無線通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

/無線通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告基于ZIGBEE和STM32智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué)院：通信與信息工程學(xué)院專業(yè)：電子與通信工程姓名：學(xué)號：時(shí)間:基于ZIGBEE和STM32智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1課題研究目的與意義物聯(lián)網(wǎng)〔InternetofTings作為新一代信息技術(shù)的重要組成部分,通過射頻識別〔RFID、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)〔GPS、激光掃描器等信息傳感設(shè)備,按約定協(xié)議把傳感網(wǎng)絡(luò)的任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來,進(jìn)行信息交換和通訊,實(shí)現(xiàn)對物品的智能話識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。物聯(lián)網(wǎng)擁有的特性和作用,使得它廣泛應(yīng)用于智能家居、智能交通、工業(yè)監(jiān)測等領(lǐng)域。在人們的傳統(tǒng)意識中,照明系統(tǒng)僅以照明為目的。傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)中主要的控制方式有手動(dòng)控制方式和自動(dòng)控制方式。其中手動(dòng)控制方式簡單、有效,但是過于依賴人工操作,并且控制相對分散,不能有效管理；自動(dòng)控制方式主要是由時(shí)鐘元件、光電元件或兩者組合的方式來實(shí)現(xiàn)對照明設(shè)備的控制,這種控制方式減少了對人員的依賴性,管理相對集中,實(shí)現(xiàn)了照明控制的自動(dòng)化,但卻不能對照明系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)光控制。隨著生活水平的不斷提高,人們對日常生活的無線化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、節(jié)能化的需求越來越強(qiáng)烈,傳統(tǒng)的照明控制系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足人們對日常生活品質(zhì)的需求?；谏鲜鲈?為了充分發(fā)揮LED燈具在智能建筑中的節(jié)能優(yōu)勢,本課題設(shè)計(jì)了一種基于ZIGBEE和STM32的智能照明系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)了LED燈的能量優(yōu)化。2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)將系統(tǒng)分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層三個(gè)部分,系統(tǒng)主要由終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成。終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)消息的傳輸和允許其他節(jié)點(diǎn)通過它接入到網(wǎng)絡(luò)中；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)則主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立、維持和管理以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息的收集、處理和顯示等。在這三個(gè)節(jié)點(diǎn)當(dāng)中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心。本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)如下功能：1采用帶調(diào)光模塊的LED燈具,通過程序控制可以實(shí)現(xiàn)燈光亮度自動(dòng)調(diào)節(jié),利用室內(nèi)燈光與自然光的相互補(bǔ)償使室內(nèi)照度保持在一個(gè)合適的狀態(tài)；2采用照度采集節(jié)點(diǎn),可以實(shí)時(shí)地采集并監(jiān)控室內(nèi)照度；3加入掉電自鎖功能即在突然停電的情況下再次來電所有燈具處于關(guān)閉狀態(tài)；4加入部分情景模式,在不同的室內(nèi)環(huán)境需求時(shí)可以很方便地對燈光環(huán)境進(jìn)行選擇如家人一起看電視時(shí)的影院模式,看書寫字時(shí)的學(xué)習(xí)模式等。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件電路部分主要由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)電路、照度采集節(jié)點(diǎn)電路、LED調(diào)光節(jié)點(diǎn)電路以及路由器節(jié)點(diǎn)電路四部分組成。3.1協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)由STM32F107、CC2530、LCD12864、矩陣鍵盤、DS18B20和DS1302模塊組成。該節(jié)點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)的核心,主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建、維護(hù)、控制終端節(jié)點(diǎn)的加入和刪除,以及整個(gè)系統(tǒng)信息的處理和顯示等。其中STM32F107是意法半導(dǎo)體推出的全新STM32互聯(lián)網(wǎng)型微控制器,此芯片集成了各種高性能工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口,且STM32不同型號產(chǎn)品在引腳和軟件上具有完美的兼容性,可以適應(yīng)多種應(yīng)用。此外該芯片還可以嵌入μC/GUI系統(tǒng),擁有獨(dú)立的32位指令總線和數(shù)據(jù)總線,全面支持32位Thumb-2和16位Thumb指令等。矩陣鍵盤電路采用2×4的矩陣鍵盤,用于時(shí)鐘的時(shí)間調(diào)整及不同情境模式的選擇,顯示電路采用LCD12864,可以顯示4行信息,每行顯示16個(gè)字符,完全滿足顯示照度、時(shí)間和溫度等要求。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件電路原理圖如圖2所示。圖2協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件電路原理圖3.2路由器節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)路由器節(jié)點(diǎn)是在CC2530模塊上擴(kuò)展了一個(gè)CC2591模塊,該模塊是一個(gè)真正意義上精心設(shè)計(jì)的帶PA+LNA無線收發(fā)模塊。該節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)接收終端點(diǎn)信息并轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器,或轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)調(diào)器的反饋信息給終端節(jié)點(diǎn)。