Zigbee无线中继控制和电源监控系统

1、作者:日期:Zigbee无线中继控制和电源监控系统Shrey Surana (ss632) Shrey Surana( ss632)Casey Worthington( cdw38) 凯西沃 辛顿 (cdw38)Contents 内容Introduction导言本文为互联网收集，请勿用作商业用途文档为个人收集整理，来源于网络Rationale and sources of your project idea基本原理和思想来源的项目 本文为互联网收集，请勿用作商业用途个人收集整理，勿做商业用途Background Theory 背景理论文档为个人收集整理，来源于网络本文为互联网收集，请勿用作商业

2、用途Physical Layer物理层本文为互联网收集，请勿用作商业用途本文为互联网收集，请勿用作商业用途Link Layer 链路层 文档为个人收集整理，来源于网络个人收集整理，勿做商业用途Network and Tran sport Layers网络层和传输层 本文为互联网收集，请勿用作商业用途文档为个人收集整理 ，来源于网络Session, Presentation, and Application Layers 会议，简报，以及应用层 本文为互联网收集，请勿用作商业 用途个人收集整理，勿做商业用途Our Project 我们的项目 个人收集整理，勿做商业用途本文为互联网收集，请勿用作商

3、业用途Logical Structure 逻辑结构文档为个人收集整理，来源于网络个人收集整理，勿做商业用途Hardware/Software Tradeoffs 硬件/软件权衡 本文为互联网收集，请勿用作商业用途文档为个人收集整理，来源于网络Standards 标准个人收集整理，勿做商业用途本文为互联网收集，请勿用作商业用途Software Details 软件的详细信息 文档为个人收集整理，来源于网络本文为互联网收集，请勿用作商业用途Overview 概述 文档为个人收集整理，来源于网络个人收集整理，勿做商业用途Evolution of Software Design 软件设计的演变 个人收

4、集整理，勿做商业用途个人收集整理，勿做商业用途Software Design, Microcontroller Side软件设计，单片机侧本文为互联网收集，请勿用作商业用途文档为个人收集整理,来源于网络Software Design， PC Side 软件设计，PC端个人收集整理，勿做商业用途本文为互联网收集，请勿用作商业用途Xbee Configuration: A Brief Primer的XBee配置：简引物 本文为互联网收集，请勿用作商业用途文档为个人收集整理，来源于网络Our Xbee Configuration 我们的 XBee配置文档为个人收集整理，来源于网络文档为个人收集整理，

5、来源于网络PC Side The Coordinator PC端：协调员 文档为个人收集整理,来源于网络个人收集整理，勿做商业用途MCU Side: The End Device单片机端：终端设备本文为互联网收集，请勿用作商业用途文档为个人收集整理 ，来 源于网络Why use Xbee IO to monitor relays controlled by the MCU?为什么使用单片机的 XBee 印务局,监察继电器控制的 文档为个人收集整理，来源于网络文档为个人收集整理，来源于网络Hardware Details 硬件详细信息 本文为互联网收集，请勿用作商业用途文档为个人收集整理，来源于

6、网络Arduino Board阿尔杜伊诺委员会 个人收集整理，勿做商业用途个人收集整理，勿做商业用途Xbee Chip 的XBee芯片个人收集整理，勿做商业用途个人收集整理，勿做商业用途Relays 继电器本文为互联网收集，请勿用作商业用途文档为个人收集整理，来源于网络Thi ngs We Tried that Did Not Work ( Hardware)事情我们试过了没有工作 (硬件文档为个人收集整理，来源于网络个人收集整理，勿做商业用途Results of the design 设计结果的 个人收集整理，勿做商业用途个人收集整理，勿做商业用途Speed of execution 执行速

7、度个人收集整理，勿做商业用途文档为个人收集整理，来源于网络Accuracy 精度本文为互联网收集，请勿用作商业用途个人收集整理 ，勿做商业用途How you enforced safety in the design你如何实施设计中的安全 本文为互联网收集，请勿用作商业用途本文为互联网收集，请勿用作商业用途In terfere nee with other people ' desig ns干扰与人的其他设计 文档为个人收集整理，来源于网络本文为互联网收集，请勿用作商业用途Usability by you and other people 可用性你和其他人 个人收集整理，勿做商业用途文

