。该功能模块负责终端节点或者是路由节点数据的采集、预处理、发送以及接收相关命令、控制本节点相关输出设备（如led、电机等），本设计采用p1_0口来控制电灯电路的闭合和断开。图3-2 cc2530核心功能模块原理图3.2 串口通信接口cc2530有两个usart（串行同步/异步通信端口）接口，可以独立地工作在uart(通用异步收发器)模式或者spi(串行外设接口)模式。rs232标准定义逻辑“1”的电平相对于地为-3到-15伏，逻辑“0”为3到15伏，而一般的微处理逻辑“1”的电平为3到5伏，逻辑“0”为0到1伏。所以当cc2530的uart相连于上位机时，它需要一个rs232驱动器来转换电平。本设计采用德州仪器公司的sn65c3243逻辑电平转换芯片。sn65c3243支持3.35.5v电压供电，休眠电流仅为1，而且带静电保护13。pc机通过串口通信接口与协调器相连接，串口转换电路如图3-3所示。、 图3-3 串口转换电路3.3 供电电源电路zigbee节点设备按功能分，可以分为协调器、路由节点和终端节点。由于功能不同，一般情况下它们的工作环境和工作时间长都不太一样：协调器任务最重，工作的时长也最长，工作环境较好；路由器次之；路由器任务最轻，大多时候都处在休眠状态，而且很可能在野外或者环境较恶劣的地方。因此本系统采用了两种供电方案：一种是采用开关电源供电（开关电源与市电电网相连），另一种是采用干电池组（两节aa电池）供电。如图3-4所示，下半部分是开关电源供电电路，主要采用了一颗dcdc转换芯片把5v直流电压转换为3.3v直流电压输出；上半部分是干电池组供电电路，有低电压报警功能。协调器采用开关电源供电，终端设备采用干电池供电。图3-4 供电电路3.4 电路控制模块电路控制模块采用双向可控硅调光电路，电路设计如图3-5所示。hot端口与220v电路的火线相连，而ground端口则与另一根地线相连，用光电耦合器moc3021作为晶闸管的驱动器，当1引脚为低电平时， moc3021内部双向晶闸管导通，触发外部晶闸管导通，然后整个电路导通，灯点亮；当1引脚为高电平时，moc3021内部双向晶闸管断开，从而触发外部晶闸管也断开，电路断开，灯熄灭。图 3-5 控制电路设计图第4章 系统软件设计与实现4.1 zigbee网络软件设计系统通过两块cc2530芯片分别作为协调器和家庭终端组建了zigbee网络，上位机负责采集用户的数据，然后通过串口传输方式将数据传输到协调器，协调器接收到数据后进行打包然后发送到家庭控制中心，并根据得到的数据控制可控硅电路从而实现对电灯的控制。将中心结点上的zigbee节点称为协调器节点（coordinator），在终端的zigbee节点称为终端节点（rfd）12。coordinator通过轮询方式来访问各个带有家用电器的rfd节点，rfd接收到相应命后进行操作，然后coordinator通过串口将结果反馈给家庭中心14，其流程如图4-1所示图4-1 zigbee通信网络协调器（左）与rfd（右）本设计中协调器作为无线网络的建立者和维护者，本设计中协调器除了完成它基本的职责外，主要用于将上位机发送来的命令传送到家庭中心节点。4.2协调器软件设计作为创建网络在智能家居控制系统中，协调器是唯一的，它是无线传感器网络的建立者和维护者。本课题中协调器除了完成它基本的职责外，主要用于命令的发布。其工作流程如图 4-2 所示图4-2 zigbee协调器工作流程图协调器在初始化、建立网络完成之后协调器就进入了工作状态。首先判断是不是接收到了串口命令，如果确实收到了串口命令，则解析串口命令：读取串口命令中第一至第四字节“目的地址”段，并转换为可用于zigbee无线通信的 16位（两个字节）的短地址。接着协调器通过无线电的形式把命令再一次发送出去，发送内容中不再包含串口命令中的“帧头”、“帧尾”和“目的地址”，只剩下了核心部分命令。如果没有接收到串口命令则直接进入接收节点命令反馈过程。至此协调器一个周期的任务完成，进入下一个循环中，如此往复。协调器初始化：串口初始化函数void mt_uartinit ()其中我们需要注意设置的波特率和端口号要与上位机保持一致，在本设计中设置的波特率为115200。#if defined (ztool_p1) | defined (ztool_p2) uartconfig.callbackfunc = mt_uartprocessztooldata; #elif defined (zapp_p1) | defined (zapp_p2)uartconfig.callbackfunc = mt_uartprocesszappdata; #else uartconfig.callbackfunc = null; #endif首先定义了ztool_p1，故协议栈数据处理的函数mt_uartprocessztooldata，把串口发来的数据包进行打包，校验，生成一个消息，发给处理数据包的任务。13完成串口初始化后协调器就可以与上位机进行通信。接收来自上位机的数据协调器接收上位机传输来的数据代码：void mt_uartprocessztooldata ( uint8 port, uint8 event )uint8 flag=0,i,j=0;uint8 buf128; (void)event; / intentionally unreferenced parameterwhile (hal_uart_rxbuflen(port)haluartread (port, &bufj, 1); j+;flag=1; if(flag=1)pmsg = (mtosalserialdata_t *)osal_msg_allocate( sizeof ( mtosalserialdata_t ) + j + 1 );pmsg-hdr.event = cmd_serial_msg;pmsg-msg = (uint8*)(pmsg+1);pmsg-msg0=j;for(i=0;imsgi+1 = bufi;osal_msg_send( app_taskid, (byte *)pmsg );osal_msg_deallocate( (uint8 *)pmsg ); 说明：由于上位机一次发送过来的数据的多位的，在本设计中一次传输有三个数据，所以使用了循环接收并且将数据保存在pmsg指针下，然后通过发送函数将数据发送给终端节点。接收到数据后就可以用函数sampleapp_serialcmd(mtosalserialdata_t *)msgpkt);将数据发送到终端，这时协调器就等待下次数据的接收和发送的请求。4.3家庭控制中心节点程序设计终端节点是命令的执行者，在整个智能家居控制系统中处于最底层，与家电设备紧密地结合在一起。传感器节点在智能家居控制网络中，根据需要既可以作为路由节点，也可以作为终端设备。终端节点通常都处于休眠状态，只有当协调器传来指令时它就被激活对传来的指令进行相应的处理处理完后又进入到休眠状态。zigbee终端节点工作流程包括初始化硬件、协议栈，建立网络事件处理，休眠14。其流程如图4-3所示：图4-3 终端节点工作流程图接收函数：void sampleapp_messagemsgcb( afincomingmsgpacket_t *pkt ) uint16 flashtime; uint8 i,len; if(sampleapp_com_clusterid:= pkt-clusterid)len=pkt-cmd.data0; for(i=0;icmd.datai+1;haluartwrite(0,set,len); if(set0=s) mark=1; else if(set0=a) mark=0; case sampleapp_flash_clusterid:flashtime = build_uint16(pkt-cmd.data1, pkt-cmd.data2 );halledblink( hal_led_4, 4, 50, (flashtime / 4) ); break; 说明：在本设计中当我们接收到从协调器发送来的数据（根据协调器那边的设置传送来的数据有三个），我们根据接收到的数据判断当前的任务，当终端接收到数据后通过终端节点主芯片cc2530的p1.0端口电平的高低来控制电灯的亮灭。4.4上位机设计4.4.1界面设计 根据实际生活中对家用电器（电灯）的实际操作上位机设置了