基于zigbee的灯光控制系统本科毕业设计

1、本科毕业设计 （论文）智能灯光控制系统学院名称专业名称 学生姓名 学号 指导教师西南科技大学本科生毕业论文智能灯光控制系统摘要：近年来，物联网成为全球关注的热点领域，作为物联网中的一种重要应用，智 能家居的概念也逐步被大家接受， 智能家居涉及的内容包括家庭安防、 家电控制、 开 关照明控制、信息服务等， 其中开关照明控制系统主要是通过远程遥控的方式对设备 进行开关控制。 矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。本系统构建了一套基于物联网技术的智能家居控制系统平台， 并就此智能家居系统平台以上位机对家庭中的电灯进行控制实验。本设计运用VB 、服务器 （PC 机）、ZigBee射频通信协议、可控硅控制电路等技术，

2、实现了以上位机为控制端， 以 ZigBee 无线网络为传输桥梁，以 CC2530 板作为家庭控制中心。本系统通过串口将上位机与 ZigBee 网络中的协调器连接起来，上位机采集用户操作信息，并通过串口将数据发 送到协调器， 协调器收到数据后通过无线发送方式将数据发送到终端节点， 并根据数 据控制电灯电路。 聞創沟燴鐺險爱氇谴净。本系统基本实现了远程控制家用电器工作状态， 并提供了人性化界面操作， 具有 较强的实用性和可靠性。关键字：物联网 ; 智能家居 ; ZigBeeII西南科技大学本科生毕业论文Intelligent Lighting Control SystemAbstract: In

3、recent years, the Internet of things becomes a hotspot in the field of global concern, as an important application of the Internet of things in the concept of intelligent home furnishing, also gradually accepted, intelligent home furnishing includes home security, home appliance control, lighting co

4、ntrol switch, information services, 1, lighting control system which is mainly on the switching equipment switch is controlled by the remote control mode.残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。The system construction of the intelligent home furnishing control system platform based on Internet of things technology, and intellig

5、ent home furnishing this system platform above machine in the family of electric control experiment. The design using VB, server (PC), ZigBee RF communication protocol, a controlled silicon control circuit technology, the realization of the above machine as the control terminal, ZigBee wireless netw

6、ork as the transmission bridge, using CC2530 board as the home control center. The system connects the coordinator between host computer and ZigBee network through the serial port, computer collects user operation information, and sends the data to the coordinator through the serial port, the coordi

7、nator receives data through wireless transmission mode to send data to the terminal node, and according to the data control electric circuit. 酽锕极額閉镇桧猪訣锥。This system realizes the working state of remote control of household appliances, and provides a user-friendly interface, has strong practicality a

8、nd reliability 彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。 Key word： internet of things, Intelligent home furnishing, ZigBee 謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。III西南科技大学本科生毕业论文目录第 1 章 绪论 1 厦礴恳蹒骈時盡继價骚。1.1 课题背景与意义 11.1.1 智能家居发展与现状 11.1.2 物联网发展趋势 21.1.3 智能家居和物联网的关系 31.2 项目需求分析 41.2.1 社会效应需求分析 41.2.2 系统硬件需求分析 41.2.3 系统软件需求分析 51.3 设计主要工作 5第 2 章 系统总体设计方案 62.1

9、系统总体设计 62.2 系统各部分关键技术 62.2.1 上位机 62.2.2 ZigBee 无线网络 72.2.3 可控硅电路 12第 3 章 系统硬件电路设计与实现 133.1 核心功能模块 133.2 串口通信接口 133.3 供电电源电路 143.4 电路控制模块 14第 4 章 系统软件设计与实现 154.1 ZIGBEE网络软件设计 154.2 协调器软件设计 154.3 家庭控制中心节点程序设计 174.4 上位机设计 18IV西南科技大学本科生毕业论文4.4.1 界面设计 184.4.2 模块功能的实现 194.4.3 程序设计 20第 5 章 系统运行测试 225.1 上位机

10、测试 225.2 ZigBee 网络测试 225.3 系统整体测试 22结 论 24致 谢 25参考文献 26第 1 章 绪论1.1 课题背景与意义1.1.1 智能家居发展与现状智能家居的发展起源于 20世纪 80 年代，将电子技术、网络通信技术用于对各种 家电设备的监视、 控制和管理， 它的商用系统就是如今智能家居的原型。 第一幢拥有 智能家居系统的建筑诞生于美国， 它利用计算机技术、 综合布线技术将整幢楼的照明、 空调、电梯等设备进行统一的监控和管理。不就之后，北美、欧洲、澳洲以及东南亚 等地区的发达国家也相距提出了自己的只能家居方案 1 。经过近 30 年的发展，国外 的只能家居系统相对

