基于Zigbee的无线遥控台灯82069.doc

课程设计报告 题 目 基于 ZigBee 的无线遥控台灯 学生姓名 学生学号 系 别 专 业 年 级 任课教师 电气信息工程学院制 2014 年 3 月 成绩成绩 摘要摘要 本文提出了一套采用无线通信协议 ZigBee 的智能路遥控台灯系统的设计方 案 该系统的方案利用 ZigBee 无线通信技术实现主控系统对终端台灯的实时控 制 具有遥控台灯开关的功能 模拟试验表明 本方案中所设计的系统操作简 单 节能效果好 ZigBee 是基于 IEEE802 15 4 标准的低功耗个域网协议 根据这个协议规 定的技术是一种短距离 低功耗的无线通信技术 这一名称来源于蜜蜂的八字 舞 由于蜜蜂 bee 是靠飞翔和 嗡嗡 zig 地抖动翅膀的 舞蹈 来与同伴 传递花粉所在方位信息 也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网 络 其特点是近距离 低复杂度 自组织 低功耗 高数据速率 主要适合用 于自动控制和远程控制领域 可以嵌入各种设备 简而言之 ZigBee 就是一种 便宜的 低功耗的近距离无线组网通讯技术 关键词关键词 遥控台灯 Zigbee 低功耗 继电器 淮南师范学院电气信息工程学院 2015 届电子信息工程专业课程设计 目录目录 1 课题任务 1 2 方案设计 1 2 1 设计要求 1 2 2 总体方案的设计 1 3 硬件电路设计 2 3 1 元器件及原理介绍 2 3 2 单元电路设计 5 3 2 1 CC2530 核心板电路 5 3 2 2 按键电路 5 3 2 3 继电器模块电路 6 4 软件设计 6 4 1 系统程序设计 6 4 2 主程序流程图 7 5 制作与调试 7 6 总结及体会 8 参考文献 8 附录 9 附录一 程序 9 附录二 元器件清单 16 附录三 实物图片 16 淮南师范学院电气信息工程学院 2015 届电子信息工程专业课程设计 第 1 页 基于基于 Zigbee 的无线遥控台灯的无线遥控台灯 学生 陈叶山 指导教师 王宜结 电气信息工程学院 电子信息工程专业 1 1 课题任务课题任务 人们可以通过手中的 Zigbee 无线传感器模块实时遥控台灯的开关 方便 快捷 避免浪费电能 大大节约了大量电能 2 2 方案设计方案设计 2 12 1 设计要求设计要求 1 通过人们手中的便携式无线传感器的发射模块的按键选择发出相应的 对台灯的控制信号 2 利用无线传感器的接收模块来接收发射模块的控制信号并作出相应的 处理 即在 Zigbee 的相应引脚产生高低电平来驱动继电器的开关 3 凭借继电器的开关来控制台灯供电电路的通断 从而很好的控制台灯 的亮灭 2 2 2 2 总体方案的设计总体方案的设计 系统分为发射模块 按键控制模块 接收模块 继电器模块 台灯模块等 发射模块采用 Zigbee 无线传感器模块 其 MCU 采用 CC2530 芯片 按键模块用 2 个按键 用于进行控制操作和复位 与发射模块相同 接收模块模块同样采 用 Zigbee 无线传感器模块 继电器模块采用的是松乐继电器 SRD 05VDC SL C 利用接收模块 MCU 的 P1 0 引脚驱动 驱动电路采用典型的三极管驱动电路 通过控制继电器的吸合来控制台灯供电电路的通断 淮南师范学院电气信息工程学院 2015 届电子信息工程专业课程设计 第 2 页 Zigbee发射 模块 Zigbee接收 模块 继电器模块台灯 驱 动 开 关 图图 1 1 系统模块图系统模块图 3 3 硬件电路设计硬件电路设计 3 13 1 元器件及原理元器件及原理介绍介绍 1 CC2530 芯片 CC2530 是用 2 4 GHzIEEE 802 15 4 ZigBee 和 RF4CE 应用的一个真正的 片上系统 SoC 解决方案 它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节 点 CC2530 结合了领先的 RF 收发器的优良性能 业界标准的增强型 8051 CPU 系统内可编程闪存 8 KB RAM 和许多其它强大的功能 CC2530 有四种不 同的闪存版本 CC2530F32 64 128 256 分别具有 32 64 128 256KB 的闪存 CC2530 具有不同的运行模式 使得它尤其适应超低功耗要求的系统 运行模式 之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗 CC2530F256 结合了德州仪器的业界领先的黄金单元 ZigBee 协议栈 Z Stack 提供了一个强大和完整的 ZigBee 解决方案 CC2530F64 