基于Zigbee的智能燈光控制系統(tǒng)設計

1、 本科生畢業(yè)設計（論文）題 目： 基于Zigbee的智能燈光 控制系統(tǒng)設計 姓 名： 馮祥勛 學 號： 11S 學 院： 電氣工程與自動化學院 專 業(yè)： 電氣工程與自動化（自動化方向） 年 級： 2009級 指導教師： （簽名）2013 年 05 月 20 日 摘要在現代社會，自動化與智能程度不斷提高的今天，家居智能管理必然是人們今后的唯一選擇。本文主要研究對象為家庭的照明，在通過比較傳統(tǒng)照明方式，研究目前較應用的照明控制中發(fā)現家庭照明中往往存在一些致命的問題，如照明控制方式落后，甚至很大程度都還是采用機械開關，安全系數低，舒適性差，布線復雜等。由于這些控制方式上的不足，極大的造成能源的浪費，

2、甚至在控制的誤區(qū)里出現室內無人，卻燈火通明的現象。針對這些不足，需要對控制做一個進一步的研究與開發(fā)。本文較全面的研究了傳統(tǒng)照明、現代照明的特點，通過比較得出優(yōu)缺點，提出一種基于Zigbee的無線智能控制方案，即采用兩塊Zigbee功能板，一塊導入光敏傳感器和熱釋紅外傳感器，用作信號發(fā)射，另一塊接入繼電器模塊，接收信號并控制燈光亮滅。在這種控制方式下，只有室內有人，且光線不足時才點亮所需燈光，而在室內無人，光線不足的情況下，燈不亮，采用這樣的控制方式能很好解決誤開斷和能源浪費的問題。論文中詳細介紹了整個控制系統(tǒng)的功能和控制策略，軟件程序設計包括LED燈初始化、光敏傳感器初始化、PIR傳感器初始化

3、、協(xié)議棧初始化，串口通訊等。最后，在模擬實際環(huán)境下，測試可行性與性能。實驗證明，采用Zigbee無線控制能有很好的控制效果，并且可以顯著提高節(jié)能效果，改善“無人燈亮”的問題。關鍵詞：Zigbee，光敏傳感器，熱釋紅外傳感器，節(jié)能AbstractWith the improvement of the automation and intelligence in the modern society, home intelligent management inevitably becomes the only option for people in the future. By compari

4、ng the traditional lighting, this paper discovers some fatal problems on the control of home lighting, such as backward way of lighting control, namely, mechanical switch, which has low coefficient of safety, poor comfortablity and complex wiring. These shortages result in great waste of energy as w

5、ell as nobody appears but brightly lighted in mistaken area. In order to make up these deficiencies, it needs to make a further research on the control system. This paper has made a comprehensive study on the characteristics of traditional lighting and modern lighting by comparing the advantages and

6、 disadvantages and has put forward a wireless intelligent control scheme based on Zigbee, which use two pieces of Zigbee function board: one worked as a signal emission, conducting the photosensitive sensor and pyroelectric infrared sensor; the other connected to the relay module receives the signal

7、 and controls the lights. Under this kind of control mode, only when the interior has people with insufficient light will the light lights. Otherwise it wont. This control method can well solve the problem of open circuit by mistake and energy waste. This paper details the function of control system

8、, control strategy and software design including the LED lights initialization, light sensor initialization, PIR sensor initialization, protocol stack initialization and serial communication, etc. Finally, this paper tests the feasibility and performance in a simulated environment. The result shows

9、that Zigbee wireless control not only has a good control effect, but also significantly improve the effect of energy saving and improve the problem of lighting up while there is nobody.目錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1 基于Zigbee燈光控制系統(tǒng)研究的背景11.2 現有燈光控制方案21.2.1 傳統(tǒng)燈光控制21.2.2 聲控有線自動控制21.2.3 光強無線燈光控制21.3 方案比較21.3.

10、1 傳統(tǒng)燈光控制方式21.3.2 聲控有線自動控制31.3.3 光強無線燈光控制31.4 本文設計方案31.4.1 Zigbee無線智能控制31.4.2 Zigbee控制方案優(yōu)勢31.4.3 Zigbee控制研究意義4第2章 Zigbee簡介52.1 Zigbee介紹52.2 CC253052.3 基于CC2530實驗板62.4 光敏傳感器82.5 熱釋電紅外線傳感器9第3章 Zigbee無線智能燈光控制113.1 Zigbee無線控制結構113.2 設計說明113.3 系統(tǒng)軟件的實現133.3.1 開發(fā)環(huán)境介紹133.3.2 系統(tǒng)初始化14第4章 硬件仿真結果分析194.1 硬件仿真調試內容