11、比较成熟， 也有了自己稳定的客户群。 占领市场份额较大的有霍 尼韦尔(Honeywell)、Control4、快思聪 (CRESTRON)等知名公司，都成功的推出过 自己的智能家居系统案例。 霍尼韦尔的智能家居产品比较齐全， 它以智能家居中央控 制系统为核心， 结合智能灯光系统、 空调与地暖控制系统、 安全防盗报警系统等为用 户提供一个安全、 舒适、便捷的家居环境。 霍尼韦尔采用多种组网方式相结合的方式， 取长补短， 大大提高了智能家居系统的灵活性与稳定性。 在 2010 年的拉斯维加斯国 际消费电子展会上， Control4 公布了针对黑莓和 Android 的新的导航系统。 Control

12、4 一直比较注重移动平台的应用开发， 源源不断地为市场提供易于操作的应用程序。 九 十年代后期智能家居的概念开始在国内出现， 并逐渐被人们所接受。 经过十多年的发 展，出现了一大批从事智能家居的企业。 从整体上看整个国内智能家居行业结构比较 复杂，有从安防类、 传统家电类和网络通信类发展而来的主流厂家， 也有专业从事智 能家居的后起之秀。如英诺维科技设备有限的感应式( RF/M1/ID )智能门锁，它采 用无线 RF 感应技术，并根据需要设置多级权限，实现酒店、办公大楼等安全出入 的统一管理；天敏科技公司的 DVR4000HS 四路嵌入式硬盘录像机，采用了嵌入式 处理器和嵌入式操作系统，结合视

13、音频压缩 /解压缩、大容量硬盘记录、 TCP/IP 网络 等技术， 即可以单独工作， 也可以与外网连接组成一个覆盖面更大的监控网络， 非常 适合金融、司法、家居、医疗等领域的安全防范； 天津朗瑞智能家居系统采用 X10 电 力载波通信技术，安装简单，操作方便，采用中央控制系统将家居的照明系统、空调 地热系统、安防系统等结合在一起提供一个更加舒适、 安全、便捷和节能家居环境 1 。茕桢广鳓鯡选块网羈泪总的说来， 目前智能家居处于蓬勃发展期， 多样化的产品满足了人们的大部分需 求，提高了人们的生活品质，但是还存在一些不足，罗列如下： 鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。(1) 缺乏统一的标准。因为现在国内外关于

14、智能家居内部网络通信没有形成统一 的标准， 这导致了各个商家产品之间很大的兼容性问题， 减少了用户的选择余地， 也 给以后的升级换代留下了隐患。 籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。(2) 价格昂贵。前期的开发必须注入大量的资金，而且各种通信协议和软件的实 现必须有相应的硬件来支持， 以及系统的安装维护等等使智能家居系统的产品居高不 下，很多时候成了普通大众眼中的奢侈品。 預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。(3) 操作复杂。智能家居是以住宅为平台的系统，其复杂程度远远超过了现在家 庭中的单件设备。 要对整个系统进行有效地日常操作、 维护和必要的设置和修改， 如 果没有人性化的操作界面和专业知识，多数用户会觉得无从下手。

15、 渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。 2013-2017年中国智能家居行业分析与前景预测报告介绍智能家居产业相关 概述、国内外智能家居产业整体运行态势等， 智能家居集成市场发展状况， 智能家居 集成市场规模及预测、 物联网与智能家居集成应用发展。 可以肯定的是未来中国的智 能家居行业必将高速发展， 大约有一半的人家讲享受到智能化的生活， 人们的生活质 量将会进一步提高 3。 铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。1.1.2 物联网发展趋势物联网又名传感网 , 英文名称叫“ The Internet of things ”, 是指将各种信息 传感设备与互联网结合起来而形成的一个巨大网络， 可使所有的物品与网络连接， 方 便