结合了德州仪器的黄金单元 RemoTI 更好地提供了一个强大和 完整的 ZigBee RF4CE 远程控制解决方案 2 Zigbee 技术及其特点 1 技术简介 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 淮南师范学院电气信息工程学院 2015 届电子信息工程专业课程设计 第 3 页 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 统称为 ZigBee 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 与移动通信的 CDMA 网或 GSM 网不同的是 ZigBee 网络主要是为工业现场自 动化控制数据传输而建立 因而 它必须具有简单 使用方便 工作可靠 价 格低的特点 而移动通信网主要是为语音通信而建立 每个基站价值一般都在 百万元人民币以上 而每个 ZigBee 基站 却不到 1000 元人民币 每个 ZigBee 网络节点不仅本身可以作为监控对象 例如其所连接的传感器直接进行 数据采集和监控 还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料 除此之外 每一个 ZigBee 网络节点 FFD 还可在自己信号覆盖的范围内 和多个不承担网 络信息中转任务的孤立的子节点 RFD 无线连接 2 技术特点 ZigBee 是一种无线连接 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 作 为一种无线通信技术 ZigBee 具有如下特点 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 5 2 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 淮南师范学院电气信息工程学院 2015 届电子信息工程专业课程设计 第 4 页 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 3 继电器模块 继电器是一种电子控制器件 它具有控制系统 又称输入回路 和被控制 系统 又称输出回路 通常应用于自动控制电路中 它实际上是用较小的电 流去控制较大电流的一种 自动开关 故在电路中起着自动调节 安全保护 转换电路等作用 在大多数的情况下 继电器就是一个电磁铁 这个电磁铁的 衔铁可以闭合或断开一个或数个接触点 当电磁铁的绕组中有电流通过时 衔 铁被电磁铁吸引 因而就改变了触点的状态 继电器一般可以分为电磁式继电 器 热敏干簧继电器 固态继电器等 电磁式继电器一般由铁芯 线圈 衔铁 触点簧片等组成的 只要在线圈两端加上一定的电压 线圈中就会流过一定的 电流 从而产生电磁效应 衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉 力吸向铁芯 从而带动衔铁的动触点与静触点 常开触点 吸合 当线圈断电 后 电磁的吸力也随之消失 衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置 使 动触点与原来的静触点 常闭触点 吸合 这样吸合 释放 从而达到了在电 路中的导通 切断的目的 对于继电器的 常开 常闭 触点 可以这样来区 分 继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点 称为 常开触点 处于接 通状态的静触点称为 常闭触点 淮南师范学院电气信息工程学院 2015 届电子信息工程专业课程设计 第 5 页 在单片机系统中继电器的控制一般通过一个三极管来驱动 典型的驱动电 路如图 1 所示 图图 1 1 继电器的一般驱动电路继电器的一般驱动电路 继电器电路中一般都要在继电器的线圈两头加一个二极管以吸收继电器线 圈断电时产生的反电势 防止干扰 上图中 AB 为常开触点 AC 为常闭触点 图 a 中当控制信号为高电平时 继电器常开触点吸合 AB 导通 当控制 信号为低电平时 继电器常开触点断开常闭触点吸合 AC 导通 在图 b 中控制信号极性正好与图 a 相反 本设计就是采用这个电路 3 23 2 单元电路设计单元电路设计 3 2 1 CC2530 核心板电路 淮南师范学院电气信息工程学院 2015 届电子信息工程专业课程设计 第 6 页 图图 2 2 CC2530CC2530 核心板电路核心板电路 3 2 2 按键电路 如下图 2 个独立式按键 RESET S1 分别接在 RST 和 P0 4 口 另外一端接地 当有一键按下时相应的口线的电平发生变化 