11、194.2 調試結果分析194.2.1 模擬環(huán)境中，光照不足，但是有人的情景194.2.2 模擬環(huán)境中，光照不足且無人員204.2.3 模擬環(huán)境中光照充足，但沒有人員214.2.4 模擬環(huán)境中光照充足，且有人員經過214.3 創(chuàng)新點及應用214.3.1 創(chuàng)新點：214.3.2 應用：214.4 存在的不足22第5章 總結225.1 工作內容225.2 展望23參考文獻25致謝26第1章 緒論1.1 基于Zigbee燈光控制系統(tǒng)研究的背景 隨著電子技術的高速進步，社會經濟的不斷發(fā)展，人們的生活質量也不斷的提高，生活節(jié)奏的不斷加快。信息化社會在改變人們生活方式與工作習慣的同時，也對傳統(tǒng)的燈光控制系

12、統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。單純的物理意義上的生存空間已不僅局限為傳統(tǒng)燈光與自然光的結合，而更多的是一個安全性、舒適、方便、廉價的生活環(huán)境。再結合完備的信息終端、先進的通訊設備、自動化和智能化的家用電器，使之成為更加的便捷與舒適。這種現代的家居燈光設計理念已形成一個便捷化、高效化與智能化的趨勢，燈光設備的高度智能化已經成為一種強烈的消費需求1。同時在科學技術的快速發(fā)展的推動下，實現這種需求已經不再是天方夜譚。由于電子技術的進步，燈光產品已與計算機、網絡通信技術緊密地結合在一起，智能化的家用電子電器產品應運而生，智能燈光系統(tǒng)越來越得到人們的重視，使得家居智能化勢在必然。另外，在燈光控制領域，人們已經不滿足于單

13、純的提供亮度這一功能，而是面向系統(tǒng)控制方式的靈活、高效和視覺上的美感發(fā)展。顯然，傳統(tǒng)的燈光控制系統(tǒng)已經不能滿足現代化的控制需求。如何節(jié)約能源，提高燈光控制系統(tǒng)的有效管理水平，是目前急需解決的課題。當前，在燈光控制領域，普遍存在能源利用率低的問題。特別是子夜過后，對燈光的要求很低，可以適當對相應燈光進行控制，以避免能源浪費。以街燈為例，子夜過后，街道上的車輛和行人相對較少，街燈沒有必要全部打開，可以適當關閉部分路燈，以前采用人工控制的方式對燈光進行管理控制。但是，由于傳統(tǒng)燈光控制方式在控制上功能相對分散和無法實現有效管理，既浪費人力、操作繁瑣且各時間段街燈關閉時間不準，人為因素影響太大，并不能對

14、燈光進行靈活，有效的控制管理2。后來又采用設置光電控制電路，利用光敏電阻器件的變化，控制街燈在晚上天黑之后自動點亮，早上天亮之后自動關閉。這種方法存在可靠性低、易受外界干擾、后半夜燈光照明浪費能源，也不能對燈光實行有效的節(jié)能控制2。針對傳統(tǒng)燈光控制系統(tǒng)所存在的問題，基于Zigbee的無線網絡技術正在悄然興起。1.2 現有燈光控制方案1.2.1 傳統(tǒng)燈光控制 即在建筑照明中，照明燈需要通過電線與機械開關連接，形成照明控制的開關電路，然后才能使用開光控制照明燈；而對于實現不同的照明燈光控制效果，也需要通過設計或者改變開光電路的接法來達成。完成照明燈光控制所需的必要條件是：照明燈、供電回路、控制回路

15、、人工操作。少其一項，都無法實現照明控制。1.2.2 聲控有線自動控制這是一種聲控電子照明裝置，由音頻放大器、選頻電路、延時開啟電路和可控硅電路組成。是一種操作簡便、靈活、抗干擾能力較強，控制靈敏的聲控燈，當附近有人經過發(fā)出聲音時，聲控燈由話筒傳入，并經過功率放大使電路接通，從而實現燈的智能控制。聲控燈由話筒、音頻放大器、選頻電路、倍壓整流電路、鑒幅電路、恒壓源電路、延時開啟電路、可控延時開關電路、可控硅電路組成18。1.2.3 光強無線燈光控制 根據外界燈光強弱，通過光敏傳感器將信號反饋回中央處理器，并根據內置程序通過紅外線，藍牙等技術發(fā)送到信號接收端進而控制燈的開斷，從而實現無線燈光智能控

16、制。1.3 方案比較1.3.1 傳統(tǒng)燈光控制方式 成本低廉，能充分滿足家庭內不同年齡、不同職業(yè)、不同習慣的家庭成員及訪客的操作需求；不會因為局部智能設備的臨時故障，導致不能實現控制的尷尬。但其鋪設復雜，使用電路較多，對電線的使用也較多，為了實現復雜的照明控制，通常需要更多的機械開關。這就導致了材料浪費問題。其次，傳統(tǒng)的照明控制需要人工控制，這就必然出現能源浪費的問題。不符合現代節(jié)能減排理念的要求。此外，傳統(tǒng)照明系統(tǒng)的檢修工作也較為復雜。由于線路繁多，檢修工作不易進行，往往因為一個小問題而耗時耗力?，F代化節(jié)奏上，傳統(tǒng)燈光控制不僅不能很好的控制燈光亮度，而且在開斷瞬間會有火花，存在安全隱患。1.3