16、识别和管理。物联网具有全面感知、可靠传递、智能处理的特点，是继计算机、互 联网、移动通信网之后的又一次信息产业浪潮 2 。擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。物联网是 MIT-ID 中心 Ashton 教授 1999 年在研究 RFID时最早提出来的。在 2005 年国际电信联盟( ITU)发布的同名报告中，物联网的定义和范围已经发生了变化， 覆盖范围有了较大的拓展，不再只是指基于 RFID 技术的物联网。中国移动总裁王建 宙多次提及， 物联网将会成为中国移动未来的发展重点。 在中国通信业发展高层论坛 上，王建宙表示：物联网商机无限，中国移动将以开发的姿态与各方竭诚合作。 国 家中长期科学与技术发展规划(

17、2006-2020 年)和“新一代宽带移动无线通信网” 重大专项中均将物联网列入重点研究领悟。 贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。2013年 2月 17日，中国政府网公布国务院关于推进物联网有序健康发展的指 导意见中提到到 2015 年的近期发展目标： “在工业、农业、节能环保、商贸流通、 交通能源、公共安全、社会事业、城市管理、安全生产、国防建设等领域实现物联网 试点示范应用，突出一批核心技术，初步形成物联网产业体系。”根据对物联网的 3 个关键细分领域 传感器、 RFID、M2M 的市场发展数据预测，以传感感知层对整体 物联网产业的带动系数 5 倍计算，中国物联网产业的总体规模预计到 2015年将超过

18、 一万亿， 2020 年将超过 5 万亿 3。坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。1.1.3 智能家居和物联网的关系智能家居是在物联网的影响之下物联化体现。 智能家居通过物联网技术将家庭中 的各种设备（如音视频设备、照明系统、窗帘控制、空调控制、安防系统、数字影院 系统、网络家电以及三表抄送等） 连接到一起，提供家电控制、 照明控制、窗帘控制、 电话远程控制、室内外遥控、防盗报警、环境监测、暖通控制、红外转发以及可编程 定时控制等多种功能和手段。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能， 兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的 高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境

19、，提供全方位的信息交互功能，帮助家庭 与外部保持信息交流畅通， 优化人们的生活方式， 帮助人们有效安排时间， 增强家居 生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。 蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。智能家居集成是利用综合布线技术、 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备集成。 由于智能家居采用的技术标准与协议的 不同，大多数智能家居系统都采用综合布线方式， 但少数系统可能并不采用综合布线 技术，如电力载波， 不论哪一种情况， 都一定有对应的网络通信技术来完成所需的信 号传输任务， 因此网络通信技术是智能家居集成中关键的技术之一。 安全防范技术是 智能家居系统中必不可

20、少的技术， 在小区及户内可视对讲、 家庭监控、家庭防盗报警、 与家庭有关的小区一卡通等领域都有广泛应用。 自动控制技术是智能家居系统中必不 可少的技术， 广泛应用在智能家居控制中心、 家居设备自动控制模块中， 对于家庭能 源的科学管理、 家庭设备的日程管理都有十分重要的作用。 音视频技术是实现家庭环 境舒适性、艺术性的重要技术， 体现在音视频集中分配、 背景音乐、家庭影院等方面。 其中网络通信是智能家居最重要的一个模块，网络通信的快速发展才产生了智能家 居。買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。智能家居作为一个新生产业， 目前处于一个导入期与成长期的临界点， 市场消费 观念还未形成， 但随着智能家居市场推广普

21、及的进一步落实， 培育起消费者的使用习 惯，智能家居市场的消费潜力必然是巨大的，产业前景光明。正因为如此，国内优秀 的智能家居生产企业愈来愈重视对行业市场的研究， 特别是对企业发展环境和客户需 求趋势变化的深入研究， 一大批国内优秀的智能家居品牌迅速崛起， 逐渐成为智能家 居产业中的翘楚 ! 智能家居至今在中国已经历了近 12 年的发展，从人们初最初的梦 想，到今天真实的走进我们的生活，经历了一个艰难的过程。 綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。 1.2项目需求分析本设计的智能灯光控制系统的设计与实现， 是以 CC2530 开发板为协调器和家庭 控制中心节点， 将单片机、串口通信和计算机技术相结合的软硬件监

