1、畢業設計說明書設計題目: 基于物聯網的燈光控制系統 上位機系統設計 專 業: 物聯網應用技術 班 級: 物聯網XX 學 號: 姓 名: 指導教師: 二O一五年十一月二十日設計內容：課題簡介：以道惟爾公司CC2430無線傳感器節點和光照傳感器模塊為載體， VS2010開發環境，設計一個燈光控制系統，實現對道路燈光亮滅進行控制，并實時顯示狀態在上位機監控軟件上。并下發燈光控制指令。主要任務：（1）應用層展示軟件開發；（2）撰寫設計報告。主要技術要求如下：（1）采用模塊化設計思想規劃各子程序功能； (3)CC2430協調器與PC串口通訊的基本數據幀格式為：幀頭、功能碼、數據長度、數據、幀尾；(4)傳

2、輸層應實現透明傳輸。進度安排：1.任務分解，收集有關資料并消化吸收-2周；2.制定設計方案-1周；3.軟件設計-6周；4.撰寫設計報告-2周；5.準備畢業答辯。主要參考文獻、資料(寫清楚參考文獻名稱、作者、出版單位)：1黃嘉輝.C#.NET網絡程序設計.科學出版社，20042陳林是.無線傳感器網絡技術與應用.電子工業出版社，20093高守瑋.吳燦陽.ZigBee技術實踐教程.北京航空航天大學出版社，20094程遠東.曾寶國.電子產品設計與制造技術.科學出版設，20115戴佳.戴衛.51單片機C語言應用程序設計實例精講.電子工業出版社，2006審批意見教研室負責人：年月日目錄摘要1概述2第章總體

3、設計31.1設計目標31.2設計原則31.3技術架構3第2章系統組成與工作過程42.1系統組成42.2本系統涉及的主要功能52.2.1功能描述52.3系統的運行過程62.3.1注冊網絡62.3.2下行鏈路（由PC到終端）：62.3.3控制臺請求啟動/停止6第3章系統通訊協議規劃83.1系統運行流程83.1.1注冊網絡83.1.2獲取網絡參數93.1.3下發控制指令93.2通信協議規劃103.2.1規劃原則103.2.2WSN網絡結構103.2.3通信協議11第4章PC控制軟件開發與測試164.1三層架構程序設計簡介164.2CC2430終端節點對燈組的控制I/O口的分配關系174.3數據訪問層

4、設計174.3.1數據訪問層CommonDB類的設計174.3.2數據訪問層使用的函數功能174.3.3CommonDB 類的整體結構184.3.4CommonDB 類中方法的功能描述及代碼實現194.4業務邏輯層設計214.4.1WSN協調器連接214.4.2觸發串口事件處理的主要代碼如下234.5窗體表示層設計244.5.1窗體文件的添加244.5.2窗體層的展示25第5章 系統設置265.1啟動調試265.2功能測試26總結28致謝29參考文獻30摘要目前現有的城市路燈控制系統大多采用有線連接的方式，系統成本高、功耗大、施工復雜，而且存在能源浪費、后期維護困難等問題。針對以上缺點以道惟爾

5、公司CC2430無線傳感器節點和光照傳感器模塊為載體，基于IAR和VS2010開發環境，設計一個模擬道路燈光控制系統，實現對道路燈光亮滅進行控制，并接受上位機監控命令。該系統采用了無線傳感器網絡和ZigBee技術，無線傳感器網絡是一種集無線通信、數據采集和信息處理功能于一體的新興網絡。ZigBee技術是無線傳感器網絡中最具代表性的一種新興技術，具有低成本、低功耗等特點。將ZigBee技術應用于城市路燈控制系統，將有利于實現路燈控制系統的智能化和節能化。關鍵詞CC2430；無線傳感器網絡；燈光控制；ZigBee概述在道路燈光控制中，為了實時地控制不同道路燈光的亮滅，需要一個分布式多點道路燈光控制