17、.2 聲控有線自動控制智能化程度較高，控制方式接近全自動化。但抗干擾能力依然有所有不足，聲控開關干擾因素較多，如風大時聲大，誤接通；人在室內無聲時又自動關斷，一定程度上帶來很大的不便。另外采有有線的布線方式，影響環(huán)境美觀，布線復雜，維修工作量大。1.3.3 光強無線燈光控制 此控制方式設備簡單、價格低廉，很容易推廣。而且現有的家電通常具有紅外線遙控功能，只需稍加改造就能很容易融入到智能家居控制網絡中。但信號發(fā)射通過紅外線，藍牙傳媒介質，無熱釋電紅外線傳感器夠成回路。容易造成室內無人卻燈火通明的現象，極大的造成能源的浪費。另外紅外線波長在760nm和400um之間，由于波長短，對障礙物的衍射能差

18、，要求控制器與接收器之間必須達到可視，并且通信角度不能大于35，通信距離短通常最大不超過10m。這些條件使得它不便于大范圍組建家庭通信網絡。1.4 本文設計方案1.4.1 Zigbee無線智能控制 Zigbee無線智能燈光控制系統(tǒng)由無線燈節(jié)點接收端和無線傳感器發(fā)射端組成。每個Zigbee功能板內部都集成了無線收發(fā)的功能。燈節(jié)點由PCB 天線模塊，CC2530 模塊，燈驅動繼電器模塊，燈電路模塊以及傳感器模塊組成。PCB 天線模塊及CC2530 內部的無線收發(fā)器負責與其他的節(jié)點進行無線通信。CC2530 模塊負責接收，處理其他節(jié)點發(fā)送過來的數據，并且發(fā)送給燈具節(jié)點的數據，燈驅動模塊負責驅動燈模塊

19、，實現燈的亮滅等功能。1.4.2 Zigbee控制方案優(yōu)勢 現有方案中只采用光敏電阻或者光照度傳感器的話，雖然可以在光照度較弱的情況下開啟燈光，但由于沒有考慮到是否有人的情況，非常容易造成“無人燈亮”的浪費。即便是輔助以時間段控制，也不能夠很好地根據室內部的人數來調節(jié)燈光的強弱和開啟的數量，合理達到節(jié)能減排的目的。 而本文采用的傳感器電路由光敏傳感器和熱釋電紅外線傳感器組成，兩種傳感器，雙線程控制燈光，提高照明控制的智能化程度，可以根據不同場合在不同時段中不同的情景需求，準確、人性化地提供燈光節(jié)能策略。很好的解決室內無人卻燈火通明的不足。采用無線控制方式，可以極大的擺脫空間上的束縛，傳統(tǒng)意義上

20、的有線布線不僅浪費很多的有效空間，而且影響室內美觀，而采用套管內墻布線在一定程度上克服美觀性問題，但布線方式復雜且線路一旦出現問題，維修難度極高。而Zigbee無線控制方式能很好的解決傳統(tǒng)照明方式的不足，由于其設備簡單、價格低廉，很容易在廣大家庭中推廣。1.4.3 Zigbee控制研究意義1，提高照明光環(huán)境質量。推行可持續(xù)發(fā)展的策略，節(jié)約能源，維護管理方便，真正實現綠色照明。2，體現以人為本的照明控制思想，根據人們的行為模式和住宅光環(huán)境決定照明的控制思想，創(chuàng)造一個個性化、藝術化、舒適、高雅的家庭光環(huán)境。3，構成智能建筑系統(tǒng)的一部分。智能照明控制系統(tǒng)可以獨立運行，實現對光環(huán)境的合理控制；同時，其

21、具有通信功能以及可擴展性，可把住宅智能照明系統(tǒng)作為住宅的子系統(tǒng)，并與家居自動控制系統(tǒng)，電視，多媒體，探測，警報系統(tǒng)共同構成家庭智能化網絡系統(tǒng)。第2章 Zigbee簡介2.1 Zigbee介紹Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網協(xié)議。使用Zigbee協(xié)議可以建立一套無線通信系統(tǒng)，這種無線通信系統(tǒng)功耗極低，且技術結構較為簡單清晰，建造成本低，但是這種系統(tǒng)只能在有限的空間范圍之內進行通信4。無線通信系統(tǒng)適合用于設計開發(fā)智能控制系統(tǒng)和無線傳感網絡，可以結合使用各種功能的傳感器等設備。簡而言之，ZigBee就是一種低成本、低功耗但極富開發(fā)意義的有現代特色的無線組網通信技術4。利用