22、控系统， CC2530 是用于 2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和 RF4CE 应用的一个真正的片上系统 ( SoC) 解决方案。本设计结合通信、 计算机相关软硬件， 从而实现远程监控家用电器工作状 态。驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。1.2.1 社会效应需求分析在传统生活中， 当家庭成员外出后， 对家庭的各种电器的工作状态无法了解更谈 不上控制了， 而往往会造成不可预料的后果， 据报道某户人家在用电磁炉烧水因为外 出无人监管最后造成了房间起火使得家中东西全被烧尽。 猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。随着科技的不断进步， 智能家居系统的出现悄悄的改变着人们的生活方式， 智能 家居系统为人们

23、提供一个舒适、 安全、方便和高效的生活环境。 对智能家居产品来说， 最重要的是以实用为核心， 摒弃掉那些华而不实， 只能充作摆设的功能， 产品以实用 性、易用性和人性化为主 5 。 锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。1.2.2 系统硬件需求分析 智能灯光控制系统的设计与实现，其硬件系统包括计算机串口通信的接口电路、 协调器节点、家庭控制中心节点、 可控硅电路。 经过研究系统对硬件的需求分析主要 包括以下几个方面： 構氽頑黉碩饨荠龈话骛。(1) CPU 要具备较快的处理速度，并且对信号进行转换、处理。(2) 硬件芯片要选择体积比较小，并方便移动，能较好的与家用电器进行连接。(3) 功耗尽量小，可以降低成本，

24、保证系统的持久性，也可以节约资源，使性能 更加稳定。以上硬件需求分析， 是为了能够提高整个系统的性能指标， 保障系统的稳定性和 可靠性。1.2.3 系统软件需求分析系统的软件设计与硬件设计相联系，软件系统主要包括：上位机显示界面程序设 计，协调器节点程序设计， 家庭控制中心节点程序设计。 系统软件开发应具备以下功 能：輒峄陽檉簖疖網儂號泶。(1) 系统能保证实时的对家庭电器工作情况进行采集和反馈。(2) 针对 PC 机、协调器节点和家庭控制中心节点设计不同的通信方式， 软件的设 计要与芯片的硬件参数相匹配。 尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。(3) 上位机软件要简洁明了，方便操作，适合普通人群。1.3 设

25、计主要工作 本设计针对当前智能家居控制系统的不足，发挥当前发展迅速的短距离无线技 术标准的优势，提出一种以 ZigBee 无线技术为网络通信协议，智能家居控制系统与 照明系统相结合的设计方案实现了远程控制目的 4 。识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。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 VC6.0 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。 凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。构

26、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： X-10, 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

27、。 恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。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 P1.0 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。 鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。第 2 章 系统总体设计方案2.1 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 自动控制技术、 音协调、 网络通信技术、 安全防范技术、 关的设施进行高效集成， 构建高效的住宅设施与家

28、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上位网机络控制系统平台。 智能家居控80制2.系15统.4是智能家居核心， 家居控制功能实现的基础。智能家居通过Z使igb用ee多终种终端，.以. 互联网Zig为bee通终信中转中心， 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。 制 居控制中心收到命令后就可根据命令做出是智能制制 控制户在自己的终端上发送相制应控 的控制命令， 家电灯的亮灭控制 ,的操作，系统设计如图 2-1 所示6 。硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹灯1本设计中灯N图 2-1

29、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 vc6.0 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） 。 阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。2.2 系统各部分关键技术2.2.1 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

30、。 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。 氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。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 PROFIBUS-DP 通讯采用封装好的程 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 VC6.0 的 MSComm 通

31、信控件实现串行接 口发送数据 7。 釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。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。 怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。(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。 谚辞調担鈧谄动禪泻類。2.2.2 ZigBee 无线网络 蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢

32、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、”“ R-F EasyLink ”或“ fireFly无线”电技术，目前统称为 ZigBee8。嘰觐詿 缧铴嗫偽純铪锩。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。 熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。ZigBee 是一个由可多到

33、 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 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 11。 鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。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

34、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。 纣忧蔣氳頑莶驅 藥悯骛。（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 1.52.5 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。 颖 刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。（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

35、制场合等 ）应用。 濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。（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。 銚銻 縵哜鳗鸿锓謎諏涼（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。如果传输过应程应中应出应现应问题可以进行重发挤貼綬电麥结鈺贖哓类。（6） 安全：ZigBee 提供了基于循环冗应余应校应验应（应CR应应C）A的PS数应据包完整性检查

