基于物联网的家居照明控制系统

第1章绪论1.1课题研究背景随着物联网技术的飞速发展和国家经济的不断发展，不断提高是人们的生活的质量，加快了人们的生活节奏。在信息世界里，在改变人们的生生活居住方式和工作习性的同时，它也挑战了过去的照明控制系统。从简单的物理意义上来说，自然光和传统光的结合不在适用于生活的空间，而更多的是舒适、方便、便捷、便宜的生活居住环境。完备的信息终端再与之结合、通讯设备的先进、便捷化和智慧化的家庭电器，使之改变的更加的方便与舒适便捷。这种现代的家庭照明设计观念已形成了快捷、省时和智慧的发展趋势。消费者强烈需求拥有高度智能的照明设备。同时，科学技术带动了飞速发展，这一需求的实现不再是遥不可及。因为物联网和电子技术的发展，智能家居的电子电气和物联网产品也随之而生，智能照明系统成为了人们的关注点，因为它可以带来便利对人们来说，趋势所向让智能家居的发展成为必然。物联网的出现大大地改善加强了智能家居照明系统。家居照明的发展改变的不仅仅是家具和家用电器等产品的功能，它改变的是传统大众的居家生活方式。基于以上种种考虑，本论文设计出基于物联网的家居照明控制系统。1.2研究目的和意义在控制灯光领域中，提供亮度的简单功能使人们不再满足，而是灵活的控制方法去面对系统控制。显然，传统控制系统不再满足现代控制需求。怎么样去节约能源，提高照明提升控制系统的有效控制水平是目前待解决的问题。当前，在能量控制领域，能量效率低的问题是一个普遍的问题。特别是在一小天早晨之后，照明需求非常低，可以适当控制相应的照明以防止能量损失。过去，灯光是通过手动控制来控制的。然而，由于相对分散的控制功能和传统照明控制方法的管理不善，这导致浪费劳动，每小时运行以及关闭路灯的错误时间。人为因素对以灵活高效的方式进行控制和管理具有很大的影响。为了解决传统照明控制系统固有的问题，基于Zigbee的无线网络技术正在兴起。基于物联网的家庭室内照明系统的控制可以提高照明质量。促进可持续发展，促进服务和管理并取得效果。它包括控制人们的照明，根据人们的照明的行为和含义管理想法以及创建艺术，舒适和时尚的环境的想法。这适用于智能建筑系统以及智能家居。家居照明控制系统也可以独立运行以实现智能家居控制。同时，它扩展了通信和功能功能，可以将智能照明系统用于住宅作为家庭子系统，还包括家庭自动化，电视，多媒体，感应和传感器等家庭自动化系统，智能家居系统正在开发中。Zigbee无线智能照明系统系统由一个无线照明设备组成，该设备接收管道中安装的信号。每个Zigbee卡功能均具有集成的无线发射器功能。

照明单元由印刷电路板的天线模块和各个传感器模块所组成。

印刷电路板上的天线模块和CC2530的无线发射器负责与其他节点进行无线通信。CC2530模块负责接收和处理其他节点发送的数据以及发送到照明设备的数据。控制面板模块负责控制照明模块执行诸如打开和关闭灯之类的功能。本设计还针对家居的特殊环境进行了具体的设计，例如室内温度，湿度，通风条件，都做了相应的实地调查，旨在最好的呈现出预期效果。1.3国内外研究现状据统计，在2018，LED灯的普及率约31%，到2020，LED灯的渗透率估计在49%左右，约726亿美元的产值，已经与传统的照明大致相同，其中照明产值的电量估计约为95亿美元，有相当大的涨幅空间，而现在的灯泡基本还是分为高压钠灯和LED灯泡为主，来讲技术层面的话，LED灯泡与高压钠灯相比，有更好的效率、照明度，LED可以达到100m/W以上，而高压钠灯最多就只能达到60-70m/W。照明一直是城市电力的主要消耗者。在照明要求降低的可能性下如何节约能源和保护环境是一直需要解决的问题。当前，越来越多的城市正在使用LED代替传统的灯具来解决这个问题。但是，随着城市的指数级增长，越来越多的灯光将无法得到重大解决，可以解决该问题以实现二次节能灯的能量。LED支持调光功能，智能照明控制系统可以根据天气，天气条件或其他需求调节灯光的亮度并对其进行控制，并且还可以提供简单的照明控制控制和管理。减少很多灯泡，可以节省更多能源。根据调查，与原始节能技术相比，更智能的家庭照明控制系统可节省10％到20％的能源。现在全世界大约有3.5亿路灯遍布。智能照明则是智能城市的第一步。无线智能路灯网络可以运用在城市的各个方面，运营者可以添加智能城市应用,如空气质量监测、智能交通信号灯，实时能源需求响应，智能水和燃气计量电动汽车充电和智能停车。1.4课题研究内容基于物联网的家居照明控制系统通过无线网络通信实现照明智能控制，同时利用温湿度传感器及光敏电阻进行家居室内的信息采集，对于网络连接方面，采用无线连接的是协调器进行和终端节点相连接，然后随之通过ZigBee协调器将数据信息采集到后发送给电脑上位机，发出信号由上位机完成，并在上位机显示出各个模块的运行状态，以达到对家居照明的控制监测。基本研究内容如下：采用光敏电阻对光照强度的采集，并且传输到ZigBee节点，完成对物理参数的采集。利用温湿度传感器及空气质量传感器进行信息采集，呈现温湿度趋势图，可以有效的分析并配合已有模拟数据结果进行调控。终端节点与协调器进行无线连接问题。需要考虑到不同信道分布情况，及继电器的控制配合。在电脑上位机显示各个模块的运行状态，需要做到可控状态，及接口控制方面的问题，支持继电器控制，开或者关。

