基于物联网的灯光控制系统——灯光节点设计(共28页)

1、毕业设计(b y sh j)说明书设计(shj)题目: 基于(jy)物联网的灯光控制系统 灯光节点设计专 业: 物联网应用技术 班 级: 物联网XX 学 号: 姓 名: 指导教师: 二一五年十二月二十日PAGE 学 生姓 名学号班级专业物联网应用技术设计题目基于物联网的灯光控制系统灯光节点设计指导教师姓名职 称工作单位及所从事专业联系方式备 注设计内容：课题简介：以道惟尔公司CC2430无线传感器节点和光照传感器模块为载体，基于IAR和VS2010开发环境，设计一个灯光控制系统，实现对道路灯光亮灭进行控制，并接受上位机监控命令。主要任务：（1）设计51单片机控制层的软件，包括根据系统工作过程制

2、定51单片机模块与CC2430无线通讯模块串口通讯协议，然后编写和调试串口收发子程序设计；（2）撰写设计报告。主要技术要求如下：（1）采用模块化设计思想规划各子程序功能；（2）串口通讯的基本数据帧格式为：帧头、功能码、数据长度、数据、帧尾。进度安排：1. 任务分解，收集有关资料并消化吸收2周；2. 制定设计方案1周；3. 软件设计6周；4. 撰写设计报告2周；5. 准备毕业答辩。主要参考文献、资料(写清楚参考文献名称、作者、出版单位)：1孙利民，李建中，李偷，朱红松.无线传感器网络.清华大学出版社，20052陈林星.无线传感器网络技术与应用.电子工业出版社，20093王小强，欧阳骏，黄宁淋.Z

3、igBee无线传感器网络设计与实现.化学工业出版社，20124郭渊博，杨魁武，赵俭.ZigBee技术与应用CC2430设计、开发与实践.国防工业出版社，20105高守玮，吴灿阳.ZigBee技术实践教程.北京航空航天大学出版社，20096CC2430资料./view/1735618.htm审批意见教研室负责人：年 月 日备注：任务书由指导(zhdo)教师填写，一式二份。其中学生一份，指导教师一份。页摘要目前现有的城市路灯控制系统大多采用有线连接的方式，系统成本高、功耗大、施工复杂，而且存在能源浪费、后期维护(wih)困难等问题。针对以上缺点以道惟尔公司(n s)CC2430无线传感器节点(ji

4、 din)和光照传感器模块为载体，基于IAR和VS2010开发环境，设计一个模拟道路灯光控制系统，实现对道路灯光亮灭进行控制，并接受上位机监控命令。该系统采用了无线传感器网络和ZigBee技术，无线传感器网络是一种集无线通信、数据采集和信息处理功能于一体的新兴网络。ZigBee技术是无线传感器网络中最具代表性的一种新兴技术，具有低成本、低功耗等特点。将ZigBee技术应用于城市路灯控制系统，将有利于实现路灯控制系统的智能化和节能化。关键词CC2430无线传感器网络ZigBee第1章概述(i sh)在城市(chngsh)道路灯光控制(kngzh)中，为了实时地控制不同道路灯光的亮灭，需要一个分布

5、式多点道路灯光控制系统。传统的多点分布式道路灯光控制系统多采用有线传输方式，然而随着分布式节点的不断增加，系统的布线复杂度和成本也就极具增加，这给系统的设计、维护和升级带了许多不便。如何解决有线网络带来的诸多不便已成为当下研究的热点。无线传感器网络(WSN)具有自组织、可快速部署、屏蔽性强、无人值守等优点。随着射频技术、集成电路技术的发展，无线通信功能的实现越来越容易，数据传输速率也越来越快，并且逐渐达到可以与有线网络相媲美的水平。基于物联网的灯光控制系统旨在设计一种基于物联网的模拟道路灯光控制系统，用以实现对多个分散节点的灯光亮灭控制。采用模块化设计，无论是硬件还是软件，各个分层间结构清楚。

