樓宇智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).docx

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摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的反戰(zhàn)與人類生活水平的逐步提高，人民群眾對(duì)現(xiàn)代智能建筑、智能家居、智能照明的要求已經(jīng)不僅僅局限于普通的照明需要，還需要現(xiàn)代智能照明系統(tǒng)能夠滿足不同人群、不同種族的不同審美需求與舒適度要求，因此，傳統(tǒng)采用人工控制方式為主的照明控制管理系統(tǒng)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)照明的要求。因此，設(shè)計(jì)、開發(fā)一套符合社會(huì)需求的現(xiàn)代智能照明控制系統(tǒng)就顯得有位迫切。本文提出了一種較新的智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。本方案主要是MCU為核心控制處理器，加以現(xiàn)在飛車流行的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)現(xiàn)代照明控制系統(tǒng)實(shí)施遠(yuǎn)程控制，其目的是為了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代照明控制系統(tǒng)真正意義的自動(dòng)化、智能化、遠(yuǎn)程化，最終實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約、能耗降低、綠色環(huán)保的社會(huì)節(jié)能要求。 本文詳細(xì)敘述了樓宇照明系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)——ZigBee技術(shù)。因此，詳細(xì)介紹了ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)、組網(wǎng)方式、以及非常重要的Z-Stack協(xié)議棧。另外，本文詳細(xì)介紹了ZigBee在樓宇照明系統(tǒng)中的應(yīng)用，包括分布式控制、核心處理器流程和控制終端的實(shí)現(xiàn)。 關(guān)鍵詞：樓宇照明；現(xiàn)代智能；ZigBee技術(shù)。 Abstrac With the development of science and technology gradually improve the anti war and the level of human life, peoples requirements of modern intelligent building and HomeFurnishing,intelligent lighting is not limited to ordinary lighting needs, but also the needs of modern intelligent lighting system can meet different people and different aesthetic needs of different tribes and comfort requirements, therefore, the traditional the manual control management system based lighting control can not meet the requirement of modern lighting. Therefore, it is urgent to design and develop a modern intelligent lighting control system that meets the needs of society. A new design scheme of intelligent lighting control system is proposed in this paper. The program is mainly for the MCU control of the core processor, the wireless sensor network to now popular speed on the implementation of the remote control system of modern lighting control, its purpose is to realize the true meaning of the modern lighting control system automation, remote and intelligent realize cost savings, reduce energy consumption and green energy requirements of society.This paper describes in detail the network communication technology of building lighting system -- ZigBee technology. Therefore, the characteristics of ZigBee technology, the way of networking and the very important Z-Stack protocol stack are introduced in detail. In addition, this paper introduces the