（电路与系统专业论文）基于无线传感器网络的移动智能照明控制系统设计与实现.pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文杭州电子科技大学硕士学位论文 基于基于无线传感器网络无线传感器网络的的移动智能移动智能 照明控制系统照明控制系统设计与实现设计与实现 研研 究究 生：生：毛海明 指导教师：指导教师：卢山鹰 副教授 陈科明 副教授 2013 年 1 月 dissertation submitted to hangzhou dianzi university for the degree of master design and realization of mobile intelligent lighting control system based on wireless sensor networks candidate: mao haiming supervisor: associate professor lu shanying associate professor chen keming january，2013 杭州电子科技大学杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文使用授权说明学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论 文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复 印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、 缩印或其它复制手段保存论文。 （保密论文在解密后遵守此规定） 论文作者签名： 日期： 年 月 日 指导教师签名： 日期： 年 月 日 杭州电子科技大学硕士学位论文 i 摘 要 随着物联网技术的成熟、智能手机的普及，以及人们生活水平的提高，智能家居行业迎 来了发展的春天。智能照明作为智能家居的重要组成部分，对它的研究和设计对推动整个智 能家居的发展有着积极的作用。本文面向普通家庭用户，基于智能手机等移动终端和自主研 发的无线传感器网络协议 swsn，设计了一套移动智能照明控制系统。通过这一套系统，用 户可以通过智能手机等移动终端随时随地获取家庭内所有照明设备的工作状况，并对它们进 行控制。本系统首先由智能网关通过家庭内的近距离无线网络收集各个智能开关的状态，然 后智能网关把收集的信息通过 2g/3g 网络或因特网发送到用户手机上；用户也可以通过手机 随时随地控制家里的照明设备。 无线传感器网络是智能照明控制系统的重要组成部分，现有几种应用于无线传感器网络 的无线网络标准（如：bluetooth、zigbee 等近距离无线通信技术）因其“通用性强”的特点， 在开发周期、功耗、成本、灵活性等方面有着局限性，本文针对智能照明的应用场合，设计 了一种面向低成本、易开发、低功耗的小型无线传感器网络swsn 网络。本文首先从协议 栈框架、设备类型、拓扑结构以及帧格式四个方面对 swsn 网络内容进行了概述，然后分别 从物理层、网络层和应用层进行了设计，并与其他无线网络的技术参数进行了对比。结果表 明，实现 swsw 协议仅需要 12k bytes 左右的存储空间。 现有大部分无线智能照明控制系统的控制范围还没有突破空间上的限制，本文接下来对 移动智能照明系统的硬件和软件实现进行了描述，从而解决其控制范围在空间上的问题。结 合实际工作，本文着重介绍了系统软件部分的实现，包括中心节点、开关节点、网关、服务 器和手机终端的软件实现。 本文最后对以上所设计的网络和系统进行了测试验证，具体分为节点测试、swsn 网络 测试和手机联网测试三个部分。根据这三个部分的测试结果，验证了本系统设计方案的可行 性，使得用户只要其所处的位置有网络信号，都可以通过智能手机等移动终端来随时地掌握 家中照明设备的工作状况，并对它们进行控制。 关键词：智能照明，移动，无线传感器网络，协议栈 杭州电子科技大学硕士学位论文 ii abstract with the maturation of the internet of things technology, the popularity of smart phones, as well as the improvement of peoples living standards, the smart home industry ushers in the spring. intelligent lighting as an important part of the smart home, the research and design of it has a positive role to promote the development of the smart home. this