8、档为个人收集整理，来源 于网络Conclusions 结论个人收集整理，勿做商业用途本文为互联网收集，请勿用作商业用途Overview 概述文档为个人收集整理，来源于网络本文为互联网收集，请勿用作商业用途Things We Could Improve Upon事情是我们可以改善我们 个人收集整理，勿做商业用途个人收集整理，勿做商业用途IP Considerations IP注意事项本文为互联网收集，请勿用作商业用途个人收集整理 ，勿做商业用途Ethical considerations.道德方面的考虑。10 10文档为个人收集整理，来源于网络个人收集整理，勿做商业用途Societal Impa

9、ct 社会影响文档为个人收集整理，来源于网络本文为互联网收集，请勿用作商业用途Legal considerations 法律方面的考虑 个人收集整理，勿做商业用途个人收集整理，勿做商业用途Hardware 硬件本文为互联网收集，请勿用作商业用途文档为个人收集整理，来源于网络Software 软件个人收集整理，勿做商业用途个人收集整理，勿做商业用途Appendix of Code 附录代码本文为互联网收集，请勿用作商业用途文档为个人收集整理，来源于网络Appendix of Schematics 附录示意图 文档为个人收集整理，来源于网络个人收集整理，勿做商业用途Appendix of Cost

10、 附录成本 文档为个人收集整理，来源于网络本文为互联网收集，请勿用作商业用途Appendix: Member Tasks 附录：会员任务 个人收集整理，勿做商业用途个人收集整理，勿做商业用途Shrey Surana Shrey Surana个人收集整理，勿做商业用途个人收集整理，勿做商业用途Casey Worthington 凯西沃辛顿 文档为个人收集整理，来源于网络个人收集整理，勿做商业用途References 参考文献个人收集整理，勿做商业用途文档为个人收集整理，来源于网络Data Sheets 数据表个人收集整理，勿做商业用途本文为互联网收集，请勿用作商业用途Ven dor Sites供

11、应商的网站文档为个人收集整理，来源于网络文档为个人收集整理，来源于网络Code and Desig ns Borrowed From Others代码和设计借鉴了其他 本文为互联网收集，请勿用作商业用途本文为互联网收集，请勿用作商业用途Background Sources 背景来源个人收集整理，勿做商业用途本文为互联网收集，请勿用作商业用途Ackno wledgeme nts 致谢本文为互联网收集，请勿用作商业用途个人收集整理，勿做商业用途In troductio n简介We desig ned a system for wirelessly con trolli ng relays and

12、mon itori ng curre nt.我们设计了一个无线控制继电器和监测当前的系统 .This is used for a home load simulation 。这是用于家庭负载模拟。Bywirelessly tur ning relays on and off by sending comma nds from a PC to a microc on troller we can cha nge the total load (curre nt) to our simulated home 。通过无线方式打开和关闭继电器从PC发送命令到微控制器，我们可以改变我们的模拟家用总负载(

13、电流).For wireless communication, we used XBeeSeries 2乙gbee RF modules对于无线通信中，我们使用的 XBee系列2乙gBee射频模块。One of these modules was connected to a microcontroller and the home load simulation, while another was connected to the PC, which was used for collecting and displaying data as well as for relay monit

14、oring and con trol.这些模块之一，是连接到微控制器和家庭模拟加载，而另一个是连接到PC这是收集和展 示为继电器监测和控制数据以及使用。本文为互联网收集，请勿用作商业用途个人收集整理，勿做商业用途Ration ale and sources of your project idea 思想的基本原理和你的项目来This project was proposed by a research/project team here at Corn ell work ing on a so-called SmartHome Energy Monitoring System。 Our poi

15、nts of referenee within this group are Professor John Belina ( ) and Kamil Bojanczyk ( ).该项目是由一个研究 /智能家居系统能源监测项目的团队在康奈尔大学工作的一个所谓的。我们在本组的参考点是教授约翰 Belina ( )和卡米尔 Bojanczyk ( ).文档为个 人收集整理，来源于网络文档为个人收集整理，来源于网络What this group is