36、功能 ,支持9。赔荊鉴权和认证，采用应了应应AE应S应-128的加密算法 ,各个应用可以灵活确定其安应全应属性紳谘侖驟辽輩袜錈。应应ZigBee 协议栈 本设计采用的是应 应应应 NWK 应ZigBee-Pro/2007 协80议2.规15范.4P1H0Y，应其M协AC议应栈架构如图 2-3 所示图 2-3 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 塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。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

37、）、MAC 层和网络层（ NWK ）。其他 4-7 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 802.15.4 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NLDE-SAP )裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。物理层 PHY编号“11”到“26”。物理层处于 ZigBee协议栈的最底层，由 IEEE 802.15.4 规范

38、定义。IEEE 802.15.4 规范定义了三种物理层基带模式， 分别工作在 868 MHz、915 MHz 和 2.4 GHz 频段， 但 ZigBee 协议栈只采用了 2.4 GHz 这一频段一共有 16 个信道， 其中心频率由公式（ 2-1）计算得出： 仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。fc = 2045+5(k- 11)MHk= 12,13,26(2-1)绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。上层实体 了更高P的L速M率E（-SHz 频段在全球 理管理层频段实在体全球 理管（。理P层物M理L实E层）体4 GHPz D频-段S提AP供40kps），而且物2.4 G 两种服务：物理层数据服务物和理物层理层管物理服务（

39、co（l PDHataY Un）it ，PPDPUH）Y的-P收I发B数这不仅是因为工作在 2.为 20kps, 915MHz 为为 250kps,868MHz围内通用。物理层提供Hz层通过某 据服 过 PLME-SAP （物理层管理实体服务接入点）向上层提供管理 体同时也维护物理层个域网络信息库（ 层的结构模型如图 2-4 所示协议数据包（ PHY Proto一物理信道提供物理层 务；物理层管理实体通 服务。物理层管理实PRHYF -PSAANIPnformation Base ,PHY-PIB ）。物理 骁顾燁鶚巯瀆射蕪領频鲡赙硬。件图 2-4 物理层结构模块物理层的主要功能是实现两个物理

40、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。 瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。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 802.15.4 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。 鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。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

41、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 ,IEEE802.15.4 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。 栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。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

42、 层帧包括帧头、净荷和帧校验序列（ FCS），具体结构如下表： 辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应MCPS-SAP MLME-SAP AC 帧头MAC管理层实体（ MLME）MACMAC负载帧尾MAC 提供了M两A种C通服用务部：分M子AC层 层数据服务和 MAC 层管理服务 持子层服务接入点。网络层数据实体( NWK Layer Data Entity ， NLDE )通过 MAMCA C层-P通IB用部分支(MAC Common Part Sublayer SAP， MCPS-SAP)提供数据服务。AC 管理服务则是通过 MAC 层管理实P体D服-S务A接P入点 （MLME-SE供-M服SA务P。具体

43、MAC 结构模型如图 2-5 所示。峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。物理层10/20/2/80/20/2/80/5/6/10/14可变2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表 2-1 MAC 数据结构2（字节）帧控制地址域 上层实体图 2-5 MAC 层结构模型网络层 NWK由 ZigBee 协议栈架构可知， 网络层内部分为网络层数据实体NLD（EN-SLADPE ）和网络管理实N体LM（E-SNALPME ）两部分，如图 2-6 所 示。对上，网络层层是实igBee 联盟定义的协议层。 在逻辑上网络数据实体通过访问服务接口 NLDE-SAP 为上层接口 NNL

44、LMMEE-SAP 为上层提供网络层的管一般是应用层）提供数据服务；数据管理实体通过访问服务NLDE层数据实体通过MAC 层通用NE支KI持B 子层访问服务理服务。对下，网络通过 MAC 层管理实体访问服务接口获得管理MCP-SAP服务；数据管理层MLME-SAP鋨骜。MAC层实体10务接口获得数据。 詩叁撻訥烬忧毀厉图 2-6 网络层结构的设备类型初始化设备： 如果是协调器， 则应 口（ ZDO） 离开， 以及为其他设备分配地址等功能； 如果是路由器应具备发现、 报告和记录相邻设备信 力；如果是终端端设口备2则40应具备最基本端的口数据1 接收和发送功能应用层不同在设备启动时， 网络层会针对