paper designs a set of mobile intelligent lighting control system for ordinary home users based on smart phones and other mobile terminals and self-developed wireless sensor network protocol swsn. through this system, the user can have the access to know the working conditions of all lighting equipments in the family and control them by smart phones and other mobile terminals anytime and anywhere. the system first collects various intelligent switch states by intelligent gateway through a short-range wireless network within the family, then the intelligent gateway sends the information collected by the 2g/3g network or the internet to the users mobile phone; the user can also control home lighting equipments via mobile phone anytime and anywhere. the wireless sensor network is an important part of the intelligent lighting control system, several existing wireless network standard used in wireless sensor networks (such as bluetooth, zigbee and some other short-range wireless communications technology) has its characteristics of generality, so there are some limitations in the development cycle, power consumption, cost, flexibility, etc. for intelligent lighting applications, this paper designs a small wireless sensor network for low-cost, easy to develop and low-powerswsn network. firstly this paper summarizes the contents of swsn network from four aspects of the framework of the protocol stack, device type, topology, and frame format. then the paper gives a design respectively from the physical layer, network layer and application layer. finally by comparing with other wireless network standard on technical parameters，the results show that to achieve swsw protocol only requires about 12k bytes of storage space. most of the existing wireless intelligent lighting control systems control range is limited by space, so this paper then describes the software and hardware implementation of the mobile intelligent lighting system, so as to solve the problem of its control in space. combined with practical work, the paper focuses on the implementation of the system software part, which