16、 work ing on is an en ergy-mon itor ing system for a home using alter native en ergy sources。这个集团是什么工作，是一个使用替代能源的家庭能源监测系统.A very high-level blockdiagram of this system is shown below :非常高的级别该系统的框图如下：Figure 1。图1。High-level diagram of the "Smart Home Energy Monitoring System。"高级别图 智能家庭能源监测系统

17、。”In the above diagram, the Magic Box" esse ntially exists to route en ergy betwee n the house, the various energy sources (for example , a solar cell or the electric grid), and an energy storage unit (such as a rechargeable battery).在上面的图中，魔术盒”的存在是为了基本路线之间的众议院能源，各种能源(例如，太阳能电池或电网)和一个能量存储单元(如充电电

18、池)。In this project, we will black box"this Magic-Box system, and in stead focus on ano ther porti on of this en ergy mon itor ing system, whichin volves sending data regard ing en ergy usage and various en ergy loads (by wirelessly con trolled relays) to a PC in order to display and monitor ene

19、rgy usage within the home。在这个项目中，我们将 黑盒子" 这个魔术盒系统，而是集中在另一本能源监测系统，它包括发送数据在能源使用和各种能源负载(由无线控制继电器)的一部分，以便到PC显示和监测在家庭能源消耗。个人收集整理，勿做商业用途个人收集整理,勿做商业用途? ? Our project focuses on the House to In Home Display (IHD) part of this system。我们的 项目集中到在众议院在家庭显示器(IHD的)这个系统的一部分。What our project does is thefollowin

20、g:我们做什么项目如下：? ? Simulates a home by using resistors to model various appliances or groups of appliances模拟家庭使用电阻来模拟各种用具或设备组? ? Allows a user to wirelessly turn on and off various sets of appliances by controlling relays 允许用户以无线方式打开和关闭各种成套设备通过控制继电器? ? Monitors total power consumption and current in th

21、is home显示器总功率消耗，在这个家里电流? ?Wirelessly transmits the above data to a PC, displaying the data on a graph that showsreal-time power consumption in the home( or simulated home)上述数据无线传输至U 电脑，显示在图上显示实时的家用电源消耗(或模拟的家庭)中的数据Our simulated home ” con sists of 7 applia nces, each modeled by a resista nee (a load)

22、。我们模拟的 家" 由 7用具，用电阻(负载)为蓝本每个.These 7 loads are all in parallel, and are fed voltage from a 5 V DC source (the microcontroller).这7个都在并行加载，并美联储从5 V直流源(微控制器)电压。In a real house, the source voltage would be 120 V AC (in the Uni ted States at least)。在实际的房子， 电源 电压 120 伏交流会(在美国至少).We con sidered attemp

23、t ing to impleme nt this, but con sideri ng thepractical dan gers of playi ng aro und" with 120 V AC circuits as well as the fact that a relay con trol system shouldn ' depend on the voltages being fed through the relays led us to decide to stick with 5 V DC circuits for testing and simulat

24、ion。我们认为试图实现这一点，但考虑玩弄”的120伏交流电电路，这样一个事实：继电器控制系统不应依赖于正在通过继电器的电压以及美联储的现实危险使我们决 定坚持5 V直流测试和模拟电路。文档为个人收集整理，来源于网络个人收集整理，勿做商业用途Backgro und Theory背景理论What we have built is a simple transmission system based on the Zigbee routing and networking protocol.我们已经建立是一个简单的传输系统协议基于乙gBee路由和网络。This protocol and itsde

25、tails are discussed in greater detail i n the Stan dards sect ion (below); in this sect ion, we focus on un derly ing n etwork theory and the role this theory played in our project 。本议定书和它的细节更详细 地讨论在标准节(下)，在这节中，我们侧重于基础网络理论与我们的项目中的作用发挥这一理论.Data networks (and transmission systems) are typically divide

26、d into various layers based on functionality.数据网(与传输系统)是典型的基于功能分成不同的层次。This is sometimes called aprotocol stack” (in our case, we are using a Zigbee stack')。这有时被称为一个 协议栈"(在我 们的例子中，我们使用的是 ZigBee协议栈")。Essentially, the lower the layer , the closer we are to worrying about actual physical