6、系統。傳統的多點分布式道路燈光控制系統多采用有線傳輸方式，然而隨著分布式節點的不斷增加，系統的布線復雜度和成本也就極具增加，這給系統的設計、維護和升級帶了許多不便。如何解決有線網絡帶來的諸多不便已成為當下研究的熱點。無線傳感器網絡(WSN)具有自組織、可快速部署、屏蔽性強、無人值守等優點。隨著射頻技術、集成電路技術的發展，無線通信功能的實現越來越容易，數據傳輸速率也越來越快，并且逐漸達到可以與有線網絡相媲美的水平。本設計旨在設計一種基于物聯網的模擬道路燈光控制系統，用以實現對多個分散節點的燈光亮滅控制。采用模塊化設計，無論是硬件還是軟件，各個分層間結構清楚。在技術架構上，將感知、傳輸、應用分離

7、，采用感知控制層、傳輸通信層、應用服務層三層架構設計。第章總體設計1.1設計目標1經調研分析，制定系統總體邏輯架構和技術架構。2合理選擇交通燈組，并開發基于CC2430平臺的驅動程序。3基于CC2430和TI Z-STACK協議棧，開發WSN應用程序，組建具有分布式自組網能力的WSN燈光控制無線傳感器網絡。4完成PC展示層應用軟件開發。5最終搭建一套具有較好實時性的燈光控制系統。1.2設計原則本系統在設計過程中綜合考慮了以下基本原則：1在達到預期功能的基礎上，確保系統的性能指標，如燈光控制實時性指標、網絡自愈性指標等。2模塊化設計，無論是硬件還是軟件，各個分層間結構清楚，采用規范的通訊協議，便

8、于系統升級和網絡擴容。1.3技術架構在技術架構上，將感知、傳輸、應用分離，采用感知控制層、傳輸通信層、應用服務層三層架構設計。PC展示層應用軟件基.Net Framework框架，在VS2010平臺實現。第2章系統組成與工作過程2.1系統組成本系統以模擬智能交通為載體，它由感知層子系統、傳輸層子系統、應用層子系統三個部分組成，如圖2-1所示。圖2-1燈光控制系統組成圖1-1中，感知層子系統由開關量控制節點和模擬量控制節點等兩類節點組成。其中，燈光控制節點、電源控制節點三類是開關量控制節點。傳輸層子系統是基于 CC2430 的 ZigBee 無線傳輸網。所有感知層節點的控制指令均由應用層子系統通

9、過通過串口下發給 CC2430 協調器，再由后者通過 ZigBee 無線網絡下發給CC2430 終端節點。2.2本系統涉及的主要功能（1） 遠程星光大道燈光控制功能（2） 遠程太陽路燈光控遠制功能（3） 遠程濱河路燈光控制功能（4） 遠程月亮路燈光控制功能（5） 遠程水星路燈光控制功能本系統（基于物聯網的燈光控制系統）是一個模擬城市道路燈光控制的系統，模擬該系統的沙盤有6條道路，如圖2-2所示，每條道路上的路燈由若干組燈組組成，每組燈組通過控制單元與CC2430節點板相應端口連接。以此類推，通過端口分配來實現對整條道路或者道路某一部分燈組的控制。圖2-2道路分布圖2.2.1功能描述智能燈光控制

10、：用戶可以根據需要控制沙盤里的任意燈光。WSN軟件開發智能燈光控制系統：系統能根據用戶需要控制實時傳回數據信息。 1）軟啟功能：燈光的漸亮漸暗功能，能讓眼睛免受燈光驟亮驟暗的刺激，同時還可以延長燈具的使用壽命。 2）按各路段控制燈光：控制某一路段上燈光的亮滅狀態，達到節能和便于管理的功效，使燈光更富人情味、成本低且便于管理。3）開關聯合：輕松實現某節點或某區域所有燈光的一鍵的全關和全閉功能，觸摸集中控制，使用更加方便。2.3系統的運行過程2.3.1注冊網絡系統啟動后，CC2430協調器首先建立無線網絡，路由器和終端節點在發現網絡后，會主動加入網絡，并上傳網絡參數（物理地址、網絡地址、節點類型等

