1、畢業設計(b y sh j)說明書設計(shj)題目: 基于(jy)物聯網的燈光控制系統 燈光節點設計專 業: 物聯網應用技術 班 級: 物聯網XX 學 號: 姓 名: 指導教師: 二一五年十二月二十日PAGE 學 生姓 名學號班級專業物聯網應用技術設計題目基于物聯網的燈光控制系統燈光節點設計指導教師姓名職 稱工作單位及所從事專業聯系方式備 注設計內容：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，基于IAR和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，并接受上位機監控命令。主要任務：（1）設計51單片機控制層的軟件，包括根據系統工作過程制

2、定51單片機模塊與CC2430無線通訊模塊串口通訊協議，然后編寫和調試串口收發子程序設計；（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；（2）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。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孫利民，李建中，李偷，朱紅松.無線傳感器網絡.清華大學出版社，20052陳林星.無線傳感器網絡技術與應用.電子工業出版社，20093王小強，歐陽駿，黃寧淋.Z

3、igBee無線傳感器網絡設計與實現.化學工業出版社，20124郭淵博，楊魁武，趙儉.ZigBee技術與應用CC2430設計、開發與實踐.國防工業出版社，20105高守瑋，吳燦陽.ZigBee技術實踐教程.北京航空航天大學出版社，20096CC2430資料./view/1735618.htm審批意見教研室負責人：年 月 日備注：任務書由指導(zhdo)教師填寫，一式二份。其中學生一份，指導教師一份。頁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(wih)困難等問題。針對以上缺點以道惟爾公司(n s)CC2430無線傳感器節點(ji

4、 din)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ZigBee第1章概述(i sh)在城市(chngsh)道路燈光控制(kngzh)中，為了實時地控制不同道路燈光的亮滅，需要一個分布

5、式多點道路燈光控制系統。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。基于物聯網的燈光控制系統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。

6、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。第2章系統(xtng)總體設計2.1設計(shj)目標1經調研分析，制定系統總體邏輯(lu j)架構和技術架構。2合理選擇各部分硬件，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。2.2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

7、。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，便于系統升級和網絡擴容。2.3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。2.4系統組成本系統可分為感知層、傳輸層和應用層三層架構。整個無線傳感器網絡架構如圖2-1所示。感知層主要為CC2430終端。終端將通過無線網絡接收來自協調器下發的燈光控制數據。傳輸層主要為CC2430協調器。協調器，上電后建立一個網絡，接受從網絡上傳輸來的信息，并將這些信息通過串口傳到PC。應用層主要包括通過串口與

8、CC2430協調器連接的上位機管理軟件。圖2-1無線傳感器網絡結構第3章系統(xtng)通訊(tngxn)協議規劃(guhu)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、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

9、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(wnglu)參數運行流程3.1.3下發(xi f)控制指令當需要(xyo)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

10、.2.2WSN網絡結構1.WSN類型(lixng)節點 1）協調(xitio)器（Coordinator） 在無線傳感網絡中，有且只有一個協調(xitio)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（Router） 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

11、，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3.1.3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(xiy)的層次結構1）網絡(wnglu)間傳輸數據流的特點。表3-1數據流特點(tdin)序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

12、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（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

13、）、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7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（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3-3，各字段含義(hny)。表3-3各字段含義(hny)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

14、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(lixng)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 Parameters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

15、5）幀類型(lixng)詳表。表3-5JNS幀類型(lixng)詳表功能類型詳細解釋JNS注冊網絡（1）用途：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1B0 x18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：&WSNJNS123456780100RFD5EN

16、D表3-6CPA幀類型(lixng)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內容幀頭4B&WSN幀類型3BCPA幀長度1B0 x12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：&WSNCPA123456780100RFD5END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

17、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1B0 x12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7B00000000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：&WSNRNP123456780100RFD5END第4章燈光(dnggung)控制系統硬件設計4.1CC2430芯片(xn pin)介紹4.1.1CC2430芯片(xn pin)簡介CC2430是一顆真正的

