信号处理论文

1、 SHANGHAI UNIVERSITY课程论文COURSE PAPER学 院 机电工程与自动化学院 学 号 16721828学生姓名 石成章课程 信号处理基于ZigBee技术的智能照明系统设计石成章 16721828（上海大学 机自学院 控制工程）摘要：本文设计了基于ZigBee无线传感器网络技术的智能照明系统。该系统由若干智能灯光节点以自组网的形式组成，通过感知外部光强信息的变化情况，能够自适应的调节灯光节点的亮度，并可以通过PC上的数据中心对灯光节点进行智能控制。关键词：ZigBee技术；MSP430F2618单片机；Design of Intelligent Lighting Syst

2、em Based on ZigBee TechnologyShi Chengzhang 16721828Abstract:This paper designs an intelligent lighting system based on ZigBee wireless sensor network technology. The system is composed of several intelligent lighting nodes in the form of self-organizing network. By sensing the change of external li

3、ght intensity information, the system can adjust the brightness of the lighting node adaptively and can intelligently control the lighting nodes through the data center on the PC.Key words:ZigBee technology; MSP430F2618 microcontroller 1 背景介绍随着科技的飞速发展和生活水平的不断提高，人们对于家居生活的现代化、节能化和舒适化的需求越来越强烈，家庭自动化1的概念

4、也为人们所熟知。智能照明系统作为家庭自动化的应用之一，具有广阔的应用前景。传统的照明系统往往采用有线连接，具有布线麻烦、增减设备需要重新布线、系统可扩展性差、安装和维护成本高以及移动性能差等缺点2，且往往采用人工控制的方法或使用节能灯具来实现节能，不能根据室外光强自适应地调整灯具的发光亮度，从而达不到高效节能的目的。针对传统照明系统的不足，一方面可以考虑采用无线连接的形式取代传统的有线连接。ZigBee技术3作为新兴的近距离无线通信技术之一，具有近距离、低速率、低功耗、且极廉价的市场定位，非常适合在照明系统中应用;另一方面可以使用先进的微处理电子技术，对灯具的亮度变化进行自适应调节。当室外光强

5、较强时，室内灯具亮度自动调暗，室外光强较弱时，室内灯具亮度自动调亮，从而达到高效节能的目的。2 zigbee技术简介2.1 Zigbee技术ZigBee是基于IEEE 802. 15. 4的无线通信协议，它是一种短距离、低功耗协议，专用于小型设备如温度调节装置、照明控制器、镇流器、环境检测传感器与医疗设备等，其低功耗可使设备电池使用寿命达到6个月至2年。一个基于ZigBee的无线个域网(WPAN)能支持高达254个节点，外加一个全功能器件，即可实现双向通信。ZigBee技术的较低数据速率以及较小通信范围的特点决定了ZigBee技术适于承载数据量较小的业务。2. 2ZigBee协议结构ZigBe

6、e的协议结构如图2.1所示，它由高层应用规范、会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。 IEEE 802. 15. 4工作组主要负责制定物理层和MAC层的协议，其余协议主要参照和采用现有的标准。图2.1 ZigBee的协议机构2.3物理层IEEE 802. 15. 4定义了2. 4GHz和868 /915MHz两个物理层，它们基于直接序列扩频(DirectSequence Spread Spectrum，DSSS)数据包格式，两者的区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。ZigBee物理层分组结构如图2.2所示，其中前导码4 Byte，主要用于前导同步;分组定界1 Byte，标志分

7、组的开始;物理层头1 Byte，表示数据单元的长度;数据单元用于承载传输数据。图2.2 Zigbee物理层分组结构1) 2. 4 GHz频段。该频段为全球统一无需申请的ISM频段，有助于ZigBee设备的推广和生产成本的降低。该频段物理层通过采用高阶调制技术，可获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期，从而更省电。该频段(2. 42. 483 GHz)被划分为16个信道，数据传输速率为250 kb /s，码元速率为62. 5kbaud，采用16进制正交调制，并用码片长度为8的伪随机码直接扩频。2) 868 /915 MHz频段。为了避免干扰，欧洲还采用868MHz频段，美国采用915M

8、Hz频段作为ZigBee的工作频段。上述这些频段比较相近，对信号合成器的程序稍作改动，就可使用相似的硬件，从而降低生产成本。上述频段无线信号传播损耗较小，可降低对接收机灵敏度的要求获得较远的通信距离，即可用较少的设备覆盖较大的区域。915MHz频段(902928 MHz)被划分为10个信道，数据传输速率为20 kb /s；868 MHz频段(868. 3 MHz)有1个信道，数据传输速率为20kb /s，码元速率为20 kbuad。上述波段均采用了差分编码的二进制移相键控(BPSK)调制，用码片长度为15的M序列直接扩频。2.4MAC层IEEE802系列标准将数据链路层分成逻辑链路控制(Log

