（通信与信息系统专业论文）基于zigbee的智能照明设备控制系统设计.pdf

图书分类号图书分类号 tp91tp91 密级密级 非 密 udcudc 681.5 681.5 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 基于基于 zigbeezigbee 的智能照明设备控制系统设计的智能照明设备控制系统设计 宋艳霞宋艳霞 （作者姓名）（作者姓名） 指导教师（姓名、职称）指导教师（姓名、职称） 韩慧莲韩慧莲 教授教授 申请学位级别申请学位级别 工学硕士工学硕士 专业名称专业名称 通信与信息系统通信与信息系统 论文提交日期论文提交日期 年年 月月 日日 论文答辩日期论文答辩日期 年年 月月 日日 学位授予日期学位授予日期 年年 月月 日日 论文评阅人论文评阅人 卓东风卓东风 孟立凡孟立凡 答辩委员会主席答辩委员会主席 郝晓剑郝晓剑 年年 月月 日日 原原 创创 性性 声声 明明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。承担。 论文作者签名：论文作者签名： 日期：日期： 关于学位论文使用权的说明关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密 后遵守此规定） 。后遵守此规定） 。 签签 名：名： 日期：日期： 导师签名：导师签名： 日期：日期： 中北大学学位论文 基于基于 zigbee 的智能照的智能照明设备控制系统设计明设备控制系统设计 摘摘 要要 随着科学技术的发展以及现代生活水平的提高，照明设备在人们日常生活中，不仅 需要有照明的作用，还应具有能够满足视觉审美和表现环境氛围等功能。具有节能、使 用寿命长、光照效果好、可以随心控制的照明设备，成为人们日益追求的照明对象。而 传统的照明设备控制系统只能够实现照明设备的简单开关控制，不能满足人们其他需 求。因此，本课题根据当今市场需求以及人们生活的实际需要，设计了一种基于 zigbee 和 labview 技术的智能照明设备控制系统， 其不但可以实现本地的照明设备开关控制， 还能实现灯光色彩的改变和亮度调节，且这些操作可以远程进行。该系统不仅适合于日 常家居生活，还能应用于舞台、ktv、酒店等场所的灯光控制。 论文首先分析研究了zigbee技术以及照明设备控制系统的发展现状， 分析了zigbee 技术的特点及相关通信技术，选择应用 zigbee 技术实现智能照明设备控制系统的无线 网络部分。 其次，根据人们需求和市场发展需要提出了系统设计原则，并据此设计了系统的总 体架构。依据总体架构研究设计了系统硬件总体方案，进行了适合的硬件选择，针对硬 件结构设计了主要的电路。分析系统软件体系结构，选择了 c/s 与 b/s 结合的软件体系 结构，划分了系统的软件功能模块。 第三，进一步深入分析了 zigbee 技术的通信协议，介绍了 zigbee 协议栈、zigbee 网络拓扑结构，进行了系统嵌入式软件的研究和设计，实现了系统无线网络通信、串口 通信以及照明设备开关控制、色彩改变、亮度调节等功能。 第四，介绍了 labview 语言及 labview 的网络技术，设计了照明设备控制系统 的 labview 服务器监控软件，并编程实现了软件的各功能。 第五，对整个系统的功能进行了测试，测试结果达到了系统设计目标。 关键字：关键字：zigbee 无线通信，照明设备控制系统，cc2530 嵌入式控制，rgb led， labview 中北大学学位论文 the design of intelligent lighting control system dased on zigbee abstract with the development of new technology and the improvement of modern life, lighting is not only a lamp but also need to satisfy peoples visual aesthesia and express the atmosphere. a lamp which is energy-saving, long-life, with good lighting effects and easy to control is the lamp people pursuit. but the traditional lighting control system can only perform the simple on-off control function. therefore