第2章总体方案设计对于一个完整的系统来说，如何根据需求及成本的因素来选择最合适的部件是很重要的。合理的选择方案会让系统的开发起到事半功倍的效果，所以本章着重介绍选择哪些模块会被本系统采用，减轻主控制器负载，提高运行效率。2.1系统分析2.1.1系统设计思路本系统主要可以完成对家居照明进行更人性化的控制，通过人体红外传感器来检测室内是否有人，有人开启灯光，无人灯光延时一分钟熄灭，对温湿度、烟雾实时监测，以及通过在上位机实现对照明的开闭控制的功能。光敏电阻模块主要是采集家中的实时光照强度，而ZigBee节点则是将光敏电阻收集的信息做一次中转，最终汇集到协调器中，此时协调器起到一个桥梁的作用，负责将物理信息传递给信息处理中心（上位机），待到处理完信息之后发出相应的指令，又通过ZigBee协调器分发给对应的ZigBee节点。上本着节能高效、人性化的设计原则，系统特别采用ZigBee模块来作为无线通信的载体，因为ZigBee有着低复杂度、超远的距离、自组网、高的可靠性、低速率、低成本的特点，使得本系统在通信方式上最大可能的保证节能高效的原则。2.1.2可行性方案的设计可行性方案的主旨是要求根据具体要求以全面的、系统的分析为重要方法，以最大化经济效益为核心，各种项目的需求对于该实验，运用并解读翻阅大量的数据资料来拟证并拟建项目是否具有可行性。本系统计划采用CC2530模块控制器作为该系统的核心，采用无线通信技术对家居照明进行控制和室内节点信息进行采集，并将采集到的数据发送到主控制器中，系统能够利用上位机做出总体控制，例如开启照明、查看室内温湿度趋势图、开风扇通风装置等操作。2.2无线通信方案选择近年来，人们使用最广泛大众的信息通信领域是无线通信技术。实现的无线通信通常也称为移动通信，人们将两者统都称为无线通信。现在市场上应用比较广泛的近距离无线通信设备具体有ZigBee、蓝牙、Wi-Fi；无线通信方式对于远距离来讲的有GSM、CDMA等方式。下面将详细介绍一下几种模块之间的区别，然后根据各自的优缺点、适用这个系统的无线通信的方案。2.2.1ZigBee技术基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议为ZigBee。利用Zigbee协议可以是一个非有线数据网络传输，最多可以包含60000个模块无线数据传输对于该网络。在传输无线网络中，根据Zigee协议中的通讯协议，可以相互通信对每个传输模块之间。还可以使用点播和组播的协议，进行加密对一部分传输模块，保证数据仅传输到特定的地址模块上，功能十分强大。Zigbee拥有廉价的成本，功能多完备全面，课题研究的需求十分符合。同时，ZigBee在物联网领域具有很强的适用性。因为作为一种短距离的无线通信技术，它可以方便地为使用者提供数据传输的功能。2.2.2蓝牙技术蓝牙频段为2400-2483.5MHz（包括保护频段）。