includes the software realization of the central node, switch node, gateway, server and mobile terminals. finally, this paper does some tests for the network and system designed above, the test is specifically divided into three parts: node test, swsn network test and mobile phone network test. according to the three parts of test results, we verify the feasibility of this systems design. it makes 杭州电子科技大学硕士学位论文 iii the user momentarily master the working condition of the home lighting equipments, and control them by smart phones and other mobile terminals as long as the network signal is present at the users location. key words: intelligent lighting, mobile, wireless sensor networks, protocol stacks 杭州电子科技大学硕士学位论文 iv 目 录 摘 要 . i abstract . ii 第 1 章 绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 研究现状 . 2 1.3 课题研究的目的及意义 . 4 1.4 主要研究内容及组织结构 . 5 第 2 章 移动智能照明控制系统总体架构设计 . 7 2.1 总体架构 . 7 2.2 硬件方案 . 8 2.3 软件方案 . 9 2.4 本章小结 . 10 第 3 章 swsn 网络设计. 11 3.1 swsn 网络概述. 11 3.1.1 协议栈框架 . 12 3.1.2 设备类型 . 13 3.1.3 拓扑结构 . 14 3.1.4 帧格式 . 15 3.2 物理层设计 . 17 3.3 网络层设计 . 18 3.3.1 网络层框架 . 18 3.3.2 网络层管理 . 19 3.4 应用层设计 . 24 3.4.1 应用层框架 . 24 3.4.2 应用层数据服务管理 . 24 3.4.3 应用层管理 . 26 3.5 swsn 网络与其他无线网络比较. 30 3.6 本章小结 . 31 第 4 章 移动智能照明控制系统实现 . 32 4.1 系统硬件实现 . 32 4.2 系统软件实现 . 33 杭州电子科技大学硕士学位论文 v 4.2.1 中心节点的软件实现 . 33 4.2.2 开关节点的软件实现 . 35 4.2.3 网关的软件实现 . 36 4.2.4 服务器的软件实现 . 38 4.2.5 手机终端的软件实现 . 39 4.3 本章小结 . 41 第 5 章 系统测试 . 43 5.1 节点测试 . 43 5.2 swsn 网络测试. 46 5.3 手机联网测试 . 49 5.4 本章小结 . 51 第 6 章 总结与展望 . 52 6.1 总结 . 52 6.2 展望 . 53 致 谢 . 54 参 考 文 献 . 55 附 录 . 58 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 1.1 引言 从计算机的诞生到互联网的大规模应用，经过半个多世纪的发展，信息技术给人们的工 作和生活带来了巨大变化。这些变化给人们带来惊喜的同时，由于通信、控制和感知等技术 的快速发展，信息技术突破传统的人-机交互领域，向物理世界扩展和延伸，在人与物、物与 物之间构成信息传输和控制的平台，这就是被称为继计算机、互联网之后掀起信息化发展第 三次浪潮的物联网(the internet of things，简称 iot)技术1-5。 如果说计算机技术的出现和发展实现了人-机之间的直接对话，互联网技术的广泛应用满 足了人-人之间的快速交流，那么物联网的出现将实现人-物交流、物-物交流的场景6。每天 清晨，公文包会提醒你不要忘记带上重要的文件；洗衣机会自动根据放入衣物的质地和颜色 选择清洁剂的投放量和洗涤时间；家里的窗户会在大雨来临之际自动闭合；房间里的灯光会 根据天气情况的变化调节亮度；手中的遥控器可以随时随地操控家中的电器等等。物联网将 人类社会与物理系统进行整合，通过控制中心对网络内的人员、计算机、设备和基础设施等 进行实时控制和管理，提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然的关系。 