27、electrons flying around. 从本质上讲，层越低，越接近我们要担心实际物 理电子飞来飞去。Con versely, the higher the layer, the less we are worryi ng about physical con stra intsand the more abstract the data structures are that we are deali ng with and mani pulat ing.相反，较高的层,那么我们担心的物理限制和更抽象的数据结构是，我们正在处理和操作。本文为互联网收集，请勿用作商业用途本文为互联网收集

28、，请勿用作商业用途The most famous of these layeri ng models is the Ope n System In terc onnection (OSI) Refere nee Mode, which is shown below:其中最有名的这些分层模型是开放系统互联(OS)参考模型，它是如下所示：OSI ModelData unitLayerFunction7* ApplicationNetwork process to applicationHost layersData& PresentationData rep reentatjon. enc

29、rypt! d n and decryption5. Sessioninter host conrununicatronSegments4. TransportEnd-to-end connectront and ret lability/low controlMedia layersPacket3. WetworkRath determinabon and logical addressingFrameN Data LinkPhysical addressingBit1. PhysicalMedia, signat and binary tT&n amissionFigure 2。图

30、 2。The OSI Reference Model ( Source: /wiki/OSI_model) OSI 参考模型(来源：http : //wiki/OSI_model )The functionality of each layer (or group of layers) is described in a bit more detail below. 本)功能的 每一层(或组层位中描述更详细说明。Physical Layer 物理层The physical layer's job is to m

31、ove in dividual digital bits from one place to ano ther。 物理层的工作是从 一个地方至9另一个个人数码位。The protocols in this layer depend on the actual physical medium。在这一层的协议依赖于实际的物理介质。For example, in a wireless system, the actual physical mediumis simply the atmosphere.例如，在一个无线系统，实际的物理介质是简单的气氛。Link Layer 链路层A network&#

32、39;s link layer routes a series of bits (sometimes called a datagram ) from one node in a network to an other。 一个网络的链路层路线的一系列位从一个网络节点(有时)称为 数据包 至9另一个地方。This can happe n through a series of in termediate switches （or routers ）。 这可能发生通过）系列交换机或路由器中间 （。Protocols at this layer provide more robust and ful

33、l-featured services than protocols at the physical layer。在这层协议提供服务而不是在物理层协议功能强大，更全面。 WiFiis one example of a link layer protocol. WiFi 是一种协议的一个例子链路层。Network and Tran sport Layers 网络层和传输层Again, since these layers are higher in the model, protocols at this layer typically are more full-featured than p

34、rotocols at the link or physical layers。同样，因为这些层较高的模型，在此协议层通常是更全面 的功能比在链路层协议或身体。Protocols at these layers use the link layer's routing capabilities tomove the aforeme nti oned datagrams betwee n no des in a n etwork。 在这些层协议使用的链路层的路 由功能，移动网络节点之间的上述数据报。The In ter net Protocol （ IP） is probably the

35、 most famousnetwork layer protocol， while the Transmission Control Protocol （TCP and the User Datagram Protocol （ UDP） are two examples of well known and widely used transport layer protocols。 因 特网协议（IP）可能是最有名的网络层协议，而传输控制协议（TCP和用户数据 报协议（UDP）协议 的例子有两个知名的和广泛使用的传输层 Certa in higher-level fun ctio nality

36、 is more prevale nt in thesetwo layers than in lower levels.某些更高级别的功能是越层普遍比在这两个较低的水平 For example,flow con trol -co ntrolli ng the tran smissi on rate betwee n no des in order to lower con gesti on on the network （realizing that even just a two-node transmission system can be considered a network&quo

37、t;）-and reliable transmission （ensuring that a packet is actually received） are two features commonly implemented in the network and transport layers。例如,流量控制一为了控制节点之间的传输速率降 低）的网络拥塞（意识到，甚至只是一个两节点的传输系统可以被认为是网络"可靠的传输（确保数据包实际上是收到）是传输层的功能一般两年实施的网络。文档为个人收集整理，来源于网络文档为个人收集整理,来源于网络Session ； Presentation

38、, and Application Layers 会议， 演示和应用层These layers are essentially the end result of a networking protocol stack。这些层在本质上是最终结 果栈网络协议。For example, a web browser resides in the application layer.例如，Web 浏览器驻留在应用层。These layers make use of all of the lower layers to send data betwee n no des on a n etwork ,a