蓝牙通讯连接距离比较短，一般在1~10米之间，这也限制了蓝牙在运用于较远距离环境的使用；同时相较于ZigBee的功耗，蓝牙的能量消耗还是较大的。蓝牙技术目前在市场上是相对应用较多的，而且功能比较丰富，是一种较为安全的无线标准。现在人们手中的手机、耳机、以及许多硬件电子设备，例如笔记本电脑，都使用蓝牙进行通信。蓝牙技术如此受欢迎的原因是蓝牙技术的使用是免费的。除了硬件费用之外，生产厂商以及用户不需要为使用蓝牙技术支付任何费用，而且蓝牙通信技术适用于全球自由频段，全球2.4GHzISM频段。蓝牙通信可用于无线设备之间的点对点和点对多点通信信。数据传送速率为1Mb/秒。2.2.3WiFi技术串行Wi-Fi模块也叫Wi-Fi模块，它的功能是将串行或TTL电平转换为符合Wi-Fi无线网络通信标准的嵌入式硬件模块。传统的无线智能家居是通过使用硬件设备中的嵌入式Wi-Fi模块通过Wi-Fi直接连接到局域网来实现的。在无线局域网类别中，无线网络指的是“无线兼容性认证”。从本质上讲，它是一种商业认证，以及无线联网技术。它通过网络电缆，然后连接到计算机上，而Wi-Fi又通过无线电波紧接着网络被连接。无线路由器则比较常见，然后在有效无线覆盖范围内，非有线路由器可以使用Wi-Fi连接到网络上。如果无线路由器连接到ADSL线路，则可以叫他无线热点。在大范围内使用无线通信时必须考虑的一个问题是功耗。Wi-Fi模块的能量消耗太大，并且由于节点数量的限制，Wi-Fi无法形成相对较大的无线通信网络。更加灵活的Wi-Fi通讯方式使设备与设备之间能够直接进行通信，在数据协调节点的协调下进行通信。Wi-Fi的RF和基带协议难以使用，Wi-Fi硬件实施需要大量存储空间。2.2.4红外线数据通信红外光点对点传输数据是红外通信技术是一种通过的技术。支持该技术的条件已经相对成熟，并应用于小型可以方便移动的设备上。该器件小，耗能低，方便连接，使用方法也很简单，而且移动通信的成本也低。由于红外光是沿直线传输的，因此很容易被遮挡，并且通讯距离短，大约一米到三米。必须在可控的范围内包含的光路收发器，点对点通信是红外线数据仅支持的。

因此，该技术少用在无线网络设计中。2.2.5常见短距离无线通信比较目前，绝大多数的通信方式有Wifi，蓝牙，ZigBee等。与无线数据传输技术相比，差异主要体现如表2-1所示。表2-1常见短距离无线通信比较规范工作频率传输速率传输方式连接设备数覆盖范围ZigBee2.4GHz/868/915MHz10kbps-250Kbps点到多点255-6553510-75米红外820nm9600bps，115.2Kbps，1.15Mbps，4Mbps点到点20-4米蓝牙2.4GHz2Mbps点到多点70-10米RFID5.8GHz0.212Mbps点到点20-0.1米从以上四种无线通信技术中，基于传输方法，速率传输，工作频率，连接设备数量和覆盖范围的比较。可以看出ZigBee的灵活性、功耗特别低的近距离十分适合无线自组网通信技术作为本系统的无线通信解决方案，所以本系统采用ZigBee模块作为无线通信模块。2.3系统硬件选型本系统主要是对室内家居照明的环境进行检测与控制，而想要得到需要的数据的信息，需要传感器进行信息的采集。传感器是完成系统采集与重要的控制转变，是重要组成部分对于系统采集与控制而言，如果这各过程中传感器不能够准确的采集数据，那么所有监测任务和自动化控制功能都将不能实现，在工业化的生产与制作过程中，自动化检测及控制检测方面主要通过各类型的传感器来检测，并且通过传感器检测来的数据信息，使设备和系统运行到最佳状态，有效的改善环境带来的不良影响，从而保证生产的高效率和高质量。本系统采集的数据主要为光敏电阻、人体红外传感器、湿度、温度以及室内空气质量，针对这些数据的采集，如何选取传感器就显得尤为重要，以下将对如何选取器件进行论证。2.3.1CPU的选择主控制芯片的选择处理器模块使用CC2530。