we designed an intelligent lighting control system base on zigbee and labview. besides the normal light functions, this system can change the color and brightness of the lamb through local and remote control. it meets the needs of todays market and improves peoples life efficiency and qualities. this system is not only suitable for house living, but also can be applied to the stage, ktv, hotels,etc. first of all, this paper introduces the zigbee technology(including its origin, development and features), analyzes the recent lighting control technologies and compared the zigbee and other wireless technologies, then explains why choose zigbee technology as the wireless control method of the intelligent lighting system. secondly, this paper proposed the system design principles based on peoples needs and market developments, given the overall architecture of the lighting control system and selected the appropriate hardware components and designed suitable circuits board depending on the system design. then analysed system software architecture and chose a combination of c / s and b / s software architecture. and compartmentalized different software funtion modules. third, further insight into the zigbee communication technology, introduced the zigbee protocol stack structure and zigbee network topology, by designing the system embedded software, we realized the function of system wireless network communications, serial communications, and lighting switch control, color change, brightness adjustment and others. fourth, introduced the labview network technology and its programming method , designed the software application of the lighting control server monitoring system. 中北大学学位论文 finally, the function of entire system was tested and testing result show that this system reached the anticipation of system design. keywords：zigbee wireless communication ;lighting control system , embedded control of cc2530 , rgb led , labview 中北大学学位论文 i 目目 录录 1. 