11、）。注冊網絡的流程如圖2-3所示。圖2-3燈光控制電路的工作流程2.3.2下行鏈路（由PC到終端）：在PC機上通過上位機向串口發送數據，協調器收到串口數據，再通過串口協議解析數據，然后通過定制的無線協議將解析到的數據進行再次封裝，發送給終端節點；終端節點接收到數據之后，經解析控制IO口的電平高低輸出；底層控制電路接收到高低電平，執行對應操作。2.3.3控制臺請求啟動/停止當整個系統需要啟動時，WindowsCE控制臺上傳啟動信息，PC下發啟動系統指令。啟動系統的流程如圖2-4所示。 圖2-4啟動系統流程第3章系統通訊協議規劃3.1系統運行流程道路燈光控制系統的運行主要包括注冊網絡、獲取網絡參數

12、、下發控制指令等三方面的操作。在道路燈光控制系統中服務器與CC2430協調器之間是通過串口進行通信，兩者之間是需要使用統一的波特率、并按指定幀格式收發數據。CC2430協調器與CC2430終端節點之間是通過ZigBee無線網絡通信的，需要物理地址和網絡地址。CC2430終端節點是通過普通I/O口將控制命令轉化為控制模塊（執行機構）的驅動信號的。3.1.1注冊網絡系統啟動后，CC2430協調器首先建立無線網絡，路由器和終端節點在發現網絡后，會主動加入網絡，并上傳網絡參數（物理地址、網絡地址、節點類型等）。注冊網絡的流程如圖3-1所示。圖3-1注冊網絡運行流程3.1.2獲取網絡參數系統運行中，為及

13、時發現掉線節點，系統會周期性去詢問節點，要求返回網絡參數。獲取網絡參數的流程如圖3-2所示。圖3-2獲取網絡參數運行流程3.1.3下發控制指令當需要改變各被控對象的運行狀態時，系統就需要下發各類控制指令，其流程如圖3-3所示。圖3-3下發控制指令運行流程3.2通信協議規劃3.2.1規劃原則1）透明傳輸，將控制與傳輸分離。2）ZigBee無線網支持廣播、點對點通信。3.2.2WSN網絡結構1.WSN類型節點1）協調器（Coordinator）在無線傳感網絡中，有且只有一個協調器節點，它負責選擇網絡所使用的頻率通道、建立網絡并將其他節點加入網絡、提供信息路由、安全管理和其他服務。2）路由器（Rou

14、ter）路由器節點是網絡遠距離延伸的必要部件。它負責發送和接受節點自身信息；節點之間轉發信息；允許子節點通過它加入網絡。3）傳感器節點（Sensor）傳感器節點的主要任務就是發送和接收信息，通常一個終端節點處在數據收發狀態時可進入休眠狀態以降低能耗。2. 網絡拓撲選擇本系統的無線網絡基于Z-Stack協議棧完成，由于控制點不多、分布范圍較窄，故采用星形網絡拓撲結構，如圖3-4所示。圖3-4星形網絡拓撲3.2.3通信協議協議的規劃應采用分層方式實施，以便明確邊界。對于本系統而言，整個協議從下自上為分三層，如圖3-5所示。圖3-5自定義協議的層次結構1）網絡間傳輸數據流的特點。表3-1數據流特點序

15、號鏈路方向數據流功能數據流大小數據流內容1上行注冊網絡（1-1）=24B源節點物理地址（8B）源節點網絡地址（2B）源節點的節點類型（3B）父節點物理地址（8B）父節點網絡地址（2B）目標節點提取的鏈路質量（1B）上傳網絡參數（2-4）=24B源節點物理地址（8B）源節點網絡地址（2B）源節點的節點類型（3B）父節點物理地址（8B）父節點網絡地址（2B）目標節點提取的鏈路質量（1B）上傳執行結果（3-5）=11B源節點物理地址（8B）源節點網絡地址（2B）執行結果（1B）2下行下發獲取網絡參數指令（2-3）=13B目標節點物理地址（8B）目標節點網絡地址（2B）幀功能標識（3B）下發控制指令（