CC2530是一款真正的片上系统，符合IEEE802.15.4，并容纳特有的IEEE802.15.4协议和ZigBee，ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE标准。CC2530包含了2.4GHz无线射频器，行业增强标准的8051

MCU，最大256KB的可编程FLASH，RAM内存为8KB，并提供了很大大型的设计端口（包含2个USART，ADC是12位和

GPIO为21个通用的）。与此同时，CC2530模块还配套TI公司的标准和网络协议专有堆栈以开发简化，4.5dBm为其RF发射输出功率。2.3.2无线传感器的选择本文主要从对芯片选择及其环境开发的熟悉程度，系统的集成成度等方面进行综合考虑来选择硬件平台方案。结合各系列ZigBee芯片价格、功能、功耗考虑，本文设计的基于ZigBee的照明智能控制系统采用TI公司生产的CC2530芯片，另外，CC2530性能的高端卓越也是本系统硬件选择的重要原因。CC2530的性能如下：（1）电压范围大（2.7～6.0V）；（2）性能高，微控制器51内核功率功耗低；

（3）睡眠模式下的电流消耗仅为0.8μ，待机状态下的电流消耗小于0.5μ；

在收到数据和传输数据时；

（4）在该模式下，电流损耗全部低于27mA；

（5）IEEE

802.15.4符合标准的无线电收发器为2.4GHz；

（6）无线接收灵敏度范围优秀和强大的抗外界干扰；

（7）具有无电监控和温度感应功能；具有强大USART，以及一个传统的计时器是16位；编译工具强大而稳定。以上平台的硬件对于ZigBee技术的应用都是合适的。本文主要从选择芯片及其软件的编译开发环境、集成度系统，以及芯片的成本来选择硬件平台。结合系列ZigBee芯片的价格，性能比，功能，功耗等一系列参数，CC2530处理器符合本次设计的要求。2.3.3空气温湿度传感器的选择空气温湿度的有许多测量方法。它的主要测量原理是由于周围空气中水分的吸收而引起的物理或化学变化。因此，可以间接获得环境中空气的温度和湿度。方案一：HS1100湿度传感器。HS1100

测量大气湿度时是一个伴随湿度的变化而变化的电容。并拥有完全的互换性，较高的可靠性、长期的稳定性、响应时间快等诸多特点，其固态聚合物的结构专利设计，具有两种包装是顶端接触和侧面接触，可以用在线性电压的输出，以及频率输出两种电路里，对于流水线上的自动插件极其适用。方案二：DHT11数字温度和湿度传感器是具有校准数字输出的温度和湿度复合传感器。它采用的采集方法非常专业，对于数字模块温湿度传感技术，具有很强的稳靠性。一个湿度传感器电阻式的、一个NTC湿度传感器是

DHT11传感器所包括的，它并连接到高配置的单片机。就距离信号传输来讲，它可以达到18米左右。综合比较方案1和方案2，该设计使用DHT11，它体积形态小，功率低，省电，操控便捷简单并且作为温湿度传感器件具有高性价比。2.3.4光敏电阻传感器的选择控制和测量是传感器最重要的部分，它是组成部分在测控系统中。系统需要检测的各个室内的光照强度，需要使用很多的的光强检测传感器，所以选择使用低廉、高效的光敏电阻实现采集光照强度。光阻电阻器是半导体材料中的特殊的电阻器。

基于光电内部效应是它们的工作原理，其光线越强，电阻越小。而且伴随着光强度的增加，电阻值会很快减小，视在电阻可能会小于1m。光阻对光非常敏感，在没有光的情况下，它具有较高的电阻和大于1.5MΩ的暗电阻。随着科学技术的发展，光敏电阻抗蚀剂的性能得到了广泛的应用。全部使用白灯泡（珠子）或可见光来控制光源，大大简化了设计。具体实物如图2-1所示。图2-1光敏电阻本章小结本章主要是对本系统需要使用的模块做出一个详细的描述，然后通过分析、对比优缺点，需要包括温度，湿度，烟雾量的诸多因素。最终本系统采用的最终方案是光强检测用光敏电阻模块，考虑无线传感器，选择的是DHT11。采用CC2530作为无线通信模块，同时还采用LED灯作为本次设计的照明模块。采用这些模块能够在最低成本的情况下不影响功能的实现，同时还保证了系统的扩展性，也能最大限度保证达到节能高效的目标。