绪绪 论论 1.1 课题研究背景和研究意义课题研究背景和研究意义. 1 1.2 zigbee 技术概述技术概述 . 1 1.2.1 zigbee 起源与发展起源与发展 . 2 1.2.2 zigbee 技术的特点技术的特点 . 4 1.3 照明设备控制系统的发展及研究现状照明设备控制系统的发展及研究现状 . 5 1.4 几种无线网络技术介绍及比较几种无线网络技术介绍及比较 . 7 1.4.1 无线网络相关技术介绍无线网络相关技术介绍 . 7 1.4.2 相关技术比较相关技术比较 . 9 1.5 课题研究主要内容课题研究主要内容 . 10 2. 智能照明设备控制系统总体设计智能照明设备控制系统总体设计 2.1 系统设计原则系统设计原则 . 12 2.2 系统总体架构系统总体架构 . 13 2.3 系统硬件设计系统硬件设计 . 14 2.3.1 系统硬件总体设计方案系统硬件总体设计方案 . 14 2.3.2 系统硬件选择系统硬件选择 . 15 2.3.3 cc253 接口设计接口设计. 19 2.3.4 无线射频天线设计无线射频天线设计 . 21 2.3.5 外围电路设计外围电路设计 . 22 2.4 系统软件体系结构设计系统软件体系结构设计 . 24 2.4.1 客户端客户端/服务器服务器(c/s)模式模式 . 24 2.4.2 浏览器浏览器/服务器（服务器（b/s)模式模式 . 25 2.4.3 c/s 与与 b/s 结合模式结合模式 . 26 2.5 系统软件功能模块设计系统软件功能模块设计 . 27 2.5.1 系统嵌入式软件功能模块设计系统嵌入式软件功能模块设计 . 27 中北大学学位论文 ii 2.5.2 系统监控软件功能模块设计系统监控软件功能模块设计 . 27 2.6 小结小结 . 28 3. 智能照明设备控制系统嵌入式软件设计与实现智能照明设备控制系统嵌入式软件设计与实现 3.1 zigbee 技术相关知识技术相关知识 . 29 3.1.1 zigbee 技术体系结构技术体系结构 . 29 3.1.2 zigbee 网络拓扑结构网络拓扑结构 . 30 3.2 软件开发环境软件开发环境 . 32 3.2.1 z-stack 协议栈协议栈 . 32 3.2.2 嵌入式嵌入式 iar embedded workbench . 35 3.3 嵌入式软件流程设计嵌入式软件流程设计 . 36 3.3.1 软件总体流程设计软件总体流程设计 . 36 3.3.2 通信模块软件流程设计通信模块软件流程设计 . 36 3.3.3 照明设备控制模块软件流程设计照明设备控制模块软件流程设计 . 38 3.4 通信模块软件设计与实现通信模块软件设计与实现 . 39 3.4.1 coordinator 串口通信实现串口通信实现 . 39 3.4.2 zigbee 无线网络建立与通信无线网络建立与通信 . 43 3.5 照明设备控制模块的软件设计与实现照明设备控制模块的软件设计与实现 . 47 3.5.1 控制原控制原理介绍理介绍 . 47 3.5.2 pwm 调制实现调制实现 . 49 3.5.3 照明设备控制功能实现照明设备控制功能实现 . 50 3.6 小结小结 . 52 4. 智能照明设备控制系统监控软件设计与实现智能照明设备控制系统监控软件设计与实现 4.1 labview 简介简介 . 53 4.1.1 labview 的特点与应用的特点与应用 . 53 4.1.2 labview 远程实现技术远程实现技术 . 55 4.2 系统监控软件前面板设计系统监控软件前面板设计 . 59 4.2.1 系统登录相关面板系统登录相关面板 . 59 4.2.2 照明设备控制以及用户管理面板照明设备控制以及用户管理面板 . 60 中北大学学位论文 iii 4.3 系统监控软件程序框图设计系统监控软件程序框图设计 . 62 4.3.1 服务器与服务器与 coordinator 串口通信程序框图设计串口通信程序框图设计 . 62 4.3.2 系统登录相关程序框图系统登录相关程序框图 . 65 4.3.3 照明设备控制以及用户管理程序框图照明设备控制以及用户管理程序框图. 67 4.4 系统远程操控实现系统远程操控实现 . 68 4.4.1 服务器端远程实现服务器端远程实现 . 68 4.4.2 客户端远程实现客户端远程实现 . 71 4.5 小结小结 . 72 5. 智能照明设备控制系统测试智能照明设备控制系统测试 5.1 系统嵌入式软件测试系统嵌入式软件测试 . 73 5.1.1 无线通信性能测试无线通信性能测试 . 73 5.1.2 照明设备控制照明设备控制 . 75 5.2 系统监控软件测试系统监控软件测试 . 77 5.2.1 系统登录测试系统登录测试 . 