6、在技术架构上，将感知、传输、应用分离，采用感知控制层、传输通信层、应用服务层三层架构设计。第2章系统(xtng)总体设计2.1设计(shj)目标1经调研分析，制定系统总体逻辑(lu j)架构和技术架构。2合理选择各部分硬件，并开发基于CC2430平台的驱动程序。3基于CC2430和TI Z-STACK协议栈，开发WSN应用程序，组建具有分布式自组网能力的WSN灯光控制无线传感器网络。4完成PC展示层应用软件开发。5最终搭建一套具有较好实时性的灯光控制系统。2.2设计原则本系统在设计过程中综合考虑了以下基本原则：1在达到预期功能的基础上，确保系统的性能指标，如灯光控制实时性指标、网络自愈性指标等

7、。2模块化设计，无论是硬件还是软件，各个分层间结构清楚，采用规范的通讯协议，便于系统升级和网络扩容。2.3技术架构在技术架构上，将感知、传输、应用分离，采用感知控制层、传输通信层、应用服务层三层架构设计。PC展示层应用软件基.Net Framework框架，在VS2010平台实现。2.4系统组成本系统可分为感知层、传输层和应用层三层架构。整个无线传感器网络架构如图2-1所示。感知层主要为CC2430终端。终端将通过无线网络接收来自协调器下发的灯光控制数据。传输层主要为CC2430协调器。协调器，上电后建立一个网络，接受从网络上传输来的信息，并将这些信息通过串口传到PC。应用层主要包括通过串口与

8、CC2430协调器连接的上位机管理软件。图2-1无线传感器网络结构第3章系统(xtng)通讯(tngxn)协议规划(guhu)3.1系统运行流程道路灯光控制系统的运行主要包括注册网络、获取网络参数、下发控制指令等三方面的操作。在道路灯光控制系统中服务器与CC2430协调器之间是通过串口进行通信，两者之间是需要使用统一的波特率、并按指定帧格式收发数据。CC2430协调器与CC2430终端节点之间是通过ZigBee无线网络通信的，需要物理地址和网络地址。CC2430终端节点是通过普通I/O口将控制命令转化为控制模块（执行机构）的驱动信号的。3.1.1注册网络系统启动后，CC2430协调器首先建立无

9、线网络，路由器和终端节点在发现网络后，会主动加入网络，并上传网络参数（物理地址、网络地址、节点类型等）。注册网络的流程如图3-1所示。图3-1注册网络运行流程3.1.2获取网络参数系统运行中，为及时发现掉线节点，系统会周期性去询问节点，要求返回网络参数。获取网络参数的流程如图3-2所示。图3-2获取网络(wnglu)参数运行流程3.1.3下发(xi f)控制指令当需要(xyo)改变各被控对象的运行状态时，系统就需要下发各类控制指令，其流程如图3-3所示。图3-3下发控制指令运行流程3.2通信协议规划3.2.1规划原则1）透明传输，将控制与传输分离。2）ZigBee无线网支持广播、点对点通信。3

10、.2.2WSN网络结构1.WSN类型(lixng)节点 1）协调(xitio)器（Coordinator） 在无线传感网络中，有且只有一个协调(xitio)器节点，它负责选择网络所使用的频率通道、建立网络并将其他节点加入网络、提供信息路由、安全管理和其他服务。 2）路由器（Router） 路由器节点是网络远距离延伸的必要部件。它负责发送和接受节点自身信息；节点之间转发信息；允许子节点通过它加入网络。 3）传感器节点（Sensor） 传感器节点的主要任务就是发送和接收信息，通常一个终端节点处在数据收发状态时可进入休眠状态以降低能耗。 2. 网络拓扑选择本系统的无线网络基于Z-Stack协议栈完成

11、，由于控制点不多、分布范围较窄，故采用星形网络拓扑结构，如图3-4所示。图3-4星形网络拓扑3.1.3通信协议协议的规划应采用分层方式实施，以便明确边界。对于本系统而言，整个协议从下自上为分三层，如图3-5所示。图3-5自定义协议(xiy)的层次结构1）网络(wnglu)间传输数据流的特点。表3-1数据流特点(tdin)序号链路方向数据流功能数据流大小数据流内容1上行注册网络（1-1）=24B源节点物理地址（8B）源节点网络地址（2B）源节点的节点类型（3B）父节点物理地址（8B）父节点网络地址（2B）目标节点提取的链路质量 （1B）上传网络参数（2-4）=24B源节点物理地址（8B）源节点网