45、该具备初始化应并用对建象立一2个40新的.网络应的用能对力象， 1 包括支共持口接其他。则APDE-SAPAPDE-SAP息的能鯤愜韋瘓賈晖园栋泷应用层是整个 ZigBee 协应议用层栈数据的实最体 高一层。 ZigBee 应用层由O ）和应用框架。 胀鏝彈奥秘孫戶三个部分组成，如图2-7 所示：应用支持子层（ APS）、ZigBee 设备对象（ ZD应用支持子层管g理实体（APSME）孪钇賻。应用支持子层APSIBZDO公共接口ZDO管理平台图 2-7 应用层结构框图应用支持子层（ APS）在网络层（ NWK ）和应用层之间提供了一个接口。跟低 层协议相似，应用支持子层支持两种服务：数据和管

46、理。应用支持子层数据实体 （APSDE）通过 APSDE 访问服务接口（ SAP）提供数据服务；应用支持子层管理 实体（ APSME）通过 APSME-SAP 体现管理能力。 鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。在 ZigBee 设备中应用层框架是应用对象的支撑，同时也管理着协议层。所有应 用对象都是供应商开发的， 这也为用户提供了应用的多样化。 在一个设备中最多可以 嵌入多达 240 个应用对象。 稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。在对等之间应用对象之间通过 APSDE-SAP 发送和接收数据（如图 2-5）。每 一个应用都有一个唯一的端点地址 （端点 1 至端点 240）。端点地址 0 为 ZDO 保 留。如果要广

47、播一个消息至所有应用对象， 那么它的端点地址必须设置为 255。端点 编址允许多个设备共享一个无线电收发器。 例如在智能家居照明系统中多个灯连接在 一个无线电收发器上， 每个灯都被分配了一个唯一的端点地址， 都能被独立地开启和 关闭。 ZDO 提供了一个在应用支持子层和应用框架层之间的服务接口 26 。它包括 了 ZigBee 协议栈中所有应用的通用函数。例如把一个设备配置成协调器、路由器还 是终端设备是 ZDO 其中的一个功能。 ZDO 利用原语履行它的职责，通过管理接口 APSME-SAP 获得 APS 的管理实体，应用框架层通过 ZDO 公共接口和 ZDO 联系 在一起。 陽簍埡鲑罷規呜

48、旧岿錟。ZigBee 新一代 SOC 芯片 CC2530 是真正的片上系统解决方案，支持 IEEE 802.15.4 标准。拥有庞大的快闪记忆体多达 256 个字节， CC2530 是理想的 ZigBee11 专业应用芯片。 CC2530 结合了一个完全集成的，高性能的 RF 收发器与一个 8051微 处理器，8 kB 的RAM ，32/64/128/256 KB闪存，以及其他强大的支持功能和外设 10。 沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。CC2530 还可以配备 TI 的一个标准兼容或专有的网络协议栈 （RemoTI，Z-Stack， 或 SimpliciTI ）来简化开发，使开发变得更加容易，因此本系

49、统选择 CC2530 作为主 控制器 11。钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。2.2.3 可控硅电路 在电灯控制电路中选用的是可控硅， 可控硅是可控硅整流元件的简称， 是一种具 有三个 PN 结的四层结构的大功率半导体器件， 亦称为晶闸管。 具有体积小、 结构相 对简单、功能强等特点，是比较常用的半导体器件之一 8。 懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。可控硅能以毫安级电流控制大功率的机电设备， 如果超过此频率， 因元件开关损 耗显著增加，允许通过的平均电流相降低，此时，标称电流应降级使用.謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。可控硅的优点很多，例如：以小功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍； 反应极快，在微秒级内开通、关断；无触

50、点运行，无火花、无噪音；效率高，成本低 等等.呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。可控硅工作原理： 它是由三个 PN 结四层结构硅芯片和三个电极组成的半导体器 件。可控硅的三个电极分别叫阳极 （A） 、阴极（K）和控制极 （G）。当器件的阳极接负电 位（相对阴极而言 ）时，从符号图上可以看出 PN 结处于反向，具有类似二极管的反向 特性。当器件的阳极上加正电位时 （若控制极不接任何电压 ），在一定的电压范围内， 器件仍处于阻抗很高的关闭状态。但当正电压大于某个电压 （称为转折电压 ）时，器件 迅速转变到低阻通导状态。 加在可控硅阳极和阴极间的电压低于转折电压时， 器件处 于关闭状态。此时如果在控制极上加有适