77 5.2.2 用户管理测试用户管理测试 . 78 5.2.3 远程控制测试远程控制测试 . 79 5.3 小结小结 . 80 6. 总结与展望总结与展望 6.1 总结总结 . 81 6.2 展望展望 . 82 参考文献参考文献 攻读硕士学位期间发表的论文攻读硕士学位期间发表的论文 致致 谢谢 中北大学学位论文 1 1. 绪 论 1.1 课题研究背景和研究意义 随着科技的飞速发展与人们生活水平的不断提高，人们的生活节奏、思想观念都发 生了很大的改变。在现代家居生活中越来越多的人都意识到，照明设备除了需要有照明 的功能以外，还应该满足视觉审美和表现环境氛围等要求。同时，在娱乐场所、晚会中 照明设备控制起重要的作用，担任着重要角色。具有节能、使用寿命长、灯光效果好， 可以随心控制，满足不同环境需求的照明设备，比如：在居家生活中，可以为小孩夜晚 睡觉提供有助睡眠的柔和灯光，为夜晚工作提供让人清醒的光线等；各种娱乐场中所的 彩灯变换、酒店依据环境和氛围提供不同的灯光效果等的照明设备成为人们日益追求的 对象。而传统的照明设备控制系统只能用于实现照明设备的简单开关控制，或功能相对 可以但体积庞大、不易安装使用，很难满足人们的不同需求。可见，便捷的智能化照明 设备控制系统的研究和设计具有重大而深远的意义1。因此，本课题根据当今市场的需 求以及人们生活的实际需要，在家居环境下，设计了一种基于 zigbee 和 labview 技术 的智能照明设备控制系统，该系统不仅可以实现局域网内的照明设备开关控制，还能实 现照明设备色彩的改变以及亮度的调节，并且可以远程进行控制。本系统虽在特定环境 下开发，但其不仅适合于日常家居生活，还可以很好的应用于舞台、ktv、酒店等场所 的灯光控制。这很好的满足了当今市场的需求，能够提高人们的生活效率和生活质量。 1.2 zigbee 技术概述 zigbee网络通信技术技术是一种新兴的无线。该技术基于低功耗个域网协议 ieee 802.15.4 标准，以其低成本、 协调器节点 （zigbee coordinator） 远程控制端主控计算机 照明设备终端节点 串口 internet zigbee 照明设备终端节点 照明设备终端节点 ，很好的填补了近距离、 空缺低功率的无线通信市场。应用该技术，可以建立一个成本低、通信距离短、长电池 使用寿命、具有可靠数据传输、易于安装的无线网络，被广泛应用于如军事、环保、医 疗、工业、家居等领域 2-3。 中北大学学位论文 2 1.2.1 zigbee 起源与发展 zigbee技术因蜜蜂的八字舞 （）”抖动翅膀告）通过飞翔和“嗡嗡（蜜蜂（zigbee 诉同伴关于花粉方位相关信息的“舞蹈” ）而得名，由 zigbee 联盟于 2004 年制定5。其 是一种基于低功耗个域网协议标准4 .15.802ieee的无线通信技术标准。 它不仅仅是 802.15.4 协议的代名词，它包括两部分内容：一部分是 ieee 802.15.4 标准，该标准仅 处理低级 mac 层和物理层；另一部分则是 zigbee 联盟制定的 zigbee 规范，其对网络 层协议和 api 进行了标准化。该标准为无线传感器网络提供了一个互联互通的平台4。 zigbee 联盟成立于 2001 年，是一个高速成长的非盈利组织，以通过加入无线网络功能， 为消费者提供更富有弹性、更容易使用的电子产品为联盟主要目标。起初 zigbee 联盟 主要成员包括：摩托罗拉、invensys 、飞利浦及三菱电子等公司。在 zigbee 协议的第 一版本成功发布之后，其倍受青睐，各个企业才都争相加入联盟，现在 zigbee 联盟已 有大概 300 多个成员，如：honeywell、eaton 和 invensys metering systems 等。这些加 入联盟的企业涉及面比较广，有消费电子厂商、半导体生产商、ip 服务提供商、oem 商等，甚至还有一些玩具公司6。 在 zigbee 联盟成立后，其主要聚焦于研究制定协议的网络、安全和应用软件层； 为不同的产品提供协调性和互通性测试规格等。致力于将 zigbee 技术在全球各地推广， 使其能成为应用于商业、能源、住宅、家用电器以及工业领域的领先无线网络连接、传 感和控制标准7。 从 zigbee 协议发布至今， 其经历了好几个版本。 首先是 2004 年 12 月， zigbee 联盟首次签订了 zigbee 协议第一版本（zigbee 2004） ，并与 2005 年 9 月成功发 布。zigbee 2004 由于推出时间仓促存在着很多的漏洞和不足，该协议本身只能够完成 简单的树型网络以及星型网络的构建，其他复杂的网络需要附加程序完成。