18、系統芯片(SoC)CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎的2.4GHz ISM波段應用，及對低成本，低功耗的要求。它結合一個高性能2.4GHz DSSS(直接序列擴頻)射頻收發器核心和一顆工業級小巧高效的8051控制器。4.1.2CC2430芯片引腳圖CC2430芯片的引腳分布如圖4-1所示。圖4-1CC2430芯片引腳4.1.3CC2430芯片引腳功能CC2430芯片引腳功能定義如表4-1所示。表4-1CC2430各引腳功能(gngnng)定義引腳引腳名稱引腳類型描述-GND接地外露的芯片安裝襯底時必須連接到PCB的接地P1_7數字I/OPort 1_7P1_6

19、數字I/OPort 1_6P1_5數字I/OPort 1_5P1_4數字I/OPort 1_4P1_3數字I/OPort 1_3P1_2數字I/OPort 1_2DVDD電源（數字）為數字I/O提供2.03.6V的電源P1_1數字I/OPort 1_1 具有 20mA驅動能力P1_0數字I/OPort 1_0 具有 20mA 驅動能力RESET N數字輸入復位，低電平有效P0_0數字I/OPort 0_0P0_1數字I/OPort 0_1P0_2數字I/OPort 0_2P0_3數字I/OPort 0_3P0_4數字I/OPort 0_4P0_5數字I/OPort 0_5P0_6數字I/OPo

20、rt 0_6P0_7數字I/OPort 0_7XOSC Q2數字I/O32MHz晶體振蕩器引腳2AVDD SOC電源（模擬）2.03.6V模擬供電連接處XOSC Q1模擬I/O32MHz晶體振蕩器引腳1RBIAS1模擬I/O用于參考電流的外部精密偏置裝置AVDD RRE電源（模擬）2.03.6V模擬供電連接處RREG_OUT電源輸出1.8V穩壓供電輸出，僅供給模擬電路的1.8V部分（為引腳25，27-31，35-40供電）AVDD_IF1電源（模擬）1.8V的供電接收帶通濾波器，模擬測試模塊，整體的偏壓和VGA的第一部RBIAS2模擬輸出外接精密電阻AVDD_CHP電源（模擬）1.8V供電，用

21、于相位檢測，電荷泵和第一部分的環路濾波器VCO_GUAR電源（模擬）連接保護環的壓控振蕩器（到AVDD）屏蔽AVDD_VCO電源（模擬）1.8V供電，用于VCO和后一部分的PLL環路濾波器AVDD_PRE電源（模擬）1.8V供電，用于預分頻器，Div-2和本地振蕩器緩沖器AVDD_RF1電源（模擬）1.8V供電，用于LNA，前端偏置和PARF_PRF I/O發送期間正RF輸入信號到LNA接收期間正RF輸入信號到LNATXRX SWIT電源（模擬）為PA提供校準電壓RF_N電源（模擬）發送期間正RF輸入信號到LNA接收期間正RF輸入信號到LNAAVDD SW電源（模擬）為LNA/PA開關提供1.

22、8V電源AVDD RF2電源（模擬）為接收和傳輸混頻器提供1.8V電源AVDD IF2電源（模擬）為傳輸低通濾波器和VGA的后階段提供1.8V電源AVDD ADC電源（模擬）為ADCs和DACs的模擬部分提供1.8V電源DVDD ADC電源（數字）為ADCs的數字部分提供1.8V電源AVDD DGU電源（數字）為數字噪聲隔離提供電源連接AVDD DRE電源（數字）為數字內核穩壓器提供2.03.6V電源DCOUPL電源（數字）提供1.8V的去耦電壓，此電壓不為外電路所使用P2_4/XOSC數字I/O端口2.4/32.768kHz XOSCP2_3/XOSC數字I/O端口2.4/32.768kHz

23、 XOSCP2_2數字I/O端口2.2P2_1數字I/O端口2.1DVDD電源（數字）為數字I/O提供2.03.6V 電源P2_0數字I/O端口2.04.2CC2430節點(ji din)板硬件(yn jin)設計4.2.1CC2430節點(ji din)板電路原理本系統傳輸層、感知層均采用道惟爾公司的CC2430（DS210A型）無線傳感器，主要包括CC2430最小系統、電源電路、射頻電路和IO口接口電路等部分，電路原理圖如圖4-2所示。圖4-2CC2430節點(ji din)電路原理圖CC2430的射頻(sh pn)部分工作在2.4GHz，因此(ync)PCB設計需重點考慮分布參數的影響。