application of ZigBee in building lighting system, including distributed control, core processor flow and control terminal implementation. Key words: building lighting; modern intelligence; ZigBee technology 目 錄 第1章 ZigBee技術(shù)概述 4 1.1 ZigBee技術(shù)的特點(diǎn) 4 1.2 ZigBee 協(xié)議框架 5 1.3 Z-Stack協(xié)議棧基本概念 5 1.3.1 設(shè)備類型 5 1.3.2 信道 5 1.4 Z-Stack棧協(xié)議規(guī)范 6 1.5 ZigBee組網(wǎng)技術(shù) 6 1.6 ZigBee的應(yīng)用前景 6 第2章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8 2.1 基本原則 8 2.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 8 2.3 核心處理器設(shè)計(jì) 9 2.4 Zigbee節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì) 10 2.5 核心處理器與終端控制通信設(shè)計(jì) 12 第3章 樓宇照明控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 13 3.1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 13 3.2核心控制器處理單元 14 3.3 分布式控制器接口電路設(shè)計(jì) 14 3.4 RS通信協(xié)議設(shè)計(jì) 15 總 結(jié) 17 致 謝 18 參考文獻(xiàn) 19 第1章 ZigBee技術(shù)概述 1.1 ZigBee技術(shù)的特點(diǎn) ZigBee是一種無線連接，可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（歐洲流行）和915MHz（美國流行）3個(gè)頻段上，分別具有最高250Kbps、20Kbps和40Kbps的傳輸速率，它的傳輸距離在10～75m的范圍內(nèi)，但可以繼續(xù)增加。作為一種無線通信技術(shù)，ZigBee具有如下特點(diǎn)。 （1）低功耗:由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1MW，而且采用了休眠模式，功率低，因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設(shè)備僅靠?jī)晒?jié)5號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間，這是其他無線設(shè)備望塵莫及的。 （2）成本低:通過大幅簡(jiǎn)化協(xié)議（不到藍(lán)牙的1/10），降低了對(duì)通信控制器的要求，按預(yù)測(cè)分析，以8051的8位微控制器測(cè)算，全功能的主要節(jié)點(diǎn)需要32KB代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至4KB代碼，而且ZigBee免協(xié)議專利費(fèi)。低成本對(duì)于ZigBee是一個(gè)關(guān)鍵的因素。 （3）時(shí)延短:通信時(shí)延和從休息狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設(shè)備時(shí)延30ms，休眠激活的時(shí)延是15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms。相比較而言，藍(lán)牙需要3～10s、WiFi需要3s。因此ZigBee技術(shù)適用于對(duì)時(shí)延要求苛刻的無線控制（如工業(yè)控制場(chǎng)合等）領(lǐng)域。 （4）高容量:ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)。同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。 （5）可靠性:ZigBee的可靠性在很多方面進(jìn)行保證，物理層采用了擴(kuò)頻技術(shù)，能夠在一定程度上抵抗干擾，MAC應(yīng)用層（APS部分）有應(yīng)答重傳功能。MAC層的CSMA機(jī)制使節(jié)點(diǎn)發(fā)送前先監(jiān)聽信道，可以起到避開干擾的作用。當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)受到外界干擾無法正常工作時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以動(dòng)態(tài)地切換到另一個(gè)工作信道上。 （6）安全:ZigBee提供了三級(jí)安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單（Access Control List,ACL）防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(Advanced Encryption Standard,AES-128)的加密算法，各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全性。 （7）近距離:相鄰節(jié)點(diǎn)間的有效覆蓋范圍在10～75m之間，再增加RF發(fā)射功率后，可增加到1～3km。如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭和辦公室環(huán)境。 （8）低功率:ZigBee工作在20～250Kbps的較低功率，分別提供250Kbps（2.4GHz）、40Kbps（915MHz）和20Kbps（868MHz）的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。 1.2 ZigBee 協(xié)議框架 ZigBee堆棧是在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上建立的，定義了協(xié)議的MAC和PHY層。ZigBee設(shè)備應(yīng)包括IEEE802.15.4的MAC和PHY層，以及ZigBee堆棧層：網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和安全服務(wù)提供層。 完整的ZigBee協(xié)議棧由物理層、介質(zhì)訪問控制層、網(wǎng)絡(luò)層、安全層和高層應(yīng)用規(guī)范組成，如下表2.1所示： 表2-1 ZigBee 協(xié)議棧 應(yīng)用層 應(yīng)用層 用戶 ZigBee平臺(tái)通信棧 應(yīng)用程序接口 ZigBee聯(lián)盟平臺(tái) 安全層（128b加密） 網(wǎng)絡(luò)層（星狀/網(wǎng)格/樹狀） 硬件實(shí)現(xiàn) MAC子層 IEEE 802.15.4 物理層 868MHz/915MHz/2.4GHz 1.3 Z-Stack協(xié)議棧基本概念 1.3.1 設(shè)備類型 協(xié)調(diào)器、路由器、 終端設(shè)備 1.3.2 信道 ZigBee采用直接序列擴(kuò)頻（DSSS）工作在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療（ISM）頻段在2.4G頻段上IEEE802.15.4/ZigBee規(guī)定了16個(gè)信道，每個(gè)信道頻道帶寬度為5MHz。 ZigBee 與其他通信協(xié)議的信道沖突：15，20，25，26信道與Wi-Fi信道沖突較?。凰{(lán)牙基本不會(huì)沖突；無繩電話盡量不與ZigBee同時(shí)使用。 1.4 Z-Stack棧協(xié)議規(guī)范 ZigBee聯(lián)盟為協(xié)議棧定義了兩個(gè)規(guī)范:Zigbee和ZgBee PRO。所有設(shè)備，只要遵循該規(guī)范，即使在不同廠商買的不同設(shè)備同樣可以形成網(wǎng)絡(luò)。 ZigBee和ZigBee PRO之間最主要的特性差異就是對(duì)高級(jí)別安全性的支持。高級(jí)別安全性提供了一個(gè)在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接之間建立鏈路密室的機(jī)制，并且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在應(yīng)用層無法得到信任時(shí)增加了更多的安全性。像許多PRO特性那樣，高級(jí)安全特性，對(duì)于某些應(yīng)用而言非常有用。但在有效利用寶貴節(jié)點(diǎn)空間方面卻付出很大代價(jià)。 如果所建立的網(wǎng)絡(luò)為一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò),那么ZigBee PRO設(shè)備將只能以有限的終端設(shè)備的角色連接和參與到該網(wǎng)絡(luò)中，即該設(shè)備將通過一個(gè)父級(jí)設(shè)備與該網(wǎng)絡(luò)保持通信，且不參與到路由或允許更多的設(shè)備連接到該網(wǎng)絡(luò)中。同樣如果網(wǎng)絡(luò)最初建立了一個(gè)PRO網(wǎng)絡(luò)，那么ZigBee PRO設(shè)備也只能以有限的終端設(shè)備的角色參與到該網(wǎng)絡(luò)中來。 如果應(yīng)用開發(fā)者改變了規(guī)范。那么他的產(chǎn)品將不能遵循ZigBee聯(lián)盟定義。規(guī)范的產(chǎn)品做成網(wǎng)絡(luò)，也就是說該開發(fā)者開發(fā)的產(chǎn)品具有特殊性，通常稱為關(guān)閉的網(wǎng)絡(luò)。 1.5 ZigBee組網(wǎng)技術(shù) ZigBee協(xié)議是-個(gè)采用O-QPSK偏移四相監(jiān)控調(diào)制和直序擴(kuò)頻序列(Dsss)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化、實(shí)用化、具有自組網(wǎng)與自愈能力的傳感器阿絡(luò)協(xié)議，它具有16個(gè)信道間隔為5MHZ的信道，從而將信號(hào)分解為具有多個(gè)信號(hào)編碼的“化整為零”的信號(hào)形式，目的在于提高信號(hào)處理的安全性與可靠性。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要分為路由節(jié)點(diǎn)(FFD)、終端節(jié)點(diǎn)(RFD)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)FFD)等三種類型節(jié)點(diǎn)。其中，RFD節(jié)點(diǎn)的主要功能是接收上一層級(jí)件輸?shù)男畔?shù)據(jù)，并且能夠采集件感器網(wǎng)絡(luò)終端的數(shù)據(jù)信息。 