后来在联盟 各成员的努力下与 2006 年 12 月对其进行了首次修订，用“群组库（cluster library） ”替 代了 zigbee 2004 的 msg/kvp 结构，推出了 zigbee 2006。zigbee 2006 很好的解决了 zigbee 2004 协议的不足，无论是组网还是安全性上都得到了很大的提高，其中的改进 包括： 新增了 zigbee cluster library （简称 zcl） 、 group device(群化式装置)、 multicast(多 播功效)、 over the air(直接透过无线方式进行组态配置， 简称 ota)， 此外还移除了 key value pair(kvp)信息格式等等。zigbee 2006 更是很好的集合了一些硬件的驱动（如 中北大学学位论文 3 cc2530、cc2430） ，提供了大量开源例子，这些都为开发人员大大的减少了开发难度， 缩短了开发周期。最重要的，该版本是 zigbee 协议栈的一个分水岭，2006 版本以后的 协议栈不支持原来的 2004 版本8。 2007 年联盟再次修订了协议并推出了 zigbee 2007 版 本，包括两套高级的功能指令集：zigbee 和 zigbee pro feature set。同时在 zigbee 2007 中也对应包含有两个协议栈模板：zigbee 协议栈模板(stack profile 1)、zigbee pro 协议 栈模板 (stack profile 2)。模板 1 是在 2006 年发布的，主要为消费电子产品和照明设备 商业应用环境而制定，设计简单，使用在少于 300 个节点的网络中；模板 2 则是致力于 商业和工业环境， 支持大型网络， 可以容纳 1000 个以上网络节点， 具有更好的安全性9。 两种协议栈模板都提供了全网状网络与所有的 zigbee 应用模板。和前面的两个版本相 比较， 在新标准中 zigbee 联盟更专注于建筑/商业大楼自动化(building automation； ba)、 家庭自动化(home automation；ha)、先进抄表基础建设(advanced meter infrastructure； ami)三种应用类型的拓展。虽然 zigbee 协议不断地升级、改善原有的不足，但存在兼 容性问题。这三种主要协议的各方面比较，如表 1.1 所示。 可以看出，zigbee 技术从发布至今，无论软件、硬件还是 zigbee 技术开发平台都 有了很大的发展。 在软件方面， 有许多公司都提供了 zigbee 协议栈， 例如： ti、 ember 、 air bee、free scale 等。其中由 ti 公司研究设计的协议栈z-stack，提供了一个完全 开源的解决方案，得到了很好的应用。zigbee 射频芯片巨头供应商 freescale(飞思卡尔) 还推出了其芯片对应的 z-stack。 硬件方面， 各大芯片公司更是先后推出了自己的 zigbee 技术硬件解决方案，如：ti、ember、freescale 等公司推出的由单片机射频芯片和无线 收发芯片集合的 soc（系统级芯片） ，尤其是系统级芯片的节点方案，以低功耗、小体 积、低成本等优势，适应了市场需要。目前，此类比较成熟的芯片有 cc2430、cc2530、 em250 等，其中尤为出色的属 ti 公司生产的 cc2430、cc2530 集成 soc 方案，具体 在第二章硬件选择处介绍。从开发平台来看，各大芯片供应商相应推出了自己的开发平 台， 如： helicomm 公司的 ez-net devkit， freescale 公司的 sard 应用参考板， microchip 公司的 picdem z demonstration kit 开发板以及由 ti 公司生产的一些开发工具10。 中北大学学位论文 4 表 1.1 zigbee 个版本比较表 版本版本 zigbee04zigbee04 zigbee06zigbee06 zigbee07zigbee07 指令集指令集 无 无 zigbee zigbee pro 无线射频标准无线射频标准 802.15.4 802.15.4 802.15.4 802.15.4 地址分配地址分配 cskip cskip 随机 拓扑拓扑 星状 树状、网状 树状、网状 网状 大网络大网络 不支持 不支持 不支持 支持 自动跳频自动跳频 是， 3 个信道 否 否 是 pan idpan id 冲突解决冲突解决 支持 否 可选 支持 数据分割数据分割 支持 否 可选 可选 多对一路由多对一路由 否 否 否 支持 高安全高安全 支持 支持，1 密钥 支持，1 密钥 支持，多密钥 