16、3-3）=14B目標節點物理地址（8B）目標節點網絡地址（2B）幀功能標識（3B）控制參數（1B）2）協議幀格式。表3-2無線網通信協議基本幀格式內容字節數備注幀頭&WSN4幀類型3幀長度241物理地址8功能復用：（1）注冊網絡和獲取網絡參數時：承載源節點物理地址（8B）、網絡地址（2B）；（2）下發控制指令時：承載目標節點物理地址（8B）、網絡地址（2B）；（3）上傳執行結果時：承載源節點物理地址（8B）、網絡地址（2B）。網絡地址2數據包5功能復用：（1）注冊網絡和獲取網絡參數時：18-19字節承載父節點網絡地址（2B），20-22承載節點類型（3B）；（2）下發控制指令時：承載控制參數（

17、1B），沒有用完的字節填充0；（3）上傳執行結果時：承載執行結果（1B），沒有用完的字節填充0。連接質量1幀尾END33）表1-3，各字段含義。表3-3各字段含義幀頭用于表明一幀數據的開始。幀類型用于指明傳輸的這一幀的數據的用途。幀長度用于指明接下來要傳輸的物理地址、網絡地址、數據包等三字段的長度。物理地址功能復用。網絡地址功能復用。數據包用于指明通信中具有實質意義的數據。連接質量用于指明 WSN 中節點與節點通信的鏈路的通信質量。幀尾用于表明一幀數據的結束。4）幀類型簡表。表3-4幀類型簡表幀類型功能命令備注下行鏈路下發獲取網絡參數指令（2-3）RNPRead Node Network Pa

18、rameters讀取節點網絡參數下發控制指令（3-3）CPAControl by Physical Address 根據物理地址下發控制指令CNAControl by Network Address 根據網絡地址下發控制指令上行鏈路注冊網絡（1-1）JNSJoin in Network When Started 新節點加入網絡上傳網絡參數（2-4）SPSSend Parameters to Server 上傳網絡參數到服務器上傳執行結果（3-5）SRSSend Result to Server 上傳網絡參數到服務器5）幀類型詳表。表3-5JNS幀類型詳表功能類型詳細解釋JNS注冊網絡（1）用途

19、：終端節點新加入網絡后，向協調器發送節點入網信息。（2）終端節點或路由器上傳到協調器的數據項目字節數內容幀頭4B&WSN幀類型3BJNS幀長度1B0x18物理地址8B源節點物理地址網絡地址2B源節點網絡地址數據包7B0-1字節父節點網絡地址2-4字節節點類型（終端節點：RFD）連接質量1B協調器收到節點數據后的連接質量數據幀尾3BEND（3）使用步驟1）協調器建立網絡2）啟動路由器或終端節點3）終端節點主動上傳入網信息。字符串示例：&WSNJNS0RFD5END表3-6CPA幀類型詳表功能類型詳細解釋CPA下發控制指令（1）用途：根據網絡地址下發控制指令。（2）協調器下發到終端的數據項目字節數

20、內容幀頭4B&WSN幀類型3BCPA幀長度1B0x12物理地址8B目標節點物理地址網絡地址2B目標節點網絡地址數據包7B1字節燈組號2-3字節控制狀態4-7字節0000連接質量1B協調器收到節點數據后的連接質量數據幀尾3BEND（3）使用步驟及示例1）啟動協調器和終端節點2）向終端下發控制指令3）終端節點接收下發的指令字符串示例：&WSNCPA0RFD5END表3-7RNP幀類型詳表功能類型詳細解釋RNP下發獲取網絡參數指令（1）用途：協調器向終端下發獲取網絡（2）由協調器下發到路由器或終端的數據項目字節數內容幀頭4B&WSN幀類型3BRNP幀長度1B0x12物理地址8B源節點物理地址網絡地址

21、2B源節點網絡地址數據包7B連接質量1B協調器收到節點數據后的連接質量數據幀尾3BEND（3）使用步驟及示例1)下發獲取網絡參數指令2)啟動協調器3)協調器下發信息給終端,并判斷是否接收?字符串示例：&WSNRNP0RFD5END第4章PC控制軟件開發與測試PC展示層軟件用于實時接收ZigBee無限傳感器網絡上報的各交通路燈的亮滅狀態，在本展示層軟件中，主要分為窗體表示層、業務邏輯層、數據訪問層。4.1三層架構程序設計簡介1.數據訪問層在三層架構設計中，數據訪問層一般用于對數據庫進行各項操作，即實現對數據表的Select、Insert、Update、Delete操作。本項目不涉及數據庫的操作，