22、Zigbee協(xié)議可以一個無線數據傳輸網絡，網絡可以由多達65000個的無線數據傳輸模塊組成。無線傳輸網絡內，每一個傳輸模塊都有其相應的地址，利用Zigee協(xié)議中的通訊協(xié)議，可以使每個傳輸模塊之間相互通信。還能使用點播，組播協(xié)議，對一部分傳輸模塊的進行加密，保證數據僅傳輸到制定地址的模塊上，功能相當強大。Zigbee無線數據傳輸網絡目前主要是用于工業(yè)之中，在工業(yè)自動化的無線數據傳輸模塊中起到了相當重要的作用。由于在工業(yè)現場中使用，無線數據傳輸網絡具有安裝簡單，使用方便，可靠性高，低成本等特點5。每個ZigBee網絡節(jié)點本身就可以作為感應終端，在感應終端上安裝傳感器來實現檢測數據的無線傳輸，還可以

23、成為協(xié)調器來接收并轉發(fā)別的網絡節(jié)點傳過來的數據。除此之外，每一個Zigbee節(jié)點還可在其信號所及的范圍內，和其他不需進行數據中轉工作的單獨網絡節(jié)點進行無線對接。Zigbee成本低廉，功能完備全面，十分符合課題研究的需求。因此，在進行多方比較和研究分析后，本課題最終確定使用Zigbee協(xié)議棧，建立無線傳感網絡，并將此無線傳感網絡用于設計方案之中，作為區(qū)別于傳統(tǒng)照明控制回路的控制方式和數據傳輸方式。2.2 CC2530CC2530 ，是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 應用的一個真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡節(jié)

24、點。CC2530 結合了領先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型8051 CPU，系統(tǒng)內可編程閃存，8-KB RAM 和許多其他強大的功能。CC2530 有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB 的閃存。CC2530 具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統(tǒng)。運行模式之間的轉換時間短進一步確保了低能源消耗6。功能引腳圖如圖2-2所示。CC2530F256 結合了德州儀器的業(yè)界領先的黃金單元ZigBee 協(xié)議棧（Z-Stack），提供了一個強大和完整的ZigBee 解決方案。CC2530F64 結合了德州儀器的黃金單

25、元RemoTI，更好地提供了一個強大和完整的ZigBee RF4CE 遠程控制解決方案。 圖2-2 CC2530功能引腳圖 2.3 基于CC2530實驗板本課題經過深入研究分析現有照明控制方案后，結合Zigbee無線數據傳輸技術，設計出一套基于光照傳感器和熱釋電紅外傳感器的無線傳感照明控制方案。而要驗證該方案的可行性，必須設計一套硬件實驗對方案中的各部分功能進行模擬。這套硬件實驗，就需要在CC2530開發(fā)板上完成。實驗用開發(fā)板如圖2-3所示。圖2-3 CC2530實驗板本實驗中所用到的CC2530開發(fā)板功能如下：（1）4色LED 4色LED由左至右分別為藍、橙、紅、綠。對應編號為LED4、3、

26、2、1。四色LED的IO口為：LED4-P0.1、LED3-P1.4、LED2-P1.1、LED1-P1.0。在Zigbee協(xié)議棧將其中任一IO口置1，就能使其對應編號的LED燈亮起。P0.1口的LED4可與光敏座聯(lián)動，當插入光敏電阻后，LED4就能根據光敏電阻檢測的光照程度自動調整亮度。P1.4口同時也與繼電器口互通，控制P1.4口就可以同時控制LED3以及繼電器的通斷。（2） 人體紅外座 人體紅外座上可插入紅外傳感器。本課題中設計的硬件實驗所需PIR傳感器就需要在此座插入。人體紅外座對應IO口為P0.5默認高電平也即是有人狀態(tài)。（3）光敏插座 光敏插座與LED4共用一個IO口，P0.1。當

27、插入光敏電阻后，LED4就能根據光敏電阻檢測的光照程度自動調整亮度。（4） USB供電串口 在進行實驗時，共需用三塊CC2530節(jié)點，實驗時，需在供電串口處連接USB線與電腦相接為其供電，如此CC2530節(jié)點才能工作。（4）電源切換開關為體現無線傳輸功能，實驗中選協(xié)調器端作為電池供電，不需用USB線供電，此時，按下電源切換開關即可實現。（5） 復位按鍵對CC2530節(jié)點進行初始化的按鍵，一般捎入程序后需要按動此鍵。（6） Debug口仿真驅動器插入此口后，可與電腦連接并捎入程序。此口也可以作為供電用。2.4 光敏傳感器隨著現代電測技術飛速發(fā)展和完善，各種功能的傳感器層出不窮。而在眾多種類的傳感