在開闊的場地上,CC2530的傳輸距離可達(dá)100m,但在室內(nèi)環(huán)境下由于有墻體的遮擋,存在路徑損耗問題,實(shí)際傳輸距離大大縮短。在室內(nèi)中間位置若僅放置一個(gè)由CC2530構(gòu)成的路由節(jié)點(diǎn),很可能造成數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤甚至數(shù)據(jù)丟失。所以在實(shí)際設(shè)計(jì)電路時(shí),路由器節(jié)點(diǎn)采用的是CC2591和CC2530組合的形式。CC2591是一個(gè)2.4GHz的射頻前端芯片,它可以通過PA提高發(fā)射功率,從而延長通信距離。該芯片還可以通過LNA來改善接收機(jī)的靈敏度。通過以上兩點(diǎn)可以很好地保證該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?。CC2591+CC2530硬件電路如圖3所示。圖3CC2591+CC2530硬件電路圖3.3LED調(diào)光節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)LED調(diào)光節(jié)點(diǎn)由CC2530和調(diào)光模塊組成。調(diào)光模塊可以根據(jù)ZigBee模塊接收到的指令實(shí)時(shí)地對LED燈進(jìn)行亮度的調(diào)節(jié)。調(diào)光的目的是為了使室內(nèi)自然光跟LED燈光進(jìn)行相互的補(bǔ)償,使室內(nèi)照度達(dá)到一個(gè)合適狀態(tài)。本節(jié)點(diǎn)的調(diào)光模塊選用LED恒流驅(qū)動(dòng)PWM調(diào)光模塊。LED調(diào)光節(jié)點(diǎn)硬件電路圖設(shè)計(jì)如圖4所示。圖4LED調(diào)光節(jié)點(diǎn)硬件電路圖3.4照度節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)照度采集節(jié)點(diǎn)有由CC2530和光照度傳感器BH1750FVI組成。本節(jié)點(diǎn)主要是對室內(nèi)的照度進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集并通過ZIGBEE模塊發(fā)送給協(xié)調(diào)器,協(xié)調(diào)器再對接收到的照度信息進(jìn)行整合處理,然后再LCD上實(shí)時(shí)顯示出室內(nèi)的照度信息,并根據(jù)照度信息給LED照明節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)的指令,對LED燈進(jìn)行相應(yīng)的亮度調(diào)節(jié)。BH1750FVI傳感器是一個(gè)光電集成傳感器,其主要有如下幾個(gè)特點(diǎn)：1可以輸出對應(yīng)亮度的數(shù)字值；2>廣泛的輸入光范圍相當(dāng)于1-65535lx；3通過降低功率功能,實(shí)現(xiàn)低電流化；4無需其它外圍部件；5光源依賴性弱,白熾燈、熒光燈、鹵素?zé)舻染?。照度?jié)點(diǎn)硬件電路圖如圖5所示。圖5照度節(jié)點(diǎn)硬件電路圖4系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)軟件部分主要是完成對整個(gè)系統(tǒng)硬件電路的編程設(shè)計(jì)。其中終端節(jié)點(diǎn)程序主要完成信息的采集、上傳和控制等。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組建、維護(hù)和管理以及相應(yīng)數(shù)據(jù)的收集、處理和顯示等。4.1協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)首先判斷是否有數(shù)據(jù)傳送,若有,則選定信道建立網(wǎng)絡(luò),進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描和讀取,并打包發(fā)送數(shù)據(jù)。由于電源損耗主要集中在無線數(shù)據(jù)的收發(fā)階段,在沒有接收到時(shí)鐘信號的喚醒命令前,使其處于睡眠狀態(tài),以達(dá)到延長電池的使用壽命、減少功耗的效果。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖6所示。圖6協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序流程圖4.2終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集的軟件設(shè)計(jì)包括兩部分,分別為點(diǎn)偏激CC2530驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)和傳感器收發(fā)數(shù)據(jù)程序設(shè)計(jì)。首先進(jìn)行模塊初始化,然后啟動(dòng)定時(shí)器,每隔一段時(shí)間進(jìn)行信道掃描,查看是否有入網(wǎng)申請指令,若有則首先判斷啟動(dòng)哪一個(gè)傳感器端口,然后向端口發(fā)送數(shù)據(jù)采集請求,采集完畢后使單片機(jī)處于休眠模式,將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給CC2530作進(jìn)一步處理。終端節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖7所示。圖7終端節(jié)點(diǎn)程序流程圖4.3路由器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)程序中將設(shè)備類型設(shè)置為網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn),在ZIGBEE協(xié)議棧中只需要更改應(yīng)用層事件處理函數(shù)使其在棘手到信息后調(diào)用程序把接收到的信息發(fā)送出去即可。5系統(tǒng)調(diào)試為對系統(tǒng)功能進(jìn)行測試,特選3個(gè)臥室作為實(shí)驗(yàn)場所,分別在各臥室中放置3個(gè)照明節(jié)點(diǎn)和一個(gè)照度采集節(jié)點(diǎn),然后對系統(tǒng)的功能進(jìn)行測試。通過測試,系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)無線控制功能。照度節(jié)點(diǎn)能夠準(zhǔn)確地采集環(huán)境的光照度信息,ZIGBEE模塊能夠正常地進(jìn)行數(shù)據(jù)的相互傳輸,PWM調(diào)光器模塊能夠準(zhǔn)確無誤地對LED燈進(jìn)行相應(yīng)亮度的調(diào)節(jié)。此外各種情景模式,如室內(nèi)溫度和時(shí)鐘信息都可以按照預(yù)定指標(biāo)正常工作。6總結(jié)與展望此無線智能照明系統(tǒng)不僅可以以用于室內(nèi)照明的全自動(dòng)控制,也可根據(jù)不同的需求進(jìn)行手動(dòng)的調(diào)節(jié),這樣既可以節(jié)約能源又可以使室內(nèi)光照度達(dá)到適合人類活動(dòng)的最佳狀態(tài)。本系統(tǒng)具有體積小、功耗低、功能強(qiáng)和可靈活擴(kuò)展等特點(diǎn)。此外本系統(tǒng)不僅可以用于家庭室內(nèi)也可應(yīng)用于學(xué)校教室、公司辦公區(qū)、會(huì)議室和KTV等各種不同的場合,只需要在運(yùn)用時(shí)對相應(yīng)模塊和程序進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整即可。因此,本系統(tǒng)在智能照明控制領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)然由于時(shí)間倉促,本系統(tǒng)還有諸多方面存在