22、因此數據訪問層的功能主要是完成串口的操作，包括獲取可用串口、打開串口、關閉串口、通過串口收發數據等。2. 業務邏輯層業務邏輯層是三層架構設計中體現核心價值的部分，主要負責業務規劃的制定、業務流程的實現。3.窗體表示層 表示層位于最外層(最上層)離用戶最近，用于顯示數據和接收用戶輸入的數據，為用戶提供一種交互式操作的界面。三層架構設計方框圖如圖4-1所示：圖4-1三層架構設計方框圖4.2CC2430終端節點對燈組的控制I/O口的分配關系各節點燈光控制分配端口如表4-1所示：表4-1各路段分配 星光大道0803P1.5星光大道南側奇數燈0xFB0804P1.0星光大道北側偶數燈0x6DP1.3星光

23、大道北側奇數燈P1.6星光大道南側奇數燈太陽路0803P1.3太陽路偶數燈0xEDP1.6太陽路奇數燈濱河路0803P1.4濱河路奇數燈0xF70804P1.2濱河路偶數燈0xDF月亮路0804P1.5月亮路0xFB水星路0803P1.1水星路奇數燈0xBEP1.7水星路偶數燈銀河大道0803P1.0銀河大道南側偶數燈0x5FP1.2銀河大道北側偶數燈0804P1.1銀河大道南側奇數燈0xB7P1.4銀河大道北側奇數燈4.3數據訪問層設計4.3.1數據訪問層CommonDB類的設計 在項目解決方案資源管理器中右擊 SmartHomeServer項目，選擇“添加新建文件夾” ， 文件夾命名為 C

24、lass， 然后在 Class下新建 DataAcess文件夾， 然后右擊 DataAcess， 選擇 “添 加新建項” ，選擇“類”模板，類的文件名為 CommonDB.cs，這樣用于數據訪問層的類添加 進 DataAcess文件夾中。 數據訪問層的 CommonDB類主要封裝對 SQL Server Mobile 數據庫的訪問，根據連接數據 庫的字符串獲得連接對象、執行 Select 語句獲得數據集 DataSet 以及執行除 Select語句之外的其他操作。4.3.2數據訪問層使用的函數功能數據訪問層的主要功能是串口操作，包括打開串口,關閉串口,接收串口數據等。其中用到的函數及功能如圖4

25、-2所示：表4-2函數功能 函數名詳細功能SerialPort.GetPortNames()檢測當前PC中是否有可用串口serialPort1.IsOpen()檢測串口是否打開serialPort1.Open()打開串口serialPort1.Close()關閉串口serialPort1.Read()獲取串口數據與數據長度4.3.3CommonDB 類的整體結構數據訪問層的主要功能是串口操作，包括串口打開、關閉、數據觸發等?；趤韺崿F的Microsoft Visual Studio 2010來實現，.NET Framework是支持生成和運行下一代應用程序和 XML Web services

26、的內部 Windows 組件，在本程序中主要通過軟件中的控件來實現對各路段的控制。圖4-2數據庫整體結構4.3.4CommonDB 類中方法的功能描述及代碼實現using System;using System.Collections.Generic;using System.Text;using System.Data;using System.Data.SqlClient;using System.Windows.Forms;using System.Configuration;namespace StudentInfo.DataAccess class CommonDB /獲取連接對象

27、public SqlConnection GetConnection() string constr = Data Source=.;Initial Catalog=StudentManagement;Integrated Security=True; SqlConnection Con = new SqlConnection(constr); return Con; /獲取Reader對象 public bool GetDataReader(string Sql) SqlConnection Con = this.GetConnection(); SqlCommand Cmd = new S

28、qlCommand(Sql, Con); Con.Open(); SqlDataReader reader = Cmd.ExecuteReader(); if (reader.Read() reader.Close(); Con.Close(); return true; else reader.Close(); Con.Close(); return false; /獲取數據集 public DataSet GetDataSet(string Sql, string tablename) SqlConnection Con = this.GetConnection(); SqlCommand