12、络地址（2B）源节点的节点类型（3B）父节点物理地址（8B）父节点网络地址（2B）目标节点提取的链路质量 （1B）上传执行结果（3-5）=11B源节点物理地址（8B）源节点网络地址（2B）执行结果（1B）2下行下发获取网络参数指令（2-3）=13B目标节点物理地址（8B）目标节点网络地址（2B）帧功能标识（3B）下发控制指令（3-3）=14B目标节点物理地址（8B）目标节点网络地址（2B）帧功能标识（3B）控制参数（1B）2）协议帧格式。表3-2无线网通信协议基本帧格式内容字节数备注帧头&WSN4帧类型3帧长度241物理地址8功能复用： （1）注册网络和获取网络参数时：承载源节点物理地址（8B

13、）、网络地址（2B）； （2）下发控制指令时：承载目标节点物理地址（8B）、网络地址（2B）；（3）上传执行结果时：承载源节点物理地址（8B）、网络地址（2B）。网络地址2数据包7功能复用： （1）注册网络和获取网络参数时：18-19字节承载父节点网络地址（2B），20-22承载节点类型（3B）； （2）下发控制指令时：承载控制参数（1B），没有用完的字节填充0； （3）上传执行结果时：承载执行结果（1B），没有用完的字节填充0。连接质量1帧尾END33）表3-3，各字段含义(hny)。表3-3各字段含义(hny)帧头用于表明一帧数据的开始。帧类型用于指明传输的这一帧的数据的用途。帧长度用于指

14、明接下来要传输的物理地址、网络地址、数据包等三字段的长度。物理地址功能复用。网络地址功能复用。数据包用于指明通信中具有实质意义的数据。连接质量用于指明 WSN 中节点与节点通信的链路的通信质量。帧尾用于表明一帧数据的结束。4）帧类型(lixng)简表。表3-4帧类型简表帧类型功能命令备注下行链路下发获取网络参数指令 （2-3）RNPRead Node Network Parameters读取节点网络参数下发控制指令 （3-3）CPAControl by Physical Address 根据物理地址下发控制指令CNAControl by Network Address 根据网络地址下发控制指令

15、5）帧类型(lixng)详表。表3-5JNS帧类型(lixng)详表功能类型详细解释JNS注册网络（1）用途：终端节点新加入网络后，向协调器发送节点入网信息。（2）终端节点或路由器上传到协调器的数据项目字节数内容帧头4B&WSN帧类型3BJNS帧长度1B0 x18物理地址8B源节点物理地址网络地址2B源节点网络地址数据包7B0-1字节父节点网络地址2-4字节节点类型（终端节点：RFD）连接质量1B协调器收到节点数据后的连接质量数据帧尾3BEND（3）使用步骤1）协调器建立网络 2）启动路由器或终端节点 3）终端节点主动上传入网信息。字符串示例：&WSNJNS123456780100RFD5EN

16、D表3-6CPA帧类型(lixng)详表功能类型详细解释CPA下发控制指令（1）用途：根据网络地址下发控制指令。（2）协调器下发到终端的数据项目字节数内容帧头4B&WSN帧类型3BCPA帧长度1B0 x12物理地址8B目标节点物理地址网络地址2B目标节点网络地址数据包7B1字节灯组号2-3字节控制状态4-7字节0000连接质量1B协调器收到节点数据后的连接质量数据帧尾3BEND（3）使用步骤及示例1）启动协调器和终端节点2）向终端下发控制指令3）终端节点接收下发的指令字符串示例：&WSNCPA123456780100RFD5END表3-7RNP帧类型详表功能类型详细解释RNP下发获取网络参数指

17、令（1）用途：协调器向终端下发获取网络（2）由协调器下发到路由器或终端的数据项目字节数内容帧头4B&WSN帧类型3BRNP帧长度1B0 x12物理地址8B源节点物理地址网络地址2B源节点网络地址数据包7B00000000连接质量1B协调器收到节点数据后的连接质量数据帧尾3BEND（3）使用步骤及示例1)下发获取网络参数指令2)启动协调器3)协调器下发信息给终端,并判断是否接收?字符串示例：&WSNRNP123456780100RFD5END第4章灯光(dnggung)控制系统硬件设计4.1CC2430芯片(xn pin)介绍4.1.1CC2430芯片(xn pin)简介CC2430是一颗真正的