ZigBee路由算法可以認(rèn)為是一個(gè)應(yīng)用在可能的情況下的分層路由策略。路由層充分研究了特設(shè)按需距離矢量（Ad hoc On Demand Distance Vector, AODV)算法和摩托羅拉的Cluster-Tree算法。 1.6 ZigBee的應(yīng)用前景 整體物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)被稱為感知網(wǎng)，家庭中各種各樣的網(wǎng)關(guān)、傳感器、攝像機(jī)等終端通過ZigBee接入到這個(gè)平臺(tái)，然后通過3G/4G、WIFI進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)。用戶在家可以直接用手機(jī)通過WiFi傳到網(wǎng)關(guān)，去控制家里各種各樣的傳感器終端，不在家時(shí)，可通過登錄感知網(wǎng)門戶用手機(jī)或計(jì)算機(jī)輕松查看和控制家里各種傳感器終端。在這個(gè)應(yīng)用圖譜中，3G/4G和WiFi是聯(lián)網(wǎng)的動(dòng)脈，而ZigBee就是連接傳感終端的毛細(xì)血管。 ZigBee-IP網(wǎng)關(guān)是感知網(wǎng)中的核心裝備，該網(wǎng)關(guān)集成了3G/4G、WIFI和ZigBee這3種無線模塊，能夠通過3G/4G上網(wǎng)，也具備家里的無線路由器功能。 ZigBee-IP網(wǎng)關(guān)的基本功能是打電話、上網(wǎng)等通信功能，再進(jìn)一步是安防報(bào)警功能，包括門磁、遙控器、紅外探測(cè)器、煙霧探測(cè)器、煤氣探測(cè)器都可以通過ZigBee無線方式接入到網(wǎng)關(guān)，報(bào)警信號(hào)會(huì)馬上被傳送到控制部分啟動(dòng)應(yīng)急措施。再進(jìn)一步是智能家居功能，家里的燈光控制器、開關(guān)面板、電源插座等都可以通過ZigBee接入網(wǎng)關(guān)，用戶可在下班之前把熱水器和空調(diào)打開和遠(yuǎn)程關(guān)掉。每一個(gè)開關(guān)插座上能夠?qū)崿F(xiàn)精細(xì)的電量統(tǒng)計(jì)。最后一類功能是智慧傳感，如血氧計(jì)、血糖計(jì)、血壓計(jì)通過ZigBee接入網(wǎng)關(guān)，實(shí)時(shí)幫助用戶記錄身體健康數(shù)據(jù)，并把它傳送到某一醫(yī)療網(wǎng)站上，網(wǎng)站后臺(tái)的醫(yī)療服務(wù)團(tuán)隊(duì)就可根據(jù)這些數(shù)據(jù)隨時(shí)給用戶提供健康咨詢服務(wù)。其應(yīng)用領(lǐng)域主要包括以下幾方面。 ●家庭和樓宇網(wǎng)絡(luò)：空調(diào)系統(tǒng)的溫度控制、照明的自動(dòng)控制、窗簾的自動(dòng)控制、煤氣計(jì)量控制、家用電器的遠(yuǎn)程控制等。 ●工業(yè)控制：各種監(jiān)控器、傳感器的自動(dòng)化控制。 ●商業(yè)：智慧型標(biāo)簽等。 ●公共場(chǎng)所：煙霧探測(cè)器等。 ●農(nóng)業(yè)控制：收集各種土壤信息和氣候信息。 ●醫(yī)療：老人與行動(dòng)不便者的緊急呼叫器和醫(yī)療傳感器等。 第2章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 基本原則 現(xiàn)代樓宇智能照明控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循如下幾個(gè)原則: 1.現(xiàn)代樓宇層數(shù)多、用戶數(shù)量巨大、公共區(qū)域范圍較廣，因此，在整個(gè)樓宇建筑物均采用自動(dòng)控制的管理方式其實(shí)并不現(xiàn)實(shí)，因此，在滿足樓宇照明自動(dòng)控制的基礎(chǔ)上，可以適當(dāng)考慮人工控制方式，將它作為自動(dòng)控制方式的存效補(bǔ)充。 2.現(xiàn)代樓宇智能照明控制系統(tǒng)所需節(jié)點(diǎn)數(shù)量較大，若采用所有數(shù)據(jù)全部送到中央處理器進(jìn)行分析后再給出下一步執(zhí)行指令的模式，勢(shì)必造成數(shù)據(jù)件輸控制的巨大壓力，而且還有可能引起長(zhǎng)延時(shí)，因此，現(xiàn)代樓宇智能照明控制系統(tǒng)應(yīng)該采用分布式控制結(jié)構(gòu)，也就是利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具備的數(shù)據(jù)處理能力，分散控制各自區(qū)域內(nèi)照明設(shè)備，這樣，就不再需要將所有數(shù)據(jù)件輸?shù)街醒胩幚砥鳌Ｄ敲?，核心處理器的主要職能則是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)管、控制、適時(shí)調(diào)整。本文所采用的分布式結(jié)構(gòu)如下圖所示。由圖可見，分布式處理節(jié)點(diǎn)就來用zigbee節(jié)點(diǎn)加以實(shí)現(xiàn)。 圖2-1 樓宇智能照明控制系統(tǒng)分布式控制結(jié)構(gòu) 2.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 由圖2-1基本可知，分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的樓宇智能照明控制系統(tǒng)主要包含了控制終端、分布式節(jié)點(diǎn)、核心處理器等三大類設(shè)備。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示。 