单片机进行扫描确定哪个键按下 然后进行相应的事件处理 图图 3 3 按键电路按键电路 3 2 3 继电器模块电路 淮南师范学院电气信息工程学院 2015 届电子信息工程专业课程设计 第 7 页 图图 4 4 继电器模块电路继电器模块电路 4 4 软件设计软件设计 4 14 1 系统程序设计系统程序设计 在系统工作过程中 首先开启两个 Zigbee 无线传感器模块的电源 然后按 下发射模块的 S1 键即可对发出相应的控制信号 例如按 1 次 S1 表示关闭台灯 按两次 S1 表示开启台灯 如此往复循环 4 24 2 主程序流程图主程序流程图 主程序流程图如下 淮南师范学院电气信息工程学院 2015 届电子信息工程专业课程设计 第 8 页 主程序开始 Zigbee发射模块 是 Zigbee接收模块 计算发射模块 按键次数 按键次数为奇数 否 开启台灯 是 关闭台灯 结束 图图 5 5 主程序流程图主程序流程图 5 5 制作与调试制作与调试 在焊接过程中 因为在以前也有过多次焊接的训练 因此在焊接过程中没 有太多的问题 焊接结束是 电路板没有问题 程序在 IAR 编译成功后 把程 序烧写进芯片中 进行演示 演示结果正确 6 6 总结及体会总结及体会 为期一个多月的课程设计就落下了帷幕 在这一个多月的的实训中 不仅 检验了我对所学知识的掌握程度 也培养了我如何去把握一件事情 如何去做 淮南师范学院电气信息工程学院 2015 届电子信息工程专业课程设计 第 9 页 一件事情 又如何去完成一件事情 通过这次的设计 让我对 Zigbee 无线传感 器有了很多的了解 让我在多方面都有了一定的提高 通过这次设计 综合运 用本专业所学习的课程的理论 设计工作的实际训练从而提高我们的独立的工 作能力 巩固我们所学的知识 提高了我们的独立思考能力 在设计的过程中 我遇上了许多的问题 但是我没有放弃 在不明白的地方 及时的查阅材料 问老师 问同学 顺利地编写程序 仿真 焊接 调试 参考文献参考文献 1 任丰原 黄海宁 林闯 无线传感器网络 J 软件学报 2003 14 7 2 IAR Embedded Workbench 8051 Help OL 3 SmartRF Flash Programmer User Manual OL 4 CC2530 Data Sheet OL 5 谭浩强 C 语言程序设计 M 北京 清华大学出版社 1999 6 高守玮 吴灿阳 Zigbee 技术实践教程 M 北京 北京航空航天大学出版 社 2009 6 7 李文仲 段朝玉等 Zigbee 无线网络技术入门与实战 M 北京 北京航空 航天大学出版社 2007 8 杜丽敏 郭文成 ZigBee 技术在远程抄表系统中的应用 J 单片机与嵌入 式系统 2006 7 9 赵景宏 李英凡 许纯信 ZigBee 技术简介 J 电力系统通信 2006 27 165 10 周游 方滨 王普 基于 ZigBee 技术的智能家居无线网络系统 J 电子技 术应用 2005 5 附录 附录 附录一附录一 程序程序 1 发射模块主程序如下 include include include include 淮南师范学院电气信息工程学院 2015 届电子信息工程专业课程设计 第 10 页 include include include hal mcu h include hal button h include hal rf h include util lcd h include basic rf h CONSTANTS Application parameters define RF CHANNEL 25 2 4 GHz RF channel BasicRF address definitions define PAN ID 0 x2007 define SWITCH ADDR 0 x2520 define LIGHT ADDR 0 xBEEF define APP PAYLOAD LENGTH 1 define LIGHT TOGGLE CMD 0 Application states define IDLE 0 define SEND CMD 1 Application role define NONE 0 define SWITCH 1 define LIGHT 2 define APP MODES 2 LOCAL VARIABLES 淮南师范学院电气信息工程学院 2015 届电子信息工程专业课程设计 第 11 页 static uint8 pTxData APP PAYLOAD LENGTH static uint8 pRxData APP PAYLOAD LENGTH