28、器中，運用較為普遍的就是光敏傳感器。光敏傳感器對非電量檢測和智能、節(jié)能控制系統(tǒng)有著較為重要意義，其在各種照明控制工程或監(jiān)測工作中都被廣泛使用7。最簡單的光敏傳感器就是光敏電阻。而本課題中，所使用的光敏元件也是光敏電阻。光敏電阻又稱光導管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定波長的光照射下，其阻值迅速減小的特性。這是由于光照產生的載流子都參與導電，在外加電場的作用下作漂移運動，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降8。通常，光敏電阻器都制成薄片結構，以便吸收更多的光能。當它受到光的照射時，半導體片（光敏層）內就激

29、發(fā)出電子空穴對，參與導電，使電路中電流增強。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極常采用梳狀圖案，它是在一定的掩膜下向光電導薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成的8。光敏電阻的結構圖如圖2-4所示。 光明傳感器的工作原理是：利用光敏元件，將所檢測到的光信號，可以使照度信息，也可以是光照強度信息等這些非電量，轉換為電量，也就是電信號的形式，具體應用在本課題中，其電信號的值有兩種情況，1或0。本課題中需要使用光敏電阻進行室內光照信息檢測。若室內光照強度不足，則光敏電阻將輸出值為1的信號。圖2-4 光敏電阻結構圖光敏傳感器敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。光傳感器不只局限于對光的探測，它還可以

30、作為探測元件組成其他傳感器，對許多非電量進行檢測，只要將這些非電量轉換為電信號的變化即可。當光子沖擊接合處就會產生電流，使其接通，轉化成所需的電信號。2.5 熱釋電紅外線傳感器熱釋電紅外線傳感器主要是由一種高熱電系數的材料，如鋯鈦酸鉛系陶瓷、鉭酸鋰、硫酸三甘鈦等制成尺寸為2*1mm的探測元件。在每個探測器內裝入一個或兩個探測元件，并將兩個探測元件以反極性串聯(lián)，以抑制由于自身溫度升高而產生的干擾。由探測元件將探測并接收到的紅外輻射轉變成微弱的電壓信號，經裝在探頭內的場效應管放大后向外輸出。為了提高探測器的探測靈敏度以增大探測距離，一般在探測器的前方裝設一個菲涅爾透鏡，該透鏡用透明塑料制成，將透鏡

31、的上、下兩部分各分成若干等份，制成一種具有特殊光學系統(tǒng)的透鏡，它和放大電路相配合，可將信號放大70分貝以上，這樣就可以測出1020米范圍內人的行動9。熱釋電紅外傳感器在結構上引入場效應管，其目的在于完成阻抗變換。由于熱電元輸出的是電荷信號，并不能直接使用，因而需要用電阻將其轉換為電壓形式。故引入的N溝道結型場效應管應接成共漏形式來完成阻抗變換。熱釋電紅外傳感器由傳感探測元、干涉濾光片和場效應管匹配器三部分組成。設計時應將高熱電材料制成一定厚度的薄片，并在它的兩面鍍上金屬電極，然后加電對其進行極化，這樣便制成了熱釋電探測元。由于加電極化的電壓是有極性的，因此極化后的探測元也是有正、負極性的。該傳

32、感器將兩個極性相反、特性一致的探測元串接在一起，目的是消除因環(huán)境和自身變化引起的干擾。它利用兩個極性相反、大小相等的干擾信號在內部相互抵消的原理來使傳感器得到補償。對于輻射至傳感器的紅外輻射，熱釋電傳感器通過安裝在傳感器前面的菲涅爾透鏡將其聚焦后加至兩個探測元上，從而使傳感器輸出電壓信號10。如今，熱釋電紅外傳感器已被廣泛運用于許多方面的解決方案之中。例如：過道、走廊的照明燈光控制、私人車庫照明、超市等。究其原因，除了其價便宜，成本較低外，還因為其功能實用度高，較為符合實際需求等原因。熱釋電紅外傳感器在照明系統(tǒng)控制、運動檢測、安防監(jiān)控中都有著不可替代的地位。本課題中設計的實驗需要采用熱釋電紅外

33、傳感器中的無源紅外傳感器（PIR傳感器），如圖2-5所示。圖2-5 PIR傳感器第3章 Zigbee無線智能燈光控制3.1 Zigbee無線控制結構采用樹狀簇型結構，整體結構布局及組網方式如圖3-1所示。 圖3-13.2 設計說明 傳感器電路由光敏傳感器和熱釋電紅外線傳感器組成，兩種傳感器，雙線程控制燈光，提高照明控制的智能化程度，可以根據不同場合在不同時段中不同的情景需求，準確、人性化地提供燈光節(jié)能策略。很好的解決傳統(tǒng)照明系統(tǒng)中單傳感器的不足，如室內無人卻燈火通明。采用兩塊PCB進行無線傳輸控制，可以極大的擺脫空間上的束縛，有效的解決有線布線方式浪費意象派，影響室內美觀，維修難度高的問題。Z