29、 Cmd = new SqlCommand(Sql, Con); SqlDataAdapter Sda = new SqlDataAdapter(Cmd); DataSet Ds = new DataSet(); try Sda.Fill(Ds, tablename); return Ds; catch (SqlException ex) if (Con.State != ConnectionState.Closed) Con.Close(); MessageBox.Show(ex.Message); return null; /執行除Select語句之外的其他數據操作（Insert、Upda

30、te、Delete） public int ExcuteSql(string Sql) int flag = 0; SqlConnection Con = this.GetConnection(); SqlCommand Cmd = new SqlCommand(Sql, Con); try Con.Open(); flag = Cmd.ExecuteNonQuery(); catch (SqlException ex) MessageBox.Show(ex.Message); finally Con.Close(); return flag; 4.4業務邏輯層設計邏輯控制層主要是接受來自窗體

31、表示層用戶的操作請求，處理數據的上報，并回傳數據在窗體表示層顯示。4.4.1WSN協調器連接1.程序的工作流程是首先彈出Form1.cs窗體，在WSN協調器連接中的串口操作。圖4-3打開串口的流程圖2波特率和串口的獲取 string portname = this.cbBWSNPortName.Text;int baudrate = int.Parse(this.cbBWSNPortBaudRate.Text); 3.連接協調器 1）獲取串口號及波特率 2）實例化串口操作類的對象 3）處理執行結果 4）為WSN協調器串口添加串口接收數據事件的處理方法4.4.2觸發串口事件處理的主要代碼如下 P

32、rivate void RFIDPort_DataReceived(object sender, System.IO.Ports.SerialDataReceivedEventArgs e) /（1）休眠250ms Thread.Sleep(250); /（2）從串口中獲取數據 int len = RFIDPort.BytesToRead; byte rfiddata = new bytelen; RFIDPort.Read(rfiddata, 0, len); /（3）將所獲取的數據展示在窗體中 Form1.CheckForIllegalCrossThreadCalls = false; t

33、his.tBPortData.Text += ( RFID讀卡信息：); foreach (byte ch in rfiddata) this.tBPortData.Text += ch.ToString(X2) + ; this.tBPortData.Text += (rn); this.tBPortData.SelectionStart = this.tBPortData.TextLength; this.tBPortData.ScrollToCaret(); /（5）判斷是否為“功能演示”狀態 if (this.tabControl1.SelectedIndex = 1) /提取卡號 f

34、or (int i = 3; i 7; i+) cardsn += rfiddatai.ToString(X2); 4.5窗體表示層設計4.5.1窗體文件的添加1.首先創建一個Windows窗體應用程序WsnRfidLamo，該項目所包括的文件如下圖所示，包含Form1.cs窗體。程序運行時，首先顯示Form1.cs窗體，窗體下有系統測試和功能測試兩大部分。圖4-4項目文件2.在Form1.cs窗體下添加相應控件，控件的名稱及屬性如表所示。表4-3Form1.cs窗體所屬控件名稱及屬性控件類型屬性屬性值控件類型屬性屬性值ButtonNamebtnOpenWSNPortLabelNamelabe

35、l1Text連接協調器Text波 特 率ButtonNamebtnCloseWSNPortLabelNamelabel2Text關閉協調器Text串口名稱ButtonNamebtnOpenXgddTextBoxNametBPortDataText星光大道開燈TextButtonNamebtnCloseXgddGroupBoxNamegBPortDataText星光大道關燈TextWSN串口數據4.5.2窗體層的展示圖4-5PC服務端系統設置界面圖圖4-6PC服務端功能演示界面圖第5章 系統設置5.1啟動調試在主窗體基于物聯網的燈光控制系統下有有兩大界面分別是系統設置和功能演示，啟動調試首先要進入系統設置界面下的WSN協調器連接，連接串口COM1和將波特率設置為9600并在控件btnOpenWSNPort下連接協調器，然后進入功能演示界面點擊btnOpenXgdd按鍵執行星光大道開燈的命令，點擊btnCloseXgdd按鍵執行星光大道關燈的命令，依次執行各路段燈光控制的命令。5.2功能測試在道路燈光控制中，為了實時地控制不同道路燈光的亮滅，用以實現對多個分散節點的燈光亮滅控制。在系統測試時，配置了一個協調器節