基于zigbee的灯光控制系统本科毕业设计(论文)(编辑修改稿)

基于zigbee的灯光控制系统本科毕业设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

相结合的设计方案实现了远程控制目的 [4]。 上位机的设计 对于计算机专业人员可以通过输入命令控制电灯，如何才能让操作变得简单并适合普通人群使用。 本设计采用 VB 语言在 环境下设计上位机，上位机则是可以让人们通过熟悉的图像界面对家用电器的运行情况有真实的了解，并且通过简单的按键操作进行远程控制，适合广大人群的需求。 这对于智能家居的推广和普及有着重要意义。 构建 ZigBee 网络 数据的有效传输是本设计成功的重要保证，现在的智能家居产品多数采用有线形式组建其控制网络与之相对应的技术有： X10, RS485, RS232， CANBus, CEBus, LonWorks 和 TCP/IP 等，这些方式 有着明显的缺点：布线复杂，系统安装、维护成本较高；系统扩展性差，设备的移动、增加 和减少都需要重新布线，而 ZigBee 恰好能客服这些因素，因此本设计采用了 ZigBee 构建传输模块，本设计中 Zigbee 网络中有一个协调器，一个家庭中心节点，协调器负责与上位机进行串口通信，并将数据发送到家庭控制中心，家庭控制中心控制电灯照明模块。 设计电路控制系统 芯片只能传输出低电压，如何用低电压控制 220V 的电压，本设计采用了可控硅设计电路，当终端接收到命令后通过家庭中心节点对 CC2450 的 口的电平变化实现对电路的闭合和断开，从而实现了对电灯亮灭控制。 6 第 2 章 系统总体设计方案 系统总体设计 智能家居控制系统 (smarthome control systems,简称 SCS)，是以住宅为平台，家居电器及家电设备为主要控制对象，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施进行高效集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的控制管理系统，提升家居智能、安全、便利、舒适，并实现环保节能的综合 智能家居网 络控制系统平台。 智能家居控制系统是智能家居核心，是智能家居控制功能实现的基础。 智能家居通过使用多种终端，以互联网为通信中转中心，没有通信距离，家庭和家居数量的限制，能让人们随时随地的了解自己家居状况并远程控制，提高人们的生活水平和质量。 用户在自己的终端上发送相应的控制命令，家居控制中心收到命令后就可根据命令做出相应的操作，本设计中实现电灯的亮灭控制 ,系统设计如图 21 所示 [6]。 z i g b e e协 调 器串口Z i g b e e 终端 节 点8 0 2 . 1 5 . 4控制灯 1Z i g b e e 终端 节 点控制灯 N上 位 机... 图 21 系统总体设计 整个设计分为三个部分：上位机控制端 [6]， ZigBee 无线网络和终端电路控制。 这三个部分分别对应于 环境下的控制台设计，基于无线传感技术的网络设计，MOC3061 系列光电双向可控硅驱动器。 最终实现上位机控制家居（以控制电灯为例）。 系统各部分关键技术 上位机 上位机是指可以直接发出操控命令的计算机，一般是 PC，屏幕上显示各种信号变化（液压，水位，温度等）。 下位机是直接控制设备获取设备状况的计算机，一般是 PLC/单片机之类的。 上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。 下位机不时读取设备状态数据（一 般为模拟量），转换成数字信号反馈给上位机。 简言之如此，实际情况千差万别，但万变不离其宗：上下位机都需要编程，都有专门的开发系统。 通常上位机和下位机通讯可以采用不同的通讯协议可以有 RS232 的串口通讯或者采用 RS485 串行通讯当用计算机和 PLC 通讯的时候不但可以采用传统的 D 形式的串行通讯还可以采用更适合工业控制的双线的 PROFIBUSDP 通讯采用封装好的程 7 序开发工具就可以实现 PLC 和上位机的通讯，当然可以自己编写驱动类的接口协议控制上位机和下位机的通讯。 本设计使用了 的 MSComm 通信控件实现串行 接口发送数据 [7]。 数据收发部分和显示部分 (1)上位机在系统中的位置：处于网络层中，与嵌入式网关通过网线相连。 实际应用时是放置在实验室的工作台上，供监控者使用。 (2)上位机的功能：此软件实时监视电灯的工作状况，并且可以控制电灯的亮灭。 (3)上位机的设计实现：此软件主要有两部分组成，数据发送部分和显示部分。 数据发送指的是将数据发送到协调器。 两者是通过 USB 接口连接的，它在和上位机通信中是作为服务器的，而上位机就是作为连接发起方。 ZigBee 无线网络 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，目前统称为 ZigBee[8]。 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。 可工作在 (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 1075m的范围内 ,但可以继续增加 [11]。 ZigBee 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 —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。 