18、系统芯片(SoC)CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段应用，及对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能2.4GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。4.1.2CC2430芯片引脚图CC2430芯片的引脚分布如图4-1所示。图4-1CC2430芯片引脚4.1.3CC2430芯片引脚功能CC2430芯片引脚功能定义如表4-1所示。表4-1CC2430各引脚功能(gngnng)定义引脚引脚名称引脚类型描述-GND接地外露的芯片安装衬底时必须连接到PCB的接地P1_7数字I/OPort 1_7P1_6

19、数字I/OPort 1_6P1_5数字I/OPort 1_5P1_4数字I/OPort 1_4P1_3数字I/OPort 1_3P1_2数字I/OPort 1_2DVDD电源（数字）为数字I/O提供2.03.6V的电源P1_1数字I/OPort 1_1 具有 20mA驱动能力P1_0数字I/OPort 1_0 具有 20mA 驱动能力RESET N数字输入复位，低电平有效P0_0数字I/OPort 0_0P0_1数字I/OPort 0_1P0_2数字I/OPort 0_2P0_3数字I/OPort 0_3P0_4数字I/OPort 0_4P0_5数字I/OPort 0_5P0_6数字I/OPo

20、rt 0_6P0_7数字I/OPort 0_7XOSC Q2数字I/O32MHz晶体振荡器引脚2AVDD SOC电源（模拟）2.03.6V模拟供电连接处XOSC Q1模拟I/O32MHz晶体振荡器引脚1RBIAS1模拟I/O用于参考电流的外部精密偏置装置AVDD RRE电源（模拟）2.03.6V模拟供电连接处RREG_OUT电源输出1.8V稳压供电输出，仅供给模拟电路的1.8V部分（为引脚25，27-31，35-40供电）AVDD_IF1电源（模拟）1.8V的供电接收带通滤波器，模拟测试模块，整体的偏压和VGA的第一部RBIAS2模拟输出外接精密电阻AVDD_CHP电源（模拟）1.8V供电，用

21、于相位检测，电荷泵和第一部分的环路滤波器VCO_GUAR电源（模拟）连接保护环的压控振荡器（到AVDD）屏蔽AVDD_VCO电源（模拟）1.8V供电，用于VCO和后一部分的PLL环路滤波器AVDD_PRE电源（模拟）1.8V供电，用于预分频器，Div-2和本地振荡器缓冲器AVDD_RF1电源（模拟）1.8V供电，用于LNA，前端偏置和PARF_PRF I/O发送期间正RF输入信号到LNA接收期间正RF输入信号到LNATXRX SWIT电源（模拟）为PA提供校准电压RF_N电源（模拟）发送期间正RF输入信号到LNA接收期间正RF输入信号到LNAAVDD SW电源（模拟）为LNA/PA开关提供1.

22、8V电源AVDD RF2电源（模拟）为接收和传输混频器提供1.8V电源AVDD IF2电源（模拟）为传输低通滤波器和VGA的后阶段提供1.8V电源AVDD ADC电源（模拟）为ADCs和DACs的模拟部分提供1.8V电源DVDD ADC电源（数字）为ADCs的数字部分提供1.8V电源AVDD DGU电源（数字）为数字噪声隔离提供电源连接AVDD DRE电源（数字）为数字内核稳压器提供2.03.6V电源DCOUPL电源（数字）提供1.8V的去耦电压，此电压不为外电路所使用P2_4/XOSC数字I/O端口2.4/32.768kHz XOSCP2_3/XOSC数字I/O端口2.4/32.768kHz

23、 XOSCP2_2数字I/O端口2.2P2_1数字I/O端口2.1DVDD电源（数字）为数字I/O提供2.03.6V 电源P2_0数字I/O端口2.04.2CC2430节点(ji din)板硬件(yn jin)设计4.2.1CC2430节点(ji din)板电路原理本系统传输层、感知层均采用道惟尔公司的CC2430（DS210A型）无线传感器，主要包括CC2430最小系统、电源电路、射频电路和IO口接口电路等部分，电路原理图如图4-2所示。图4-2CC2430节点(ji din)电路原理图CC2430的射频(sh pn)部分工作在2.4GHz，因此(ync)PCB设计需重点考虑分布参数的影响。