随着物联网技术的发展和对未来应用的展望，各种与物联网相关的应用如雨后春笋般被 提上日程，主要领域有军事领域、环境监测、智能交通、现代农业、智能家居等。智能家居 作为其中一个重要应用领域，与人们的生活息息相关，对它的研究和应用具有实际意义7-8。 在当今这个信息化社会，人们的工作、生活、通信和信息的关系日益紧密，信息化社会 在改变人们生活方式与工作习惯的同时，也对传统的住宅提出了挑战。社会、经济及技术的 进步与改革，更使人们的观念也随之发生变化。人们对家居条件的要求，已不仅仅是物理空 间的大小，更为关注的是一个安全、方便、舒适的居家环境。于是在小康住宅概念的基础上， 进一步产生了智能化住宅即智能家居的概念与要求。 智能家居，或者称之为智能住宅，在当今这个社会与其意思相近的词语很多，比如电子 家庭(elec-tronic home)、家庭自动化(home automation)、网络家居(network home)、数字家 园(digital family) 9-10。虽然说法各式各样，但是各种说法说代表的含义基本上是一样的。首 先，它们都需要在家中搭建起一个可以相互通信的网络，这样做使得家中的各种信息能够依 靠它进行传输，然后，在网络软件系统的控制之下，结合对应的硬件设备，达到监控连接在 本家庭网络中所有家用电器的要求。其次，它们还需要凭借有线或无线的方式，完成与家庭 外的信息渠道，使得外界也可以知晓其家庭内部的各种信息，满足其远距离控制和检测的市 场需求，最后所要达到的目标都是满足人们对家庭生活安全、快捷、享受的实际需要11。 照明设备在人们的日常生活和工作中扮演着一个重要的角色，所以对照明系统如何进行 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 更有效的控制也成为了智能家居中举足轻重的一部分，智能照明控制系统应运而生。它的作 用不仅要解决人们怎样更舒适快捷地掌握和控制各个照明设备的状况，而且要考虑其维护成 本，安装方便性，节约电能等方面的问题。 1.2 研究现状 智能照明是由计算机技术、无线通信传输技术、电力载波通信技术、智能信息处理和节 能化的电器控制技术等组成的无线控制系统，从而实现一个对照明相关设备或仪器的控制。 其功能有亮度的调节、定时开关、各种模式的设定等，具有智能、节能、方便、安全的特点 12。 根据智能照明控制系统所需要的通信媒介的不同，大致可分为如下三种类型：一是总线 类型、二是电力线载波类型、三是无线类型。 总线类型的智能照明系统是通过总线将各个设备连接起来，以中央控制器作为控制中心 设备，以执行单元、采集单元、控制模块单元组合而成的设备作为终端节点设备，中央控制 器通过总线向需要控制的终端节点设备发送各个命令数据，接受到命令数据的终端节点设备 判断如果是发给自己的命令就执行相应的动作，并通过总线反馈应答数据。通过这种方式实 现的系统具有传输可靠稳定，其控制信号能够进行长距离的传输而不产生信号的干扰差错的 优势，所以可以应用在需要大范围控制的场所比如大型场馆，商务中心等。然而，这种系统 也存在着以下一些缺点，如需要有专门的信号控制线进行配置，其投入的成本相对比较高， 还有一个就是其工程量较大，施工复杂度较高。目前为止的总线类型系统有以下那么几种： 邦奇公司的 dynalitye 总线、奇胜的 c-bus（clipsal bus） 、欧洲安装总线 eib（european installation bus） 、瑞士 abb 的 i-bus、philips 的数字地址可寻的照明接口 dali（digital addressable lighting interface)等13。邦奇的 dynalite 系统是一个真正的分布式控制系统，总线 型的拓扑结构，dynet 网络上的所有设备都是智能化的，并以“点对点”方式进行通信，采 用通用的 rs485 协议，总线上的电压为 12v，平均速率为 9.6kbps，最大为 57.6kbps，系统 简单，调光性能比较不错，应用案例有迪拜塔、北京交通部办公大楼照明系统、中国石油大 厦等14-15。奇胜的 c-bus 采用两线型网络，采用分布式结构的控制系统，以总线型网络和星 型网络混合而成的拓扑形式，各个子网可挂载 100 多个单元，平均速率为 9.6kbps，整个系统 它的容量较大，投入市场的时间相对较早，应用案例有澳大利亚 adelaide 希尔顿酒店室内装 饰照明控制系统、华夏银行总行办公楼照明系统、悉尼奥运会主场馆的照明系统等16-18。欧 洲安装总线 eib 是一种专门用于智能建筑领域的现场总线标准，具有分布性，开放性，互操 作性和灵活性的特点，其最大特点是通过单一多芯电缆替代了传统分离的控制电缆和电力电 缆，并确保各开关可以互传控制指令，因此总线电缆可以以线型、树型或星型铺设，方便扩 容与改装。