39、nd then use their own protocols for manipulating that data。这些层使层使用较低的所有发送网络上 的节点之间的数据，然后使用自己的协议来操纵数据。A web browser renders HTML but useslowerlevel protocols to send HTML between nodes in a network。 呈现 HTML 网页浏览器，但使用 较低级别的协议来发送网络节点之间的HTML中。文档为个人收集整理，来源于网络本文为互联网收集，请勿用作商业用途Our Project 我们的项目The part of

40、our project that we implemented basically deals with the network layer and above. 该项目 的一部分，我们，我们基本上实现上述处理的网络层和.The XBee chips (which are discussed in muchgreater detail later in the report ) and firmware allow us to black box" the Data Link and Physical layers, and the ope n source Xbee API and

41、 Xbee-Ardui no software packages greatly simplified our work in the network layer.该芯片的XBee (这是更详细讨论后，在报告)和固件让我们黑盒子"中的数据链路和物理层，和开源的XBee API的和XBee "阿尔杜伊诺软件极大地简化了我们的工作网络层。Thus,it was not strictly necessary for us to have a deep understanding of the underlying physical, link, and network layer

42、 protocols used, but a brief discussion of this is warranted nonetheless. 因此，它不是完全 有必要让我们能够有一个，链接的深刻理解的基础物理和网络层协议使用，但这个简短的讨论是必要的仍然。个人收集整理，勿做商业用途本文为互联网收集，请勿用作商业用途The physical layer protocol/standard used in Zigbee systems is IEEE 802 15.4 ( http : /www。ieee802。 org/15/pub/TG4.html ).物理层协议 /标准系统使用在 Zi

43、gbee 是 IEEE 80215。4( http:/www.ieee802。 org/15/pub/TG4。html )。 This is a wireless standard that operates, in North America , in the range of 24002483.5 MHz or 902-928 MHz.这是一个无线标准，经营美国，北，在兆赫范围2400-2483。5 MHz 或902-928。 Zigbee, and most importantly our chips, operate in the higher 2。4 GHz range, so th

44、at isthe range we will briefly discuss here。 ZigBee和最重要的是我们的芯片，工作在更高的 2。4 GHz频 率范围，所以这是我们将简要的范围在这里讨论 .The data transmission rate is up to 250 kilobits perseco nd.数据传输速率达到每千位二百五十秒文档为个人收集整理，来源于网络文档为个人收集整理，来源于网络Logical Structure逻辑结构A block diagram of our system is shown below。我们的系统框图如下所示。As you can see

45、 there areseven relays which are con trolled by the MCU.正如你可以看到其中有七个是由单片机控制继电器。The MCU gets its comma nd from the Xbee Chip which is wirelessly tran smitted from ano ther Xbee chip that is connected to the PC。从得到的单片机芯片，无线的XBee另一个的XBee芯片连接到电脑发送的命令。The user can specify from the PC which relays they wa

46、nt to turn on and off。用户可以从电脑中指定的继电器他们要打开和关闭。 Also all seven of the relays load goes through a .2 ohm power resistor which goes through an optoisolator to keep it safe from the MCU and fin ally to the Xbee chip. 另 外所有负载的继电器七经过一个0.2欧姆的电阻，电源通过一个光隔离器去保证它的安全从MCU，最后到的 XBee芯片。This gets transmitted back to

47、 the PC to be displayed on a graph in a GUI。这得到 传回的电脑上，在一个GUI图形显示。本文为互联网收集，请勿用作商业用途文档为个人收集整理，来源于网络Arduino BoardAtmel Mega328 MCU 1LzRr1»' iRrM 2Figure 3.图 3. Highlevel design overview of our project.高级别我们的项目设计的概述。Hardware/Software Tradeoffs 硬件 / 软件权衡We did n ' really have much hardware/

48、software tradeoffs because we did n't have a budget con stra int since we were working for a project team。我们并没有真正有很多硬件/软件的权衡，因为我们没有一个预算约束，因为我们是一个项目团队工作。However we did decide to use an Arduino boardin stead of the STK500 which we were used to。但是，我们也决定使用，而不是我们被用于STK5O0勺一阿尔杜伊诺板 .This required less