9、iocl Link Control，LLC)和媒介接入控制(Media Access Control， MAC)两个子层。其中，LLC子层在IEEE 802. 6中定义为IEEE 802标准系列共用，而MAC子层协议依赖于各自的物理层。IEEE 802. 15. 4的MAC层支持多种LLC标准，通过SSCS(Service Specific Convergence Sub-layer)业务相关会聚子层协议承载IEEE 802. 2类型的LLC标准，且允许其他LLC标准直接使用IEEE 802. 15. 4MAC层的服务。考虑ZigBeeMAC层的设计应尽可能地降低成本、易于实现、数据传输可靠、

10、短距离操作以及低功耗，因此采用了简单灵活的协议，其帧有4种类型:数据帧、标志帧、命令帧和确认帧，其一般结构如图2.3所示。图2.3 ZigBee帧结构ZigBee采用载波侦听多址/冲突(CSMA /CD)的信道接入方式和完全握手协议，其数据传输方式如图2.4所示。图2.4 ZigBee数据传输方式2.5ZigBee的网络拓扑结构ZigBee支持3种通信设备的网络拓扑，即Star、Mesh和ClusterTree。其中，Star(星形)网络是一种常用且适用于长期运行使用操作的网络;Mesh网络是一种高可靠性检测网络，它通过无线网络连接可提供多个数据通信通道，即它是一个高级别的冗余性网络，一旦设备

11、数据通信发生故障，则存在另一个路径可供数据通信;ClusterTree网络是Star /Mesh的混合型拓扑结构，结合了上述两种拓扑结构的优点。以下介绍基于Mesh的ZigBee组网技术(见图2.5)。图2. 5基于Mesh的ZigBee组网由图5可知，在Mesh网络中有3种类型的ZigBee设备:1) 简化功能器件(Reduced Function De-vice，RFD)。RFD在Mesh网络中作为源节点，只发送与接收信号，并不起转发器/路由器的作用。2) 全功能器件(Full Function Device，FFD)。在Mesh网络中，FFD是具有转发与路由能力的节点。如FFD的信息传输

12、路由失效或脱离网络，则将有另一个邻近的FFD节点快速地承担起数据传送至目的地的作用。因此， ZigBeeMesh是自构或自愈型网络，其节点间是完全握手方式，使得信号可准确及成功地到达适当的目的地。3) 网络主机或网关。ZigBee还支持第3种节点，即网络主机或网关节点，起到与外部系统接口或协调与其他Mesh网络的路由作用。由图5可以看出，一个信号由左上角的RFD产生，路经4个FFD，最终达到Gateway网关。图中的细线表示还有可能的信号传输路径。3 设计方案3.1系统总体方案智能照明系统由数据中心、接入节点、路由节点和终状的无线传感器网络，其中接入节点通过串口与PC相连，在网络中起协调器的作

13、用，上电后自动建立网络，路由和终端节点可自由加入网络。端节点4部分组成，如图3.1所示。所有的节点组成一个网络。图3.1系统结构模型图在网络构建完成后，各节点通过ZigBee技术相互通信，数据中心可通过接入节点向网络中的路由节点或终端节点发送控制命令，路由节点或终端节点也可以多跳路由的形式将监测数据传送给接入节点，再通过串口转发给数据中心。3.2系统硬件设计3.2.1微控制器选择目前单片机微处理器种类繁多，且不断向低成本、低功耗方向发展4。MSP430系列单片机作为TI公司推出的超低功耗产品，非常适合在无线传感器网络中使用5。MSP430F2618作为TI公司近期的一款产品，与以前的产品相比，

14、CPU时钟提高到16MHz，待机电流降低到1A，从待机模式唤醒的响应时间减少为1s，Falsh容量增加到116KB，可在不外扩存储单元的同时，提高单片机性能。在超低功耗方面:休眠模式增加到5种，可通过更加灵活的调整休眠模式，降低功耗，最低耗电可达0.1A。综上，选择MSP430F2618单片机作为本设计的MCU。3.2.2射频芯片选择IEEE 802.15.4标准目前支持的芯片有飞思卡尔公司的MC 13192、Ember公司的EM 2420以及TI公司的CC 2420和CC 2520等6。CC 2520是TI公司为ZigBee低功耗无线应用推出的第2代2.4GHz射频芯片，与其他几款芯片相比，