34、igbee無線控制方式僅用兩塊功能板，功能板上集成了相關的光敏傳感器和熱釋電紅外線傳感器并有繼電器外接端口。一塊功能板用作信號發(fā)送，另一塊用作信號接收。本課題設計的照明系統(tǒng)控制的流程，首先由光照強度采集和室內人員采集開始。當系統(tǒng)啟動時，光敏傳感器和熱釋電紅外傳感器同時運作，將檢測得到的光照度和人員信息以電信號形式，發(fā)送給終端CC2530芯片。CC2530接收信號后，根據設計過程中捎寫的程序，完成控制指令的判斷，并輸出控制指令。而后就是本設計中的特色環(huán)節(jié)，無線傳感網絡的建立。通過對Zigee協(xié)議棧的編寫和運用，建立點對點無線傳輸網絡。而后，終端輸出的控制指令通過無線傳輸，傳輸給接收端的CC253

35、0芯片。協(xié)調器CC2530芯片根據設計過程中捎寫的接收端指令處理函數，判斷執(zhí)行何種指令并輸出相應的執(zhí)行命令，而與接收端相連的LED就能做出正確的反映。當傳感器檢測到的信號發(fā)生變化時，終端CC2530可以立刻接收并進行判斷，按照上文所述的途徑，完成新的指令傳輸，接收端也能立刻對接收指令做出相應的執(zhí)行操作。根據設置狀態(tài)掃描間隔時間，可以有效防止信號干擾，和無用的信號判斷。本課題設計的照明控制系統(tǒng)實現流程如圖3-2所示。圖3-2 系統(tǒng)運行流程圖 具體實現過程包括：（1） 光敏終端檢測到光照強度信息，若環(huán)境中光照強度不足，則光敏傳感器對應IO口的值為1，終端將發(fā)送的光照信息數據包內容也為1。紅外傳感終

36、端檢測室內人員情況，若室內有人，紅外信息輸出值為1，無人則輸出值為0.（2） 接收端分別接收光敏終端信息以及紅外傳感終端信息，即終端所發(fā)送出的數據包，并提取數據包中的內容。該部分為無線數據傳輸部分，通過對開發(fā)板編寫Zigbee點對點無線通訊協(xié)議，設置終端以及協(xié)調器的地址，并保證終端所發(fā)送數據僅能發(fā)送到指定地址的協(xié)調器，消除了在多個協(xié)調器情況下的信號誤傳問題以及干擾問題。（3） 進行環(huán)境判斷。接收端對數據包內容進行邏輯判斷，當且僅當兩個數據包內容且為1時，也就是說當前環(huán)境狀態(tài)為光照不足但室內有人的情況，協(xié)調器上繼電器開通，繼電器通電指示燈亮起。若判斷出的環(huán)境狀態(tài)不是光照不足且室內有人的狀態(tài)，則繼

37、電器保持斷開，指示燈不亮。當系統(tǒng)開啟后，整個系統(tǒng)處于一個循環(huán)運作過程中，通過對Zigbee協(xié)議棧的編寫，可以改變對傳感器信息的采集時間，以此消除環(huán)境中干擾信號的影響。3.3 系統(tǒng)軟件的實現3.3.1 開發(fā)環(huán)境介紹IAREmbeddedWorkbench是一個非常有效的集成開發(fā)環(huán)境（IDE），它使用戶充分有效地開發(fā)并管理嵌入式應用工程。作為一個開發(fā)平臺，它具備任何在用戶每天的工作地方所想要的特性。IAREmbeddedWorkbench提供一個框架，任何可用的工具都可以完整地嵌入其中，這些工具包括：高度優(yōu)化的IARAVRC/C+編譯器；AVRIAR匯編器；通用IARXLINKLinker IAR

38、XAR庫創(chuàng)建器和IARXLIBLibrarian一個強大的編輯器；一個工程管理器；IARC-SPYTM調試器，一個具有世界先進水平的高級語言調試器。嵌入式IAREmbeddedWorkbench適用于大量8位、16位以及32位的微處理器和微控制器，使用戶在開發(fā)新的項目時也能在所熟悉的開發(fā)環(huán)境中進行。它為用戶提供一個易學和具有最大量代碼繼承能力的開發(fā)環(huán)境，以及對大多數和特殊目標的支持。嵌入式IAREmbeddedWorkbench有效提高用戶的工作效率，通過IAR工具，用戶可以大大節(jié)省工作時間。圖3-3為IAREmbeddedWorkbench軟件界面。圖3-3 IAREmbeddedWorkb