第3章系统硬件设计本设计选择采用无线通信的方式，而CC2530作为无线通信方式的一种解决方案被广泛的接受，并且由于其方便使用、低功耗而被很多产品所应用。本系统ZigBee节点作为传递传感器信息的中介，然后各个节点汇集到协调器中，然后信息传递给上位机，这时人就可以通过上位机来控制室内灯。3.1系统硬件总体设计本次设计采用模块化管理，主要分为无线通信模块、节点模块、PC机。主机模块为ZigBee协调器。节点模块为光照强度和温湿度采集、照明模块。无线通信模块主要包括近距离无线通信模块ZigBee和远距离无线通信模块GSM。光强采集部分选用光敏电阻。各个节点利用CC2530作为各节点CPU，负责数据接收与发送。上位机在本系统中起到中枢的作用，负责处理数据，分析数据，并且将数据显示。系统硬件框图如图3-1所示。ZigBee协调器ZigBee协调器继电器1人体红外感应模块ZigBee模块1LED灯2风扇LED灯1PC上位机温湿度传感器继电器2ZigBee模块2继电器3ZigBee模块3光敏电阻步进电机ZigBee模块43.2核心模块设计ZigBee协调器作为核心模块，用来接收各个子节点完成采集节点数据，协调器将数据文件通过串口的方法发送到上位机中，电脑上位机负责光照强度的处理参数，上位机能够根据光照强度的值来显示对应路灯状态。例如，路灯打开的情况下，采集到的光照强度低于30的时候将此时路灯判断为异常情况，然后值班人员就可以采取相应的措施来解决这个问题。ZigBee协调器的节点主要由处理器模块、电源管理模块、初始化电路及各外部接口以及贴片电阻组成。其实物图如图3-2所示。图3-2ZigBee模块CC2530还集成了51内核的单片机，这极大地提高了微控制器与无线通信模块之间的通信效率和完整性，并且还降低了整个模块的质量。CC2530同CC2430\CC2431相比性能更加强大，但价格反而更低廉。例如每一片CC2430价格大约在20多元，一片CC2431更是得超过100块钱，而CC2530一片大约18块钱，这样廉价、高效的特点更加适合我们做规模大的通信节点模块。3.3无线通信模块设计无线通信模块用来完成计算机和节点之间数据之间的发出与收到，本设计中主机与节点间的相互通信均采用ZigBee无线通信技术，利用CC2530作为各无线通信模块的CPU，主机中包含一个协调器节点，负责网络的组件，进行网络地址分配等相关配置工作，各控制模块均包含一个子节点，负责控制传感器的信息采集，各控制设备的启用与停止，并且与主机建立网络，发送和接收系统传感器信息与控制指令。CC2530系列器件的内核不同于其他内核。它使用单周期兼容的8051