应用领域应用领域 消费电子 (少量节点) 住宅(300 个 节点以下) 住宅(300 个 节点以下) 商业(1000 个 节点以上) 支 持支 持 zigbeezigbee 各各 版本芯片版本芯片 及开发工及开发工 具具 芯片芯片 cc2420 cc2430 zic2410 cc2520 cc2530 mc13224 开发工具开发工具 c51rf-3-jk s c51rf-3-pkc5 1rf-zic2410- pk c51rf-cc2520-pkc51rf-cc25 30-pkc51rf-mc13224-pk 网络试验箱网络试验箱 gainsj、 mote works c51rf-wsndre amrf-cc2430 dreamrf-mc13224c 1.2.2 zigbee 技术的特点 zigbee 有三个工作频段：全球通用的 2.14ghz 频段、欧洲盛行的 868mhz 频段以 及美国流行的 915 mhz 频段。三个频段的传输距离一般在 10m 到 75m 范围内，分别具 有最高 250kbit/s、20kbit/s 和 40kbit/s 的传输速率11。作为低功耗的一种无线通信技术， zigbee 具有很多的特点，主要体现在以下几方面： （1）低传输速率 zigbee 技术是致力于低速率的传输而设计的，在常见的几个工作频段，最高的传输速率 也就分别是 250kbit/s、20kbit/s 和 40kbit/s。 中北大学学位论文 5 （2）低功耗 因该技术具有低传输速率的特点，其发射功率仅有 1mw。实际应用中还可以选择休眠 模式，需要时唤醒设备，不需要时则处于休眠状态。所以说 zigbee 设备非常的省电， 普通 5 号电池可供设备使用 624 个月，大大减少了更换电池的麻烦12。 （3）成本低 低速率、低功耗的特点降低了 zigbee 设备的后期成本，且 zigbee 芯片的自身成本低， 大约在 1.52.5 美元，目前正在努力做到更低的价格。除此之外，zigbee 协议无需专利 费，这更好的降低了成本。 （4）时延短 zigbee 自身对时延进行了优化，不论是通信时延还是从休眠状态激活的时延都很短， 设 备搜索时延 30ms，从休眠激活的时延也只需 15ms。时延短的优势不仅系统响应好，也 进一步减少了能源浪费。 （5）网络容量大 zigbee 具有多种网络结构，根据实际的需求可以自由选择。按照每个协调器都可由上一 层协调器管理、一个协调器最多可连接 255 个子节点，理论上可组成能够最多容纳 65535 个节点的网络。 （6）安全性高 zigbee 采用了 aes-128 加密算法，支持鉴权和认证，提供了基于循环冗余校验(crc) 的数据包完整性检查功能，各个应用可以灵活确定其安全属性13。 （7）可靠性好: 物理层应用将一个讯号分为多个讯号，再经编码方式传送的直接序列扩频（dsss）技 术来避免同频干扰； 媒体访问控制层则应用 802.11 系列标准中为避免冲突的多路载波侦 听（csma/ ca）方式，既避免了数据传输冲突，还提高了系统的兼容性。 1.3 照明设备控制系统的发展及研究现状 照明设备控制系统最初采用的是手动控制方式，通过在照明回路中安置开关等元件 来达到开关照明设备目的，完全依赖于人工手动控制，操作不便，管理效率低。后来研 究人员将数字控制技术应用到了照明系统，利用声光电等形式短距离的遥控，该方式虽 中北大学学位论文 6 然比手动有了很大的提高，解决了管理低效的弊端，但无法实现网络化。随着网络化技 术以及电子技术的飞速发展，智能控制才慢慢走近我们的生活，照明系统通过处理、分 析传感器所采集的信息结合用户指令实现不同的功能，与之前的系统相比有了很大的提 高，且智能照明监控系统在国内外都有很好的发展，并日益被广泛应用于工业以及日常 生活中14。 智能化照明设备控制系统主要是伴随着通信科技的发展由原来有线监控逐步向无 线监控迈进的。起初，系统主要采用有线协议，如：rs-485 通讯标准，eib（european installation bus）协议，c.bus，lonworks 协议，x-10 协议等。其中典型的串行通讯 标准rs-485，最长传输距离可达 1200 米，最大通信速率可达 100mbps，完全满足 小型照明系统智能控制的要求15。但该协议只支持主从结构而不支持其他网络结构，仅 适用于简单的照明设备控制系统，不能和其他系统进行合并或者在原有系统上进行升 级。而且 rs-485 协议只有 mac 层标准，很难基于该协议互联不同厂家的设备。eib 协 议是电气布线领域使用范围最广的行业规范和产品标准，其在欧洲是占主导地位的楼宇 自动化标准，并于 2007 年正式成为