8 (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 AES128 的 加密算法 ,各个应用可以灵活确定其安全属性 [9]。 ZigBee 协议栈 本设计采用的是 ZigBeePro/20xx 协议规范 [10]，其协议栈架构如图 23 所示 应 应 应 应 应应 应 应 应 应 应 应 A P S 应应 应 应 应 N W K 应8 0 5 .4 P H Y 应 M A C 应应 应 应 应 应应 应应 应应 图 23 ZigBee 体系结构 协议栈中的每一层都对上层协议一无所知。 可以把上层协议看成下层协议的上司，下层协议在上层协议的命令下展开工作。 在下层的基础上，上层可以变得越来越 复杂。 ZigBee 没有严格地遵行 OSI 七层协议模型，但有些是一样的，包括物理层 （ PHY）、 MAC 层和网络层（ NWK）。 其他 47 层（传输层、会话层、描述层和应用层）包括在了 ZigBee 协议栈模型的 APS 层和 ZDO 层。 在层与层之间都有服务接入点（ SAP）。 SAP 提供了应用程序接口（ API），从而使得上下层能独立工作。 和 IEEE 规范一样， ZigBee 协议栈的每一层都有两个服务接入点，分别用于数据和管理 [7]。 例如，所有的进出网络层数据都是通过网络层数据实体服务接入点（ NLDESAP）。 物理层 PHY 物理层处于 ZigBee 协议栈的最底层，由 IEEE 规范定义。 IEEE 规范定义了三种物理层基带模式，分别工作在 868 MHz、 915 MHz 和 GHz 频段，但 ZigBee 协议栈只采用了 GHz 这一频段一共有 16 个信道，编号“ 11”到“ 26”。 其中心频率由公式（ 21）计算得出： fc = [ 2045+5(k11)]MH k= 12,13,…,26 (2 1) 9 这不仅是因为工作在 GHz 频段提供了更高的速率（ GHz 为 250kps,868MHz 为 20kps, 915MHz 为 40kps），而且 GHz 频段在全球范围内通用。 物理 层提供两种服务：物理层数据服务和物理层管理服务。 物理层通过某一物理信道提供物理层协议数据包（ PHY Protocol Data Unit ， PPDU）的收发数据服务；物理层管理实体通过 PLMESAP（物理层管理实体服务接入点）向上层提供管理服务。 物理层管理实体同时也维护物理层个域网络信息库（ PHY PANInformation Base ,PHYPIB）。 物理层的结构模型如图 24 所示。 上 层 实 体物 理 层（P H Y）物 理 管 理 层 实 体（ P M L E ）P H Y P I B射 频 硬 件P D S A PR F S A PP L M E S A P 图 24 物理层结构模块 物理层的主要功能是实现两个物理无线设备之间的数据收发。 ZigBee 协议栈采用一问一答的形式来实现物理帧的空间传送。 此外还包括对信道能量水平的检测、空闲信道评估和数据信号质量测量等。 MAC 层 MAC 层是媒体控制接入层的简称，顾名思义该层主要功能是管理设备的通信资源，使之在网络中和一个或者多个设备正常通信。 ZigBee 协议栈的 MAC 层由 IEEE 定义，提供了信道接入、本地网络建立维护和同步、安全、可靠通信等功能。 网络中的每个设备都必须有一个地址，在 MAC 层 MAC 地址是通信设 备的标识。 MAC 层规定两种地址，既短地址和扩展地址。 短地址是设备加入 PAN 网络时，协调器临时分配的一个地址，长度为 16 个比特。 而扩展地址一般是出厂时就已经固化的长期地址，长度为 64 个比特。 在通信中，如果使用扩展地址可以唯一区分不同的设备，但相对最大净荷只有 127 字节的物理层帧来说开销比较大。 短地址的引出就是为了节省开销，但引入了地址冲突的可能。 目前 , 中 MAC 层并没有规定短地址冲突检测和解决的方法，而 ZigBee 协议网络层中规定了解决此问题的机制。 MAC 层数 据需经物理层封装后才能发送出去，接收设备再经过解封装从新得到 MAC 数据。 MAC 层帧包括帧头、净荷和帧校验序列（ FCS），具体结构如下表 ： 表 21 MAC 数据结构 2（字节） 1 0/2 0/2/8 0/2 0/2/8 0/5/6/10/14 可变 2 10 帧控制 序列号 目的PAN标识符 目的地址 源 PAN标识符 源地址 安装认证头 净荷 帧校验 地址域 MAC 帧头 MAC负载 MAC帧尾 MAC 提供了两种服务： MAC 层数据服务和 MAC 层管理服务。 网络层数据实体（ NWK Layer Data Entity， NLDE）通过 MAC 层通用部分支持子层服务接入点(MAC Common Part Sublayer SAP， MCPSSAP）提供数据服务。 MAC 管理服务则是通过 MAC 层管理实体服务接入点 (MLMESAP)提供服务。 具体 MAC 结构模型如图 25 所示。 上 层 实 体M A C 通 用 部 分 子 层M A C 管 理 层 实 体（ M L M E ）M A C P I B物 理 层M L M E S A PM C P S S A PP D S A P P L M E S A P 图 25 MAC 层结构模型 网络层 NWK 由 ZigBee 协议栈架构可知，网络层是 ZigBee 联盟定义的协议层。 在逻辑上网络层内部分为网络层数据实体（ NLDE）和网络管理实体（ NLME）两部分，如图 26 所示。 对上，网络层数据实体通过访问服务接口 NLDESAP 为上层（一般是应用层）提供。