39、ench軟件界面3.3.2 系統(tǒng)初始化完成對單片機中的各模塊包括外設的相應控制寄存器中寫入正確的數據，設定各部分的工作方式。系統(tǒng)初始化主要包括LED初始化、USART(串口通訊)、光敏傳感器和IO(一般輸入輸出端口)等的操作，設置相應的寄存器。本課題所設計系統(tǒng)需要使用兩個Zigbee模塊進行模擬實驗。兩個模塊分別設計捎寫不同的Zigbee協(xié)議棧語句。（1） 光敏傳感器終端代碼 本段代碼能夠實現對光敏傳感器所檢測光信號的采集以及光照信息的無線傳輸。首先，光敏傳感器對光照度進行檢測，檢測信號將以電信號形式發(fā)給CC2530，之后經過此段代碼，進行環(huán)境判斷，并輸出判斷結果信息至協(xié)調器，由協(xié)調器根據當前

40、環(huán)境判斷信息進行控制指令判斷。void SampleApp_SendPointToPointMessage( void ) /點對點通信協(xié)議，使終端信息僅 能傳至與終端地址相同的協(xié)調器上/ uint8 L; /定義8位整形變量/ if(P0_1=1) /判斷光敏電阻檢測信息，0為有光，1為 無光/ L=1; /當完成光信號判斷時，輸出的信號L 由協(xié)調器接收，并完成指令的邏輯判斷/ else L=0; if ( AF_DataRequest( &Point_To_Point_DstAddr, /該if結構體為Zigbee點對點通信協(xié)議 &SampleApp_epDesc, 的數據傳輸部分/ SA

41、MPLEAPP_LIGHT_CLUSTERID, /傳輸的數據包類型/ 1, /傳輸數據長度/ &L, /傳輸數據L的內容/ &SampleApp_TransID, AF_DISCV_ROUTE, AF_DEFAULT_RADIUS ) = afStatus_SUCCESS ) else /錯誤發(fā)送時，不傳輸數據/ （2）紅外熱釋電傳感器終端代碼 本段代碼功能及作用與光敏終端代相似，對室內有無人員情況進行判斷，并將判斷結果通過點對點通訊方式，發(fā)至協(xié)調器，供協(xié)調器進行控制指令判斷。#define SAMPLEAPP_PEOPLE_CLUSTERID 3 /定于紅外信號數據包類型，傳輸編號，方便協(xié)

42、調器端接收識別/void SampleApp_SendPointToPointMessage( void ) uint8 L; if(P0_5=1) /判斷熱釋電紅外傳感器檢測信息， 0為無人，1為有人/ L=1; /用于協(xié)調器端進行指令判斷的數據 內容 else L=0; if ( AF_DataRequest( &Point_To_Point_DstAddr, /紅外信號的點對點發(fā)送協(xié)議 &SampleApp_epDesc, SAMPLEAPP_PEOPLE_CLUSTERID, /所發(fā)送的L的數據類型 1, /L的數據長度 &L, /L的數據內容 &SampleApp_TransID,

43、AF_DISCV_ROUTE, AF_DEFAULT_RADIUS ) = afStatus_SUCCESS ) else / Error occurred in request to send. （3） 協(xié)調器接收終端信號、判斷、執(zhí)行部分本段代碼將實現數據的接收到判斷到執(zhí)行的全過程。首先，協(xié)調器接收到終端發(fā)出的環(huán)境判斷信息，根據本段代碼的邏輯判斷部分，決定當前環(huán)境狀態(tài)下該執(zhí)行何種操作，并最終執(zhí)行操作指令。void SampleApp_MessageMSGCB( afIncomingMSGPacket_t *pkt ) /Zigbee數據接收協(xié)議/ switch (pkt-clusterId)

44、 / 判斷所接受的數據類型，在光敏和紅 外傳感部分，已分別定義了各自的數據類型/ case SAMPLEAPP_LIGHT_CLUSTERID: /若接收數據包為光敏信號的數據包則執(zhí)行 相應指令；/ H=pkt-cmd.Data0; /由于接收協(xié)議以此只能接收一個數據，而系統(tǒng)中兩個 終端同時對協(xié)調器進行信號傳輸，因此需要用全局變量 進行數據保存/ break; case SAMPLEAPP_PEOPLE_CLUSTERID: /若為紅外信號的數據包，則將內容賦給 D=pkt-cmd.Data0; 全局變量D/ break; if(H=1)&(D=1) /根據全局變量的賦值情況，進行邏輯判斷/