圖2-2 分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 由圖2-2可見，控制終端主要是指數(shù)據(jù)來集與執(zhí)行設(shè)備。數(shù)據(jù)采集主要是指加裝在控制端的各種類型的件感器，用來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)件感器數(shù)據(jù)。執(zhí)行設(shè)備則是指類似于電動(dòng)窗簾、鎮(zhèn)流器等用來調(diào)節(jié)照明設(shè)備相關(guān)參數(shù)或者是改變照明環(huán)境的設(shè)備。 核心處理器則是整個(gè)樓宇智能照明控制系統(tǒng)的中央處理單元，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯總、分析、給出執(zhí)行指令等職能。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多時(shí)可以容納65535個(gè)節(jié)點(diǎn)，而現(xiàn)代樓宇智能照明控制系統(tǒng)本身需要組建的是低功耗、低傳輸速率的能夠處理大量數(shù)據(jù)信息的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這恰恰是ZlgBee網(wǎng)絡(luò)能夠滿足的。此外，ZigBee節(jié)點(diǎn)不但能夠來集終端控制設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，還具備一定的數(shù)據(jù)處理能力，可以實(shí)現(xiàn)在特定區(qū)域內(nèi)對(duì)照明設(shè)備及其相關(guān)要求的自動(dòng)控制。 2.3 核心處理器設(shè)計(jì) 選用MCU作為核心處理器主要功能在于存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)信息，通過ZigBee節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與控制終端的數(shù)據(jù)、指令交互應(yīng)答，從而實(shí)現(xiàn)整棟樓宇照明控制的自動(dòng)合理監(jiān)護(hù)。MCU核心處理器采用C/S架構(gòu)，這是取穩(wěn)定性好，低成本，安全性高的優(yōu)勢(shì)。網(wǎng)絡(luò)接口用來建立能夠同時(shí)接受多個(gè)終端命令的用戶控制終端的通信接口?？刂七壿嫴糠謩t主要用來實(shí)現(xiàn)控制終端算法的嵌入式數(shù)據(jù)庫訪問。數(shù)據(jù)庫中儲(chǔ)存的則是控制終端、控制算法、控制用戶、ZigBee節(jié)點(diǎn)的物理地址、對(duì)因設(shè)備連接狀態(tài)信息等相關(guān)數(shù)據(jù)信息。 核心處理器的處理流程圖如圖2-3所示。 圖2-3 核心處理器處理流程圖 由圖2-3可見，核心處理器處理流程總計(jì)建立了三個(gè)并行執(zhí)行的程序流程，具體描述如下： 1.監(jiān)聽用戶控制終端子程序。系統(tǒng)初始化之后，監(jiān)聽用戶端口相關(guān)數(shù)據(jù)信息，根據(jù)應(yīng)答機(jī)制，決定是否建立與控制終端的應(yīng)答機(jī)制。若可以，則從數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)相關(guān)信息，接受用戶命令，并將用戶命令轉(zhuǎn)化為ZigBee節(jié)點(diǎn)能夠接受的數(shù)據(jù)格式，發(fā)送給ZigBee節(jié)點(diǎn)，由ZigBee節(jié)點(diǎn)執(zhí)行下一步命令。此過程結(jié)束后，返回監(jiān)聽端口狀態(tài)，直到下一次數(shù)據(jù)交互請(qǐng)求開始。 2.監(jiān)聽ZigBee端口程序。系統(tǒng)初始化之后，ZigBee節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)向核心處理器匯報(bào)節(jié)點(diǎn)信息及時(shí)反饋ZigBee節(jié)點(diǎn)的物理地址以及對(duì)應(yīng)設(shè)備連接狀態(tài)信息等。核心處理器接受ZigBee節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息并實(shí)現(xiàn)與嵌入式數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)交互，更新數(shù)據(jù)庫信息，直至本次數(shù)據(jù)交互完成為止。 3.定時(shí)功能。此子程序主要是實(shí)現(xiàn)前述的定時(shí)場(chǎng)景模式切換以及定時(shí)查詢樓宇照明狀態(tài)信息。 2.4 Zigbee節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì) 1.功能設(shè)計(jì)物理層(PHY)提供了兩種服務(wù)：（1)PHY數(shù)據(jù)服務(wù)：(2)PHY到物理層管理實(shí)（the physical layer management entity，簡(jiǎn)稱PLME)的管理服務(wù)接口。PHY數(shù)據(jù)服務(wù)能夠通過各物理無線電信道實(shí)現(xiàn)物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PHY protocol dataunits,PPDU)的化輸。 