49、software for us to write.这就要求我们少写软件。It seemed muchless tedious to write certain tasks in Arduino such as turning on an LED.这似乎更繁琐， 如写一个 LED的 转折点 Arduino 的某些任务.We were interested in expanding our knowledge of other hardware/software that were similar but not exactly the same as what we had lear ned t

50、hroughout the semestero我们有兴趣扩大我们的其他硬件/软件知识相似，但并不像我们在整个学期学到的完全一 样。 Other tha n that we did not have to do any other sort of tradeoff betwee n hardware and software.除此之外，我们没有做任何的硬件和软件之间的权衡其他排序。本文为互联网收集，请勿用作商业用途文档为个人收集整理，来源于网络标准The most releva nt sta ndard for our project is the Zigbee wireless n etwor

51、k ing sta ndard, which is IEEE 802。15.4。最适合我们的项目相关的标准是 ZigBee无线网络标准，这是IEEE 802.15 4。The reason we chose 乙gbee over WiFi (802.11) or another RF standard was twofold.我们之所以选择了通过 WiFi(802.11)或其他 RF标准是双重的 Zigbee 技术。First, it consumes a very low amount of power, which could be very useful on the MCU end o

52、f our tran smissi on system ( see Ten tative Desig n sect ion).首 先,它消耗的功率非常低的金额，这可能是非常单片机对我们的传输系统端(见初步设计部分)非 常有用。And second， it is ( apparently) of much lower complexity than WiFi, making it easier toimplement.第二，它为(显然)远低于无线的复杂性， 使得它更容易实现。It has a lower data rate than WiFi (only up to 250 Kbits/seco

53、nd) but is still easily capable of transmitting the relatively low amounts of data that are necessary in this domain.它具有较低的数据速率比无线(只到250千位/秒)，但仍然很容易传输的数据都需要在这一领域的相对低量的能力。The main feature of this standard is then ecessity of achiev ing tech no logical simplicity， low operati on cost, and low manu fac

54、turi ng cost without sacrificing flexibility or generality。本标准的主要特点是实现不牺牲灵活性或一般性的技术简单，运行成本低，制造成本低的必要性.个人收集整理，勿做商业用途本文为互联网收集，请勿用作商业用途Software Details软件详细信息Overview 概述The software portion of this project consists of two main applications: one for an Arduino based microc on troller un it ， and ano ther

55、 for the PC. Arduino ， as discussed in the hardware sect ion, is an open source electronics prototyping platform" based on Atmel microcontrollers (in our case, an ATMega328) and its own Ardui no programmi ng Ian guage .该计划的软件部分包括两个主要应用：为 一阿尔杜伊诺为基础的微控制器和彼此。筹委会一阿尔杜伊诺，如部分讨论的硬件，是一个开放的源电子原型平台”基于Atme

56、l微控制器(在我们的情况下，ATMega328)和自己的Arduino编程语言 .This Ianguage is very similar to C/C+， and the programming paradigm is almost exactly the same as it is whe n writ ing in C for AVR-GCC and Atmel MCU's .这种语言是非常相似的 C / C + +和编程范式是 几乎完全一样，因为它是用C编写时的AVR GCC和爱特梅尔微控制器的.个人收集整理，勿做商业用途本 文为互联网收集，请勿用作商业用途On the PC

57、 side, we used Java to in teract with an XBee chip conn ected through either a serial or a USB port （in other words, the XBee is recognized as a serial device on the PC）。 在 PC方面，我们使用 Java 进行交互通过串行或 USB端口连接一的XBee芯片（换句话说，该的XBee是PC上的串行设备识别）。Evolution of Software Desig n软件设计的演变The reason for choosing a

58、Java-Arduino based system is simple: we found a pair of very well docume nted ope n source （ GPLv3 projects impleme nti ng an API for data tran smissi on using XBee chips and the乙gbee protocol。在选择Java的阿尔杜伊诺基础的系统的原因很简单：我们发现 了一个非常良好的记录开源（GPLv3勺）执行数据使用的XBee芯片和乙gBee协议传输的空气污染指 数的项目配对 These projects are:这些项目是：-XBee API : This is for the PC side.的 XBee API 的：这是用于 PC端。It is a Javasoftware library with the goal of providi nga f