45、P1_0=1; /若所讀環(huán)境信息為有人且無光的狀態(tài)， 輸出控制指令，使受控端LED1亮/ else P1_0=0; /除了有人且無光的環(huán)境，其他情況一律輸出 熄滅燈的指令/ 代碼及其注釋中，針對系統(tǒng)功能實現的每一步流程都給出了詳細解釋。其中包括傳感器對應IO口，兩個信息采集終端環(huán)境采集信號的賦值操作、輸出數據包類型、數據包名稱、以及輸出內容、協(xié)調器接收后的邏輯判斷取值，控制指令內容等。本套實驗由于時間及硬件有限，僅在系統(tǒng)中加入兩個傳感器即光敏傳感器和紅外傳感器的應用。該系統(tǒng)還具有較大的功能擴展空間，有待日后開發(fā)。第4章 硬件仿真結果分析4.1 硬件仿真調試內容本系統(tǒng)的硬件調試需要使用兩塊Zig

46、bee模塊，組成無線傳感網絡，其中一個模塊裝設光敏傳感器、熱釋電紅外傳感器。這個模塊稱為終端，剩余一個模塊用于接收信息并完成控制命令的判斷與執(zhí)行，稱為協(xié)調器。實驗預期達到以下效果：當且僅當光敏傳感器判斷環(huán)境為無光且紅外傳感器判斷有人時，協(xié)調器LED1即綠燈亮起，其余一切狀態(tài)，綠燈保持不亮狀態(tài)。實驗中，模擬無光狀態(tài)時 ，用手擋住光敏傳感器，有光狀態(tài)則直接在白天環(huán)境中模擬；模擬有人狀態(tài)是，手靠近紅外傳感器，無人狀態(tài)則人體與傳感器保持一定距離。4.2 調試結果分析4.2.1 模擬環(huán)境中，光照不足，但是有人的情景此環(huán)境中，協(xié)調器接收終端發(fā)出的檢測信號后，進行邏輯判斷并執(zhí)行控制指令，該指令正確情況應該是

47、協(xié)調器的LED1開。實驗效果如圖4-1所示。用手指遮住光照檢測終端的光敏傳感器，同時在熱釋電紅外傳感器附近，用手指晃動，模擬無光且有人的環(huán)境?？煽闯觯瑓f(xié)調器即無人工干預的節(jié)點上，從左至右數第一盞LED燈處于亮的狀態(tài)。實驗效果與預期一致。最右方兩盞LED分別為：第四盞，光敏燈，默認為亮；第三盞通訊聯(lián)接指示燈，在兩塊節(jié)點相互通訊成功時，保持亮的狀態(tài)。在協(xié)調器上，此兩盞燈在實驗中不受任何控制，保持常亮。環(huán)境中所需的燈被點亮，通過串口界面可以監(jiān)視燈亮的情況，此時串口顯示：light on，串口界面如圖4-1：圖4-1 無光有人從模擬環(huán)境（2）開始，是本設計區(qū)別于傳統(tǒng)照明控制系統(tǒng)的特色部分。傳統(tǒng)照明控制

48、系統(tǒng)一般使用機械開關控制，幾乎沒有智能控制的概念。而智能家居控制方案中，也僅能實現紅外感應或者光照感應的單獨工作，并不能完成復雜的環(huán)境判斷功能。本設計中，為體現節(jié)能理念以及智能控制，專門研究解決了環(huán)境判斷功能，使系統(tǒng)能對環(huán)境做出正確判斷并執(zhí)行正確照明控制操作。以下三個模擬環(huán)境實驗，都將檢驗本系統(tǒng)的環(huán)境判斷功能以及方案可行性。4.2.2 模擬環(huán)境中，光照不足且無人員 如圖4-2：將光敏傳感器處于光線昏暗環(huán)境下且人體與紅外傳感器保持一定距離，協(xié)調器上LED1不亮。串口顯示：light off，與實驗預期效果一致。圖4-2 無光無人在本模擬環(huán)境中，如果是傳統(tǒng)照明控制方案，那么只能機械的通過控制開光控

49、制燈的亮滅。在光照不足時，人工打開照明燈，但人員若離開房間一段時間，或是離開房間后忘記關燈，那么燈依然保持亮的狀態(tài)，極大造成資源的浪費。4.2.3 模擬環(huán)境中光照充足，但沒有人員如圖4-3，將光敏傳感器用電筒照射，同時身體與紅外傳感器保持距離。協(xié)調器LED1不亮，效果與預期一致。圖4-3 有光無人本模環(huán)境是比較常見的環(huán)境，如白天室內無人的情況。本模擬環(huán)境下的實驗是為了驗證本方案是否在白天室內無人時會自動打開而造成資源浪費的問題。4.2.4 模擬環(huán)境中光照充足，且有人員經過協(xié)調器LED1依舊保持熄滅狀態(tài)，顯示與模擬環(huán)境（3）一樣，效果與預期一致。進行光照充足但有人員的模擬環(huán)境實驗，其目的之一在于體現本方案中，兩個傳感器所檢測的信息，在協(xié)調器判斷環(huán)境時不會沖突，不會導致其中一個傳感器單獨控制。其二，為體現節(jié)能性，與無光無人模擬環(huán)境相類似。當室內光