51、当大小的正电压 （对阴极 ），则可控硅可迅速 被激发而变为导通状态。可控硅一旦导通，控制极便失去其控制作用。就是说，导通 后撤去栅极电压可控硅仍导通， 只有使器件中的电流减到低于某个数值或阴极与阳极 之间电压减小到零或负值时，器件才可恢复到关闭状态 。莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。LCD模块LED模块TA3G章 系统硬C件C2电53路0 设计与实接口在本系统中最小的单位是一个功能外还必须具有一定的运算能电力和路存控储复杂程度以及设计的难度，本系制统选模择块了立的终端节点，串模现口块除了具有2.4GHZ 无线收发TI 公司模最新块的 CC2530 作为本设计的主芯片。只要极少数的外围元器件就能完成一个典

52、型的应用设计， 由此降低了整个无线网 络的成本。如图3-1 就是本文节点硬件电的源总设模计块方案麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。3-1 总设计方案3.1 核心功能模块要由 CC2530 主还引出了所有的通用 I/O滤波电路、外部晶振组成，此外/O 端口分配在三个接口，如图 3-2。该功能模块负责终端节点 收相关命令、 控制本节点相关输出芯片、电源或者是路由节点数据的采集、 预处理、设备（如 LED 、电机等），本设计采用发送以及接P1_0口来控控制电灯电路的闭合和断开鄖禎銣腻鰲锬。 納畴鳗吶图 3-2 CC2530 核心功能模块原理图3.2 串口通信接口CC2530两个 USART （串行同步 /异步通

53、信端口）接口，可以独立地工作在 者 SPI（串行外设接口 ）模式。RS232 标准定义逻辑“ ，逻辑“ 0”为 3 到 15 伏，而一般的微处理逻辑“ 为 0到 1伏。所以当 CC2530的 UART 相连于上位）模式或UART（通用异 的电平相对于地为 -3 到-15 伏的电平为 3 到 5时，它需1”1”转换静电保护13。風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙2驱动器来转换电平。本设计采用德州仪器公司的 N65C3243 支持 3.35.5V 电压供电，休眠 机通过串口通信接口与协调器相连接， 串口转N65C3243电流仅为 电流仅为图1，而且带图 3-3 串口转换电路13换电路如3-3 所示3.3 供电电

54、源电路ZigBee 节点设备按功能分，可以分为协调器、路由节点和终端节点。由于功能不同， 一般情况下它们的工作环境和工作时间长都不太一样： 协调器任务最重， 工作的时长也最长，工作环境较好；路由器次之；路由器任务最轻，大多时候都处在休眠而且很可能在野外或者环境较恶劣的地方。因此本系统采用了两种供电方案：状态，一种是采用开关电源供电（开关电源与市电电网相连） ，另一种是采用干电池组（两 节 AADCDC转换芯片把 5V 直流电压转换为 3.3V 直流电压输出；上半部分是干电池组供电电路，池）供电。如图 3-4 所示，下半部分是开关电源供电电路，主要采用了一颗有低电压报警调能采用开关电源供电，终端

55、设备采用干电池供电嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。图 3-4 供电电路3.4 电路控制模块电路控制模块采用双向可控硅调光电路，电路设计如图 3-5 所示。 HOT 端口与 GROUND 端口则与另一根地线相连，用光电耦合器 MOC3021 内部双向晶闸管 1 引脚为高电平时， ，电路断开，灯熄灭。220V 电路的火线相连，而MOC3021 作为晶闸管的驱 导通，触发外部晶闸MOC3021 内部双向晶闸管断开，从个电路导通，灯 而触发外部晶闸平时， 点亮；当 管也断开铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。图 3-5 控制电路设计图144.1 ZigBee建一络系统通过两显块示件网设络的2I5D3、0频芯道片分别作为协调器和家庭终频道发送加入网络信号机负责采集用户进的入数无据线，监控状然态后通过串口传输方式将加入是否成数据后进行打包然后发网络控给制新加中入心节，点分配并 网络号，并显示加 的入节点Zi的gb网e络e号节监视无线信现对电灯的控制据得进到入监的控数状据态控并显示加器建了否 ZigBee 网络，上位 器， 协调器接收到 制可控硅电路从而实（ Coordinator），在终 Coor收di到na开to或r关通命过令轮询方式