static basicRfCfg t basicRfConfig Mode menu static menuItem t pMenuItems ifdef ASSY EXP4618 CC2420 Using Softbaugh 7 seg display L S SWITCH LIGHT LIGHT else SRF04EB and SRF05EB Switch SWITCH Light LIGHT endif static menu t pMenu pMenuItems N ITEMS pMenuItems ifdef SECURITY CCM Security key static uint8 key 0 xc0 0 xc1 0 xc2 0 xc3 0 xc4 0 xc5 0 xc6 0 xc7 0 xc8 0 xc9 0 xca 0 xcb 0 xcc 0 xcd 0 xce 0 xcf endif static void appLight 淮南师范学院电气信息工程学院 2015 届电子信息工程专业课程设计 第 12 页 halLcdWriteLine HAL LCD LINE 1 W e B e e halLcdWriteLine HAL LCD LINE 2 ZigBee CC2530 halLcdWriteLine HAL LCD LINE 4 LIGHT ifdef ASSY EXP4618 CC2420 halLcdClearLine 1 halLcdWriteSymbol HAL LCD SYMBOL RX 1 endif Initialize BasicRF basicRfConfig myAddr LIGHT ADDR if basicRfInit basicRfReceiveOn Main loop while TRUE while basicRfPacketIsReady if basicRfReceive pRxData APP PAYLOAD LENGTH NULL 0 if pRxData 0 LIGHT TOGGLE CMD halLedToggle 1 static void appSwitch halLcdWriteLine HAL LCD LINE 1 W e B e e halLcdWriteLine HAL LCD LINE 2 ZigBee CC2530 淮南师范学院电气信息工程学院 2015 届电子信息工程专业课程设计 第 13 页 halLcdWriteLine HAL LCD LINE 4 SWITCH ifdef ASSY EXP4618 CC2420 halLcdClearLine 1 halLcdWriteSymbol HAL LCD SYMBOL TX 1 endif Initialize BasicRF basicRfConfig myAddr SWITCH ADDR if basicRfInit pTxData 0 LIGHT TOGGLE CMD Keep Receiver off when not needed to save power basicRfReceiveOff Main loop while TRUE if halButtonPushed HAL BUTTON 1 by boo basicRfSendPacket LIGHT ADDR pTxData APP PAYLOAD LENGTH Put MCU to sleep It will wake up on joystick interrupt halIntOff halMcuSetLowPowerMode HAL MCU LPM 3 Will turn on global interrupt enable halIntOn 淮南师范学院电气信息工程学院 2015 届电子信息工程专业课程设计 第 14 页 void main void uint8 appMode NONE Config basicRF basicRfConfig panId PAN ID basicRfConfig channel RF CHANNEL basicRfConfig ackRequest TRUE ifdef SECURITY CCM basicRfConfig securityKey key endif Initalise board peripherals halBoardInit halJoystickInit Initalise hal rf if halRfInit FAILED HAL ASSERT FALSE Indicate that device is powered halLedSet 2 关闭 LE