24、DS210A模块PCB参考TI公司DataSheet设计，采用外置SMA天线，以提高传输距离，PCB板底图如图4-3所示。图4-3CC2430节点板PCB图CC2430节点板的实物图如图4-4所示，该图有7个主要的区域，其中1、2为20芯底板插座，3为无源晶振，4为CC2430芯片，5为节点复位键，6为电源开关，7为RF天线，8为32MHZ高速晶振。图4-4CC2430节点(ji din)板实物(shw)图4.2.2节点(ji din)底板插座引脚图节点底板插座JP1和JP2都为20针插孔，和CC2431芯片的相应引脚连接起来，图4-5和图4-6分别为节点底板插座JP1和JP2的引脚分布图，其

25、中各I/O端口(如P0_1)连接到CC2431芯片上对应的引脚。RESET表示复位引脚，GND表示接地，DC3Vout表示接到 3V直流电源，J1，J2，J3，J4，J5，J6，J7，J8，P1，P3，P4，P5，P6，P7，P8，P9，为未用引脚。图4-5JP1引脚图 图4-6JP2引脚图4.2.310针JTAG接口(ji ku)引脚图图4-710针JTAG接口(ji ku)引脚图4.2.4RS-232口引脚图RS-232串口在CC2430芯片(xn pin)一端使用P0端口中的四个引脚，连接关系为：P0_2-RXD，P0_3-TXD，P0_4-CTS，P0_5-RTS。图4-8RS-232

26、(DB9)串口（母口）引脚图4.3灯光节点设计灯光节点工作原理：当终端节点CC2430接收到协调器下发的数据，经解调后执行指定命令。向I/O输出高低电平，通过两个74HC04反向驱动器经历两次驱动放大信号后送入ULN803芯片，再通过ULN2803将信号再次放大来驱动继电器，从而使继电器闭合或导通，实现对各路灯光的控制。如图4-9所示。图4-9灯光(dnggung)节点电路原理图本系统（基于物联网(lin wn)的灯光控制系统）是一个模拟城市道路灯光控制的系统，模拟该系统的沙盘有6条道路(dol)，如图4-10所示，每条道路上的路灯由若干组灯组组成，每组灯组通过控制单元与CC2430节点板相应

27、端口连接。本模拟系统的道路灯光分别由0803和0804两块节点板的P1端口控制，这样不仅可以控制单组灯组，还可以控制指定的范围内所有灯组。例如现需要对太阳路偶数灯控制，只需要对该组灯组对应的0803节点板P1.3端口输出高低电平来进行控制。若要对太阳路整条路进行同时控制，就需要对0803节点板的P1.3端口和P1.6端口同时输出高低电平来进行同时控制。以此类推，通过端口分配来实现对整条道路或者道路某一部分灯组的控制，端口分配见表4-2。图4-10道路分布图表4-2端口分配星光大道0803P1.5星光大道南侧奇数灯0 xFB0804P1.0星光大道北侧偶数灯0 x6DP1.3星光大道北侧奇数灯P

28、1.6星光大道南侧奇数灯太阳路0803P1.3太阳路偶数灯0 xEDP1.6太阳路奇数灯滨河路0803P1.4滨河路奇数灯0 xF70804P1.2滨河路偶数灯0 xDF月亮路0804P1.5月亮路0 xFB水星路0803P1.1水星路奇数灯0 xBEP1.7水星路偶数灯银河大道0803P1.0银河大道南侧偶数灯0 x5FP1.2银河大道北侧偶数灯0804P1.1银河大道南侧奇数灯0 xB7P1.4银河大道北侧奇数灯第5章系统(xtng)调试(dio sh)5.1功能测试基于(jy)物联网灯光控制系统是在智慧城市沙盘中进行测试，本系统测试时，配置了一个协调器节点和两个终端节点，节点本身靠两节5号电池供电。将协调器节点通过串口与上位机连接。实物如图5-1所示。图5-1节点板实物图将协调器节点通过串口与上位机连接，打开各个节点电源开关，打开上位机管理软件，选择系统设置界面。选择串口，设置波特率为9600，单击连接协调器，状态栏提示打开串口成功，如图5-2所示。图5-2系统设置界面协