24、DS210A模塊PCB參考TI公司DataSheet設計，采用外置SMA天線，以提高傳輸距離，PCB板底圖如圖4-3所示。圖4-3CC2430節點板PCB圖CC2430節點板的實物圖如圖4-4所示，該圖有7個主要的區域，其中1、2為20芯底板插座，3為無源晶振，4為CC2430芯片，5為節點復位鍵，6為電源開關，7為RF天線，8為32MHZ高速晶振。圖4-4CC2430節點(ji din)板實物(shw)圖4.2.2節點(ji din)底板插座引腳圖節點底板插座JP1和JP2都為20針插孔，和CC2431芯片的相應引腳連接起來，圖4-5和圖4-6分別為節點底板插座JP1和JP2的引腳分布圖，其

25、中各I/O端口(如P0_1)連接到CC2431芯片上對應的引腳。RESET表示復位引腳，GND表示接地，DC3Vout表示接到 3V直流電源，J1，J2，J3，J4，J5，J6，J7，J8，P1，P3，P4，P5，P6，P7，P8，P9，為未用引腳。圖4-5JP1引腳圖 圖4-6JP2引腳圖4.2.310針JTAG接口(ji ku)引腳圖圖4-710針JTAG接口(ji ku)引腳圖4.2.4RS-232口引腳圖RS-232串口在CC2430芯片(xn pin)一端使用P0端口中的四個引腳，連接關系為：P0_2-RXD，P0_3-TXD，P0_4-CTS，P0_5-RTS。圖4-8RS-232

26、(DB9)串口（母口）引腳圖4.3燈光節點設計燈光節點工作原理：當終端節點CC2430接收到協調器下發的數據，經解調后執行指定命令。向I/O輸出高低電平，通過兩個74HC04反向驅動器經歷兩次驅動放大信號后送入ULN803芯片，再通過ULN2803將信號再次放大來驅動繼電器，從而使繼電器閉合或導通，實現對各路燈光的控制。如圖4-9所示。圖4-9燈光(dnggung)節點電路原理圖本系統（基于物聯網(lin wn)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(dol)，如圖4-10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

27、端口連接。本模擬系統的道路燈光分別由0803和0804兩塊節點板的P1端口控制，這樣不僅可以控制單組燈組，還可以控制指定的范圍內所有燈組。例如現需要對太陽路偶數燈控制，只需要對該組燈組對應的0803節點板P1.3端口輸出高低電平來進行控制。若要對太陽路整條路進行同時控制，就需要對0803節點板的P1.3端口和P1.6端口同時輸出高低電平來進行同時控制。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，端口分配見表4-2。圖4-10道路分布圖表4-2端口分配星光大道0803P1.5星光大道南側奇數燈0 xFB0804P1.0星光大道北側偶數燈0 x6DP1.3星光大道北側奇數燈P

28、1.6星光大道南側奇數燈太陽路0803P1.3太陽路偶數燈0 xEDP1.6太陽路奇數燈濱河路0803P1.4濱河路奇數燈0 xF70804P1.2濱河路偶數燈0 xDF月亮路0804P1.5月亮路0 xFB水星路0803P1.1水星路奇數燈0 xBEP1.7水星路偶數燈銀河大道0803P1.0銀河大道南側偶數燈0 x5FP1.2銀河大道北側偶數燈0804P1.1銀河大道南側奇數燈0 xB7P1.4銀河大道北側奇數燈第5章系統(xtng)調試(dio sh)5.1功能測試基于(jy)物聯網燈光控制系統是在智慧城市沙盤中進行測試，本系統測試時，配置了一個協調器節點和兩個終端節點，節點本身靠兩節5號電池供電。將協調器節點通過串口與上位機連接。實物如圖5-1所示。圖5-1節點板實物圖將協調器節點通過串口與上位機連接，打開各個節點電源開關，打開上位機管理軟件，選擇系統設置界面。選擇串口，設置波特率為9600，單擊連接協調器，狀態欄提示打開串口成功，如圖5-2所示。圖5-2系統設置界面協