它在欧洲智能家居、智能建筑方面占有其主导地位，其市场占有率接近 80%，在 我国也有很多成功的应用案例：大连国际贸易中心、厦门国际会展中心、上海新国际博览中 心等具有地方标志性特点的建筑19。abb 的 i-bus 采用的是和邦奇的 dynalite 一样的系统模 杭州电子科技大学硕士学位论文 3 式和拓扑结构，但也有不同之处，它是在欧洲安装总线的基础上的两线型网络，总线电压为 24v，而且在总线长度方面也都有一定的限制，平均速率为 9.6kbps，基于 i-bus 的系统它的 体积一般来说都很小，这有利于实际中的安装。其成功案例有上海的华府天地、白金湾、佘 山高尔夫国际俱乐部别墅等高级住宅项目20-21。 dali 协议实际用到的是一种开放式的异步串 行数字通信协议，其用途是用在照明控制系统领域。它采用主从式的结构方式，其最大的连 接从机的数目为 64 个之多，而且每个从机有自己的唯一识别地址，开始由系统进行设置，之 后可以根据实际的情况进行修改，从机方面还可以再按照组地址进行划分，这样的话每个从 机所属于的组可以只有一个，也可以有多个，每组的从机又能布置成 16 个不同的场景模式以 供不同的需求。其成功案例有在德国国际灯具展上所出现的各种产品22-24。 电力线载波类型的智能照明系统是把电力线的功能从单纯的电力供应转变为电力供应和 控制信号合在一起，使得每个用电设备上都兼有两种功能，一种是电力线上提供的电力能源， 另一种是电力线上提供的各种控制命令25-26。这样做的好处是不用再另外架设一条专门的控 制线，降低了一部分成本，而且它可以控制的距离也是非常理想的。当然，这样做也有一些 不足：通过电力线来传输控制信号容易受外界的干扰，反应方面也较慢，通信质量不是很理 想，而且整个系统需要配置一定数量的附加设备才能正常运行。目前为止比较常用的技术有 以下两种，一种是 x-10，另一种是 plc-bus（power line communication bus） 。x-10 技术是 由皮可电子公司(pico electronics lcd.)研制出来的数位控制技术，其载波频率为 50hz 或者 60hz，而跳变波（modulating wave）是以脉冲的形式出现，其频率变为了 120khz。它制定 出的那套控制规范，或者说是规定，是以电力线为其连接的媒介，远程控制用电设备的通信 协议，它已经大范围的应用在很多国家的家庭电器和室内照明设备控制、水电气仪表的采集 读取以及家中安全防护等等各个方面。在美国已经有很多大公司生产、销售 x-10 产品，如 radioshack、stanley、leviton、honeywell 等等；仅在美国就已经售出一亿只模块，大约有 1000 多万家庭使用 x-10 产品，x-10 控制规格已成为当今美国家庭自动化控制规格的主要领导者。 而在国内，应用 x-10 技术的产品还很少，国内的 x-10 技术才刚刚起步，但国内有些厂家和 代理商已经推出了针对中国住宅情况做出改进的 x-10 配套产品，在上海、深圳、天津、广州 等大城市已经开始销售 x-10 产品。目前国内也有多家生产 x-10 系统的公司。销售的很多产 品价格较高，不易被老百姓所接受。一旦价格下来后，趋势将是便利化、超市化、diy 化27-28。 电力线通信总线技术（plc-bus）是一种双向的电力线通信总线技术，具有比较高的稳定性， 而且性价比高，它通过电力线来智能化控制家用设备和公司电子设备。这项技术由荷兰的一 家 ats 公司研究开发的，该公司的主要目标是开发比较先进的电力载波家庭控制技术，也因 为该技术的创新和突破赢得了不少的专利。此外，公司开发出了一套完整的智能家居控制系 统，该系统就是基于 plc- bus 技术的，不过对其智能家居控制的标准进行了重新的定义和改 进，使得系统在稳定和可靠性方面都表现出色，为在实际商业化住宅的应用领域给出了一种 更好的低成本的智能控制方案，因此它在功能、可靠性和经济开销方面有着其他电力线控制 技术无法比拟的优势。中国 ats 公司目前已经就此项技术与多家制造商进行了有偿授权使用 杭州电子科技大学硕士学位论文 4 此项专利的合作，其中包括世界上最大的电子设备厂商。现在上海索博智能电子有限公司是 中国大陆及亚洲地区此项专利技术的唯一授权生产商29-30。 无线类型的智能照明系统跟前两种类型的系统的区别显而易见，前两种都是通过有线的 方式来传递控制信号的，而这种系统则是通过无线的方式来传递的。该系统要在每个需要被 控制的用电设备上安装上一个无线通信收发模块，然后通过一定的无线通信协议来进行控制 信号的传递。这样的系统具有安装方便、移动性强、维护成本较低的优势。不过对于无线网 络而言，它的传输距离相对来说是有限的，如果需要进行远距离的传输控制，可靠稳定性方 面会差一些。 目前最流行的一类无线网络技术即 zigbee 技术。 zigbee 技术是一种短距离的无 线组网通信技术，它的特点是低速率、自组织、低成本，主要应用于自动控制和远程控制领 域，可以嵌入到各种设备。