PHY的功能主要是激活無線電收發(fā)器、能量檢測(cè)（energy detection，ED)、鏈路質(zhì)量指示（link quality indication，LQI)、通道選擇、空閑信道評(píng)估(clear channel assessment，CCA)。該標(biāo)準(zhǔn)提供了基于直接序列擴(kuò)頻（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)的兩種PHY選項(xiàng)，在2.4GHz、915MHz、868MHz時(shí)的數(shù)據(jù)速率分別為250kbps、40kbps、20kbps。由于傳播損耗較低，較低頻率下將提供更長(zhǎng)的時(shí)間范圍，而低速率則可以保證數(shù)據(jù)依輸具有更高的靈敏度和更大的覆蓋范圍。 2.程序結(jié)構(gòu)作為分布式系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖如圖2-4所示。 圖2-4ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖 由圖2-4可知，ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過射頻接口、控制邏輯單元、D/A接口或者是串口實(shí)現(xiàn)與被控設(shè)備之間的信息交互。具體講，射頻接口完成通信功能；控制邏輯實(shí)現(xiàn)算法計(jì)算以及參數(shù)調(diào)整：D/A接口或者是串口則是實(shí)現(xiàn)與不同類型的被控設(shè)備之間的數(shù)據(jù)信息交互。 2.5 核心處理器與終端控制通信設(shè)計(jì) 核心處理器與終端控制之間的通訊處理程序如圖2-5所示。 圖2-5 核心處理器和控制終端的通信實(shí)現(xiàn) 由圖2-5可知，控制終端首先登錄核心處理器，并驗(yàn)證成功過與否。若登錄成功，則向核心處理器發(fā)送命令，核心處理器接收命令之后，依據(jù)控制算法的預(yù)先設(shè)定，做出相應(yīng)應(yīng)答，也就是轉(zhuǎn)為處理中斷程序。其間，應(yīng)答結(jié)果就是對(duì)樓宇建筑物內(nèi)的照明設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制。 第3章 樓宇照明控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 樓宇照明智能控制系統(tǒng)硬件部分總體設(shè)計(jì)圖如圖4-1所示。 圖 3-1 樓宇照明智能控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖 由圖3-1可知，本硬件系統(tǒng)主要分為核心控制器處理單元、人體信號(hào)檢測(cè)處理單元、光信號(hào)檢測(cè)處理單元、驅(qū)動(dòng)控制單元、鍵盤顯示處理單元。 本設(shè)計(jì)通過AT89C51單片機(jī)結(jié)合LED顯示技術(shù)、紅外傳感技術(shù)、光感技術(shù)、延時(shí)技術(shù)、按鍵采集與處理等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)照明設(shè)備的智能控制，其原理為： (1)單片機(jī)通過繼電器控制照明設(shè)備的打開或者關(guān)閉。 (2) 單片機(jī)通過光信號(hào)檢測(cè)處理單元對(duì)照明設(shè)備周邊亮度進(jìn)行檢測(cè)，如果亮度滿足生活需要?jiǎng)t保持照明設(shè)備的關(guān)閉狀態(tài)；如果亮度不夠則由單片機(jī)同時(shí)檢測(cè)是否采集到了人體熱釋電傳感信號(hào)。 (3) 如果檢測(cè)到人體信號(hào)，單片機(jī)立刻控制照明設(shè)備打開；如果該芯片沒有檢測(cè)到人體信號(hào)，單片機(jī)控制照明設(shè)備繼續(xù)保持關(guān)閉狀態(tài)。 (4) 照明設(shè)備打開時(shí)，如果某一時(shí)刻單片機(jī)檢測(cè)不到人體信號(hào)則延時(shí)一段時(shí)間后關(guān)閉，延時(shí)期間如果又檢測(cè)到人體信號(hào)則結(jié)束延時(shí)。 (5) 根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)所及使用人群的不同可以通過設(shè)置單片機(jī)引腳的狀態(tài)來設(shè)置不同的延時(shí)時(shí)間值。 (6)在電路正常工作情況下，只要通過按下開關(guān)鍵盤按鈕，就能對(duì)燈進(jìn)行強(qiáng)制開關(guān)的控制，通過該按鈕也能使電路切換為自動(dòng)控制狀態(tài)。 3.2核心控制器處理單元 本文選用ATMEL公司的AT89C51芯片作為核心控制器。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器(FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 其接口電路原理圖如圖3-2所示。 圖3-2 核心控制器處理單元接口電路原理圖 3.3 分布式控制器接口電路設(shè)計(jì) 在本文前述的設(shè)計(jì)思路中，采用的是分布式控制思路，分布式控制節(jié)點(diǎn)應(yīng)用Zigbee節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸，那么，怎樣使用單片機(jī)對(duì)節(jié)點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行有效監(jiān)控采集呢？