CPU处理器内核。CC2530拥有三种不一样的存储器来访问总线，而且是一种单调访问方法，可以访问进入主SRAM。CC2530拥有调试测试访问接口和18输入中断扩展单元，任意的中断服务则请求被激活。3.4协调器节点设计在本系统中，星型网络拓扑为ZigBee协调器所主要使用的，并使用协调器为整个无线网络执行数据传输服务并聚合单个节点的信息服务。协调器由一个串行端口模块，一个CC2530模块和一个电源供电模块组成。由于CC2530具有很多自己的串行端口，因此不需要扩展协调器的串行端口模块，并且可以将相应的引脚直接通过硬件线路连接到电脑主机上。协调器引脚P口设计电路图如图3-3所示。图3-3协调器P口引脚图3.5传感器节点设计本系统传感器信息采集采用多点检测，光敏电阻来采集室内的光线强度，温湿度模块采集室内温湿度，每个节点都需要实时的检测当前状态的环境参数，将通过串口通信进行数据的采集，协调器将光强信息发送到上位机，处理所采集到的信息再由上位机进行处理。3.5.1温湿度采集模块设计由湿度、温度传感器DHT11模块和终端节点，用来构成温度湿度信息采集模块。DHT11的数据的准确度也非常之高，误差比较小，体积小，便于安装。当环境变化时，传感器内电流的变化引起I/O引脚的电位变化，这些电位变化就可以实现室内环境的信息转化成电子信号的一个过程。温湿度传感器DHT11的硬件实物图如图3-4所示。图3-4DHT11实物图DHT11硬件相连方式：一个室内气温、室内湿度DHT11传感器不同连接一个CC2530的VCC正极引脚、GND负极引脚、P1_1口，DHT11与CC2530连接图如图3-5所示。图3-5CC2530与DHT11连接图3.5.2光强检测模块设计光敏电阻是一对光电导效应利用的特殊电阻，称为光敏电阻，也称为光导管。它的电阻和光照强度是直接相关的。光照强度增大，光强减小，电阻增大。光敏电阻的结构与工作原理,结构图为3-6所示。图3-6光敏电阻光敏电阻的基本特性：伏安特性：光敏电阻器的伏安特性是电流和光电探测器之间的电压变换。感光体与扭曲的波长之间的关系称为感光体特性。在不同的的情况下，温度的敏感度也不同，波长不同并且不同材料的视觉效果也不同。大多数硫化镉都有较大的时间常数。图3-7是硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。由图可看到，光敏电阻在一定的电压范围内，曲线是一条直线。图3-7硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线光照特性：光电流和光强度之间的关系是光敏电阻的光学特性。不同的光照特性具有不同的材料。大多数光学特性是非线性的对于光敏电阻而言。图3-8表示了硫化镉光敏电阻的特性。图3-8硫化镉光敏电阻的光照特性本次所用的光敏电阻的引脚，分别是VCC、GND，其中数据端口的和VCC公用一个引脚，则将光敏电阻的的VCC、GND引脚分别接到CC2530转压之后的VCC和GND上，将数据端输出引脚接到CC2530的P1_0引脚。其硬件连接框图如图3-9所示。CCCC2530VCCP1_0GND光敏电阻VCCGNDCC2530VCCCC2530VCCP1_0GND光敏电阻VCCGND3.5.3照明模块设计系统照明模块主要通过人体红外感应传感器来控制照明的开关，首先协调器传送给主控制器，主控制器开始控制继电器，照明灯开始工作。当下发出指令之后，通过串口通信的方式来传递给协调器，协调器通过无线的方式，再次选择对应的通道，然后转发给对应的节点，节点收到开灯的指令之后会将对应端口的电平置为高电平去控制继电器，整个流程完毕。模块整体设计如图3-10所示。图3-10照明控制模块硬件框图3.5.4继电器模块设计继电器是电气控制器相当于开关，通过给继电器高低电平来实现照明的开于关。因此，这是电路中的自动过程，有几种类型的继电器。电磁继电器称为簧片继电器和固态继电器，主要是由铁轨的磁场驱动，铁的运动被吸引到触点（通常是开放触点）上，交流型和直流型是固态继电器按负载功率类型划分的。根据开关类型，可分为常开型和封闭型。继电器模块主要由上位机控制，并根据是否进行开关来控制家居室门口的指示灯。上位机将信号发送给协调器，利用无线通信的方式将信号传递给协调器，从而达到对指示灯的控制。CC2530与继电器连接图如图3-11所示。图3-11CC2530与继电器连接图3.6串口电路本次设计中需要将ZigBee协调器的数据经过串口发送到上位机进行显示。USB特有的技术可实现USB接口与上位机连接进行通用串口之间的转换功能。为设备与上位机通信传递信息提供通道，在我们生活周围，USB是应用最广泛，最实用的连接工具，在我们日常电脑工作中是必不可少的连接转换工具，它的最大特点是通电安全，应用便利，传输数据准确。在PC端Windows的操作系统下，带CH340的驱动程序模拟串行端口并执行相应的串行端口操作，这兼容多数原始端口。USB转串口电路如图3-13所示。图3-13USB转串口电路图本章小结本章介绍了该系统的主要硬件节点设计以及该设计过程中使用的硬件功能和每个设备的功能特性，

以及设计相关的关键电路。系统设计过程CC2530的难点在于它传送方式与接收方式，一定要严格按着ZigBeeIEEE802.15.4协议栈的配置方式来接数据，了解并掌握CC2530的通信方式与控制方法，发射模式与接收模式相配合才能实现无线通信。