其成功案例有苏州国际科技园的景观智能照明控制系统，该系统 中每个景观灯设备中都嵌入了 zigbee 收发模块，它们之间组成了一个自组织网络，并且在一 定的范围内与控制中心进行数据的传递，从而智能化地检测和控制整个园区景观灯的状况， 既省时又省力。 1.3 课题研究的目的及意义 根据对智能照明控制系统的研究现状分析可知，其控制主要采用的是有线方式，通过有 线方式控制的照明系统在一定程度上会带来诸多不便，施工量较大，复杂度高，布线麻烦， 可扩展性差，系统安装的成本和维修的成本相对较高，同时移动性方面也较差，这些不足不 利于智能照明控制系统的进一步发展和推广使用。相比较而言，通过无线方式控制的照明系 统很好地弥补了以上的不足，具有布线简单，安装成本较低，并且移动性方面有了很大的改 善，有利于智能照明控制系统向前发展和使用。然而，现阶段的无线智能照明控制系统存在 着以下两方面的问题。 一方面，随着无线通信技术的飞速发展，无线传感器网络协议在各个应用领域越来越广 泛。到目前为止，出现了如下 3 种最普遍的无线网络协议，它们是蓝牙(bluetooth)、紫蜂 (zigbee)、无线宽带(wi-fi)。 这几种无线通信协议都是由国际电气与电子工程师协会 ieee(institute of electrical and electronics engineers)标准规定发布的。这些通信协议都具有强大的功能性、通用性、兼容性 以及成熟的技术支持和与之相配的解决方案，从而确保了电子企业合作创建在全球无线网络 市场可兼容的工作标准，这在一定程度上极大地推动了无线传感器网络的发展与进步。然而， 随着无线传感器网络的进一步发展，其应用已经涉及到日常生活中的各个领域，人们对无线 网络的应用需求越来越趋向小型化、智能化、低功耗、低成本的应用领域。在这些领域中， 基于国际标准的通信协议不断地暴露出了它们的缺点和局限性31。 第一，就其字面意义而言，标准必须是“通用性极强”的解决方案。但由于竞争对手也 会掌握相同的技术标准，所以很难使产品在竞争激烈的全球市场中实现差异化。 第二，基于国际标准的解决方案很少有机会实现足够的灵活性，例如，为了确保兼容性 杭州电子科技大学硕士学位论文 5 就需要大量的数据包开销，从而增加了数据传输时间和功耗，无线产品的功耗降低空间就极 其有限。 第三，在设计的开始阶段以及兼容性测试的时候，为了符合一定的标准，可能需要支付 一笔不小的费用，并且，在实施商用的阶段，现有的标准无线协议也可能要支付不菲的专利 费。例如 ti 的 zigbee2006 协议栈,之前的费用为 10 万元，freescale zigbee kit 则是给你免 费使用 3 个月，如果想继续使用则需购买，费用为 1200 美元；ember 的 zigbee 需要的费用 也在 1 万元左右。这些费用很大程度上增加了设计成本。 第四，基于标准的网络协议其功能相对而言较多而且复杂，这在一定程度上导致了开发 难度的提高和项目开发周期的延长。虽然各个不同公司推出了自己的不同版本的无线网络协 议栈，但开发人员若要熟悉掌握其协议栈并很好地进行再开发和利用，所要耗费的时间还是 挺长的。 针对现有无线网络协议存在的这些缺点和局限性，同时在参考现有无线传感器网络通信 协议的基础上，本文设计了一种面向智能照明应用的低成本、易开发、低功耗的无线传感器 网络协议swsn(simple wireless senor network)协议。基于此协议，用户可以快速建立起 的面向智能照明应用的无线传感器网络系统。 另一方面，现有大部分无线智能照明控制系统的控制范围受到空间上的限制。例如依靠 红外线技术或射频技术，用户只能通过配置一个专门的遥控器在家中控制各个照明设备的开 关或开启不同的功能模式，无法实现随时随地控制照明设备的目的。目前智能手机等移动终 端的快速普及，让用户在世界的任何一个角落随时控制照明设备成为可能。2012 年前三季度 全球智能手机出货量达 4.7 亿台， 同比增长超 46%。 高通 ceo 保罗雅各布， 在 2012 年 ces(国 际消费电子展)上公布，全球每天激活智能手机的数量多达 100 万部，几乎是每天新生儿数量 的两倍。按照他的预计，全球移动互联上网设备总量将在 2015 年达到 250 亿台，将会远远超 过全球人口总和。移动的触角使它不再仅仅是一个行业或技术平台，而是成为了人类的一部 分基因。android 系统仍然霸占智能手机市场第一的位置，智能手机终端控制家电成为迅速 受到人们的关注。 基于以上分析， 本文基于智能手机等移动终端和自主研发的无线传感器网络协议 swsn， 设计实现了一套移动智能照明控制系统。通过这一套系统，用户可以通过智能手机等移动终 端随时随地获取家庭内所有照明设备的工作状况，并对它们进行控制。本系统首先由智能网 关通过家庭内的近距离无线网络收集各个智能开关的状态，然后智能网关把收集的信息通过 2g/3g 网络或因特网发送到用户手机上；用户也可以通过手机