15、具有工作电压范围最大、休眠电流最小、接收灵敏度最高、封装尺寸最小等优点。虽然发射/接收电流相对CC 2420较高，但其休眠电流远低于CC 2420，而节点通常为低占空比工作模式，休眠电流对节点的功耗影响更为明显，因此，本设计选择CC 2520射频芯片。3.2.3光控模块设计光控电路原理图如图3.2所示。光强二极管、单片机由电池供电，白炽灯由市电供电。首先光敏二极管S1087将光强信号转化为电流值，电流通过负载电阻转化为电压值传送给MSP430F2618的A/D转换器，单片机将采集到的数字信号与寄存器设定值进行比较，比阈值小则说明外界光强较弱，需增加白炽灯的发光亮度;反之，需降低白炽灯的发光亮度

16、。灯光亮度的控制通过交流电过零检测7来实现，单片机的引脚PTA 0用于过零点的采集，PTA 1引脚用来控制三端双向可控硅开关元件的开启。图3.2光控电路原理图3.2.4硬件平台设计根据所设计的MSP430F2618微处理器模块、CC 2520射频通信模块和光控模块等硬件单元，得到节点硬件平台的总体结构如图3.3所示。其中，微处理器单元利用串口实现与PC通信，并通过SPI与射频模块进行通信，射频模块通过天线收发信息，整个电路由电源模块负责供电。图3.3节点结构框图3.3系统软件设计3.3.1Z-Stack介绍ZStack-2.1.0-1.3.0是TI公司推出的在业界具有领先水平的免费商业化协议栈

17、，它符合ZigBee2007协议规范要求，支持TI公司的低功耗微处理器MSP430F2618及新一代射频芯片CC 2520组成的开发平台。协议栈以半开源的形式开放，虽然开放下载的协议栈是以库的形式体现，但是提供全功能的API函数集，底层驱动可根据实际需求进行修改，具有较好的灵活性。3.3.2接入节点软件设计接入节点是与PC上的数据中心进行交互的节点，在WSN中起协调器的作用，其工作流程如图3.4所示。上电初始化完成后，协调器构建一个网络并允许其他节点的加入，接着对无线信号进行轮询检测。若接收到节点入网申请，则允许其加入网络并分配网络地址;若接收到上传数据，则将数据转发到数据中心;若接收到数据中

18、心命令，则对命令进行解析后执行相应操作。图3.4接入节点工作流程3.3.3路由节点软件设计路由节点主要负责网络中数据的转发，同时兼具终端节点的功能，其工作流程如图3.5所示。图3.5路由节点工作流程路由节点加入网络后，对无线信号进行轮询检测。若接收到上传数据，且此数据为拓扑更新数据，则在数据中加入自己的拓扑信息再继续上传，否则，直接将数据上传;若接收到发给自己的命令，则响应该命令;若接收到发给其他节点的数据，则进行转发。3.3.4终端节点软件设计终端节点主要负责网络中数据的采集与发送，其工作流程如图3.6所示。终端节点加入网络后，周期性的向接入节点发送采集的光强、温度、拓扑等信息，若收到数据中

19、心的时间同步、测量周期设定或开/关灯等控制命令，则执行相应操作。图3.6终端节点工作流程3.3.5数据中心设计数据中心是在PC上设计的用户操作界面，采用CVI软件对其进行编程设计。数据中心的主要功能是接收并显示WSN的监测数据、实时显示网络拓扑结构、发送时间同步和灯光控制等命令以及提供历史数据的存储和查询。3.4系统测试在室内布置了一个简单的演示系统，系统中包括1台PC(安装数据中心)、1个可调光台灯、1个接入节点、1个路由节点和2个终端节点。所有的节点组成一个网状的WSN，网络拓扑情况如图3.7所示，若关闭路由节点，与其连接的终端节点将直接与接入节点连接。鼠标放在数据中心显示不同节点的图标上，会自动显示相应节点的温度、电压、周围坏境的光强及开/关灯控制按钮，此时点击开灯按钮，节点上的白炽灯被点亮。接下来用可调光台灯模拟外界光强变化的情况，台灯的亮度逐渐增强，白炽灯的亮度相应减弱，直至熄灭，当关闭台灯后，白炽灯的亮度恢复正常。节点监测的温度、电压及光强信息的动态曲线如图3.8所示。图3.7 网络拓扑结构图图3.8 监控信息动态曲线图4总结传统照明系统具有布线麻烦、可扩展性差、节能效率低等缺点。本文设计的智能照明系统通过采用ZigBee无线传感器网络技术，实现了灯光的无