第4章系统软件设计本次设计整个系统主要的三个部分：无线通信部分，包括ZigBee，照明及光照强度检测、温湿度检测、人体红外检测；上位机分析、展示部分。光敏电阻主要进行采集光照强度在室内环境中。系统的软件设计包括:电脑上位机通信与协调器、ZigBee组网、终端节点的软件设计。4.1主程序设计一个系统需要一个核心的主程序来保证各个模块的正常运行。主程序主要是完成一些初始化操作。各模块顺利初始化后开始判断是否为全局自动模式，如果是则根据各传感器的信息，根据相应阈值控制各功能模块，系统则实时将上位机控制指令发送到各子节点中，上位机显示的是由各子节点传感器采集的数据所发出。主程序的流程图如图4-1所示。开始开始系统初始化化读取数据是否开启模式？N发送数据至上位机是否结束？结束YNY是否为传感器信息？YY开启相应设备N是否超标？NYyYYNYYNNN图4-1主程序流程图4.2ZigBee无线传输软件设计本次设计通过光敏电阻将路灯的光照强度的值进行实时采集，CC2530节点会收集到对应光敏电阻的光强原始数据，利用ZigBee组网技术将光照强度数据进行无线传输，最终汇集到ZigBee网络的协调器中。本节将会对ZigBee开发所使用的IDE、ZigBee网络的构建以及协调器软件的设计开发进行详细描述。4.2.1ZigBee软件开发环境IAR是一个免费通用的IARXLINKLinker。本次设计的ZigBee无线传输模块软件开发环境就采用IAR。IAR相对于其他大多数开发IDE而言，其具备高效的IARARMC/C++Compiler、具有完全兼容C语言能力、XLIB建库程序和IARXAR和IARDLCBC/C++运行库、调试器IARC-SPY(先进的高级语言调试器）。软件本身建设有对芯片的程序速度和程序大小优化器。IAR开发环境启动截图如图4-2所示。图4-2IAR开发环境截图4.2.2节点软件设计由于TI的Z-Stack实现了ZigBee协议，因此ZigBee网络组件的主要软件实现是应用程序级设计。由于无线传感器网络的环境监控系统由数据节点和协调器节点组成，因此ZigBee协议栈的应用层分为两部分：节点应用程序集合的应用程序结构级别和应用程序级别协调器的开发。在构建ZigBee无线网络网络时，无线传感器节点的编程至关重要。启动传感器节点后，将启动设备和网络。

初始化完成后，节点进入指令的等待状态。当协调器收到命令后，首先评估或执行该命令，同时传感器节点开始通过传感器模块收集数据。数据收集完成后，传感器数据收集节点将收集信息发送到协调节点代表传输成功，并且该节点在此处不执行任何操作。节点程序流程图由图4-3所示。开始开始硬件初始化协议栈初始化建立网络处理接收到的帧是否有协调器命令？返回Y读取传感器数据发数据到协调器处理协调器命令NYN图4-3节点程序流程图4.2.3协调器软件设计当主控制器从协调器节点接收数据指令时，协调器开始解析和处理该指令，并将相应的指令发送到结束节点。当协调器在无线传感器网络中接收到子节点发送的数据时，这表明该信息旨在收集传感器数据，例如房间中的温度、湿度和空气质量操作，之后协调节点处理数据并将其发送到总节点。其流程如图4-4所示。开始开始系统初始化协议栈初始化建立网络处理接收到的帧是否有节点加入？是否收到数据帧？是否有上位机命令？返回节点加入处理将接收到的数据帧发送给上位机将上位机的命令发送给相关节点YYYYYNNN图4-4终端节点运行流程图4.2.4ZigBee网络的构建ZigBee网络的通信机制可以分为3类：单播、多播和广播。每一个ZigBee网络有且只能有一个协调器，和多个终端节点构成。本次设计的智能路灯控制器采用的的ZigBee星形网络结构，它主要由一个协调器和多个节点构成，协调器扮演着中枢协调的角色，来实现整个无线网络的数据传输和转化。首先进行ZigBee网络的建立，作为整个无线网络的中枢——协调器发起网络初始化的请求，然后网络层管理实体会将请求的MAC子层信道扫描，然后网络的参数由协调器负责设置，包括信标的周期等。设置参数完毕后，初始化网络成功。下一步，网络将等待收到其它注册的节点信息到网络中。启动ZigBee网络时，其他ZigBee子级可以加入新创建的网络。以确定该网络是否存在于适当范围内。如果没有网络，则节点的网络访问请求无法满足；从终端节点收到网络访问请求后，它立即返回到网络识别终端（ACK）的功能节点，并为其分配16位的短地址，该短地址用作网络上节点的唯一标识符，并使用分配给节点的短地址作为联系协调员的地址。分配完成后，连接成功信息和新配置的网络地址信息将发送到终端。4.3空气温湿度采集模块软件设计DHT11以单个总线的形式进行数据的传输，5ms为每个通信时间，其中数据部为两部分，分为整数和小数点，总数据传输为40位。数据采集和处理实现方式相关代码如下：DHT11();if(wendu==0&shidui==0) {wendu1=(T_data*2); shidu1=(RH_data*2);}elseif(T_data==0&RH_data==0){wendu1=(wendu*2);shidu1=(shidui*2);}elsewendu1=T_data+wendu;shidu1=RH_data+shidui;wendu_shi=(wendu1/2)/10;wendu_ge=(wendu1/2)%10;shidu_shi=(shidu1/2)/10;shidu_ge=(shidu1/2)%10;strTemp[0]='w';strTemp[1]=wendu_shi+0x30;strTemp[2]=wendu_ge+0x30;strTemp[3]='\n';strTemp[4]='s';strTemp[5]=shidu_shi+0x30;strTemp[6]=shidu_ge+0x30;strTemp[7]='\n';4.4上位机软件设计本次设计的的重点之一是上位机软件的设计制作，设计便于观看的上位机界面能够为用户提供一个友好的图形化界面，能够直接在界面上对室内灯光的开闭进行控制和查看其他节点情况。本节首先会简单介绍了上位机控制软件的开发环境，而后给出了软件的具体功能以及详细设计过程。4.4.1上位机开发环境该系统的最佳计算机软件是Visual