本文選擇的設(shè)計(jì)思路是加入分控制器。本文所選擇的分控制器是低檔型的AT89C2051，此芯片對(duì)應(yīng)放置在需要采集、尤其是對(duì)于重點(diǎn)節(jié)點(diǎn)單元數(shù)據(jù)信號(hào)需要采集的Zigbee節(jié)點(diǎn)處，因?yàn)檫@些Zigbee節(jié)點(diǎn)基本代表的是節(jié)點(diǎn)物理地址以及對(duì)應(yīng)樓宇建筑物內(nèi)部相應(yīng)照明設(shè)備的狀態(tài)信息，而這些信息是照明控制系統(tǒng)對(duì)于進(jìn)一步措施的基本判斷依據(jù)，需要重點(diǎn)存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)。 其接口電路如圖3-3所示。 圖 3-3 分控制器接口電路 3.4 RS通信協(xié)議設(shè)計(jì) 在分布式集散控制系統(tǒng)中，往往需要一個(gè)主機(jī)與多個(gè)從機(jī)。主機(jī)功能主要是控制整個(gè)系統(tǒng)的有效運(yùn)行，從機(jī)的功能則是在負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)采集相關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信號(hào)，并完成與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)信號(hào)交互，以此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)信號(hào)的互通有無，其示意圖如圖 3-4 所示。 圖 3-4 通信協(xié)議示意圖 由圖3-4可見，主機(jī)與從機(jī)之間通過TXD實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的數(shù)據(jù)信號(hào)交互，RXD則主要是從機(jī)接受來自于主機(jī)的數(shù)據(jù)信息。 在本文中，本文選擇RS485實(shí)現(xiàn)主機(jī)與從機(jī)之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換。主機(jī)與從機(jī)之間的信號(hào)交互以中斷的方式加以體現(xiàn)，而且從機(jī)相互之間無法完成信號(hào)交互。 主機(jī)與從機(jī)的通信電路圖分別如圖3-5與圖3-6所示。 圖3-5 主機(jī)通信接口電路圖 圖3-6 從機(jī)通信接口電路圖 總 結(jié) 值本次綜合課程設(shè)計(jì)結(jié)束之際，在這里我們真誠地感謝靳鴻老師、崔建峰老師和謝銳老師的悉心指導(dǎo)及同學(xué)們的支持。正是在老師們的悉心指導(dǎo)和耐心細(xì)致地講解及同學(xué)們的相互幫助下，使我們完成了本次的課程設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)。 在這次綜合課設(shè)中，我主要在以下四方面進(jìn)行：（1）基于ZigBee技術(shù)的智能系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容。（2）基于51單片機(jī)的控制系統(tǒng)的前期準(zhǔn)備工作。（3）基于Microsoft Visio 2010進(jìn)行流程框圖及電路框圖的繪制工作。（4）基于Protel 99 SE以及福昕閱讀器專業(yè)版將Sch和PCB文件轉(zhuǎn)換成高清圖片的工作。 本次綜合課程設(shè)計(jì)，可以說是對(duì)所學(xué)理論知識(shí)整體的綜合性運(yùn)用，設(shè)計(jì)的內(nèi)容融合了大學(xué)二、三年級(jí)的所學(xué)，對(duì)我們從整體上把握電氣工程學(xué)科有了很高的要求。通過本次設(shè)計(jì)我們對(duì)所學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)有了更加理性和深層的認(rèn)識(shí)，并鍛煉和提高了實(shí)際動(dòng)手和實(shí)踐能力，為我們將來走向工作崗位打下了良好結(jié)實(shí)的基礎(chǔ)。 致 謝 值本次綜合課程設(shè)計(jì)結(jié)束之際，在這里我們真誠地感謝靳鴻老師、崔建峰老師和謝銳老師的悉心指導(dǎo)及同學(xué)們的支持。正是在老師們的悉心指導(dǎo)和耐心細(xì)致地講解及同學(xué)們的相互幫助下，使我們完成了本次的課程設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)。 本次綜合課程設(shè)計(jì)，可以說是對(duì)所學(xué)理論知識(shí)整體的綜合性運(yùn)用，設(shè)計(jì)的內(nèi)容融合了大學(xué)二、三年級(jí)的所學(xué)，對(duì)我們從整體上把握電氣工程學(xué)科有了很高的要求。通過本次設(shè)計(jì)我們對(duì)所學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)有了更加理性和深層的認(rèn)識(shí)，并鍛煉和提高了實(shí)際動(dòng)手和實(shí)踐能力，為我們將來走向工作崗位打下了良好結(jié)實(shí)的基礎(chǔ)。 參考文獻(xiàn) [1]華姜仲等.ZigBee技術(shù)與實(shí)訓(xùn)教程[M].北京.清華出版社,2014. 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