Studio开发的。

Microsoft

Visual

Studio（简称VS）是用于在美国开发Microsoft

Corporation的一系列产品。VS是一套完整的基本开发工具。Visual

Studio是当前最流行的，基于Windows的应用程序的集成编译开发环境。VisualStudio环境开发界面截图如下图4-5所示。图4-5VisualStudio开发环境界面截图4.4.2上位机功能介绍上位机软件能够显示出室内部环境信息，包括温湿度趋势图、室内灯光开关情况。设计直接观看于的上位机界面能够为用户提供一个图形化界面，能够直接在界面上对室内灯光的开闭、风扇开关的关闭进行控制和查看其他节点情况，根据信息能够对内部进行控制。如开启风扇、关闭窗帘。软件功能框图如图4-6所示。基于物联网的家居照明控制系统基于物联网的家居照明控制系统步进电机控制照明开关控制风扇开关控制温湿度趋势图空气质量等级步进电机控制照明开关控制风扇开关控制温湿度趋势图空气质量等级图4-6软件功能框图在上位机的设计中主要是会考虑到整个界面的美观、协调，同时还要考虑到整个业务逻辑的实现。Visual

Studio是当前最流行的，基于Windows的应用程序的集成编译开发环境。设计便于观看的上位机界面能够为用户提供一个友好的图形化界面，能够直接在界面上对室内灯光的开闭进行控制和查看其他节点情况。首先电脑端通过硬件连接ZigBee协调器，然后打开基于物联网的家居照明控制系统上位机软件，这时上位机在系统设置上会出现COM口连接，打开串口，启动自动刷新可以看到数据。在界面中可以实现对此时室内灯光的状态展示、温湿度趋势图、烟雾情况。可以选择是否通风的控制，是否开启报警，开关蜂鸣器的控制以及对每一组灯光的控制。此外，还可以点击自动刷新对系统进行自动刷新。当点击手动刷新后，上位机发送信号进行手动刷新，电脑上位机客户端具体的操作界面如下图4-7所示。图4-7上位机界面图上位机实现对硬件设备的人机交互，它的功能可以将下位机发送来的环境参数进行数据处理，可以通过上位机实时监控。先初始化上位机中各个程序模块，然后读取串口中的数据，如果是上位机发出的指令就发送给对应的下位机去执行，若是协调器传送上来的光强数据则在程序中处理之后再将处理后的结果更新在界面中。本章小结本章主要介绍了本系统各模块的软件设计，用图文的方式说明了各部分的设计思想及程序流程。把每个模块的程序设计都用流程图的方式表示出来，能一目了然的看出程序设计的思想与方法，节点软件设计以及上位机软件设计是本设计的重要部分，如果没有各采集节点没有稳定的工作流程，系统可能随时崩溃，如果上位机不能够与人进行高效的沟通，系统则失去意义。通过本章可以看出本系统的软件程序设计的过程是很重要的，按照程序的结构一步一步的编写程序，这样才能达到想要的效果。

第5章系统调试本章首先介绍此设计中使用的硬件和软件环境，并介绍一些调试方法和方法。此外本章还对系统调试过程中出现的问题作了详细的分析，阅读本章可对手术室环境系统设计的整个调试过程了解得很全面