基于Zigbee的WPAN灯光控制系统的研究与设计-毕业设计论文

河北工程大学毕业设计论文

有79个信道,可以随时更换频道以防止干扰,传输速率为723.1kbps. 当发射功率为1mW时,其通信距离可达10m;发射功率为100mW时,通信距离可达100m.蓝牙技术采用灵活的无基站组网方式,在这种组网方式下,每一个蓝牙设备都能够同时和7个设备进行通信,而且支持点对点与点对多点的通信方式,在点对点的通信方式下,蓝牙技术采用密码核对方式进行通信,及通信的两个设备需要进行设置相应的密码进行配对,大大增加了数据传输的安全性。该技术广泛应用于现在如手机、PDA、台式机电脑和笔记本电脑等主流消费性产品当中。

1.3.3 Wi-Fi技术的比较

无线局域网技术WLAN(Wi-Fi),其技术标准为802.11,可实现十几兆至几十兆的无线接入。WLAN最大的特点是便携性,主要解决用户“最好100m”的通信需求,定位于人点地区的高速游牧数据接入,不支持高速移动性,主流应用是商务用户在酒店、机场等热点使用便携电脑上网浏览或访问企业的服务器。WLAN制定有一系列标准,有802.11b/a/g/n等。

使用WiFi的缺点包括功耗大、成本高、协议开销大、需要接入点。目前在一个器具上增加WiFi至少需要15美元。Bluesoft标记的价格是65美元。虽然成本还会下降,但近期仍只能用于跟踪价值较高的资产。一个仓库可能只会把Bluesoft标记用于它的铲车,而不会用于铲车搬动的箱子。Wi-Fi是一个无中继转发能力的单跳网,器具只能连接到接入点(AP)。AP之间的链接、AP与其他网络的链接往往通过常规的有线以太网。如果已经用于其他以太网业务的同一布线再用作WiFi回传,就需要进行认证或者把WiFi无线数据包隔离开。要不,你就不得不安装新的缆线和交换机。

现在,需要新兴公司正在推进Wi-Fi网状网,其内AP被用作路由器,彼此自动发现,可经过几跳转发业务。但网状网结构主要涉及用于室外,在AP之间要求视距,使他们更适用于服务提供商,而不是企业。随着低速率应用市场需要的不断增长,Zigbee和Wi-Fi系统共处的可能性越来越大,但是由于两者都主要工作在2.4GHZ的ism频段,他们不可避免的会产生相互干扰,所以Zigbee和Wi-Fi之间的共存是一个待需解决的问题。

1.3.4 红外技术

红外技术(IrDA,Infrared Data Association)是制定于1993年的一种短距离无线通讯标准。采用波长850nm的红光作为传输介质,采用点到点通讯方式,通过红外光脉冲和电脉冲的转化实现通信,通讯距离在1米以内,传输速率为16Mbps,是一种代替传统线缆传输的有效通讯方式。但因其传输距离有限、传输方向局限大等特点,在应用上受到

5

河北工程大学毕业设计论文

了很大的限制。表1-1给出了本文介绍的集中无线通讯技术的基本参数和比较。

表1-1 几种无线通讯技术的参数及比较

规范

工作频段 868/915MHz 2.4GHz 850nm 2.4GHz 2.4GHz

传输速率(mbps) 0.02/0.04/0.25 1.5 1 11

功耗

传输方式

安全方式

支持组织

主要用途

Zigbee 红外 蓝牙 WIFI

1-3mW 1-10mW 1-100mw 60-70mW

点到多点 点到点 点到多点 点到点 点到多点

AES128 无 120位密钥 WEP加密

Zigbee联盟 IrDA BlueTooth SIG WIFI联盟

家庭网络 近距离遥控 个人网络 局域网

1.4 本文研究内容及结构安排

论文对基于Zigbee技术的WPAN智能灯光控制系统进行了研究,主要工作是系统的总体设计和软件开发。本论文的结构安排如下:

第一章:绪论。主要介绍了Zigbee技术产生的背景、现状发展前景、以及技术特点。并重点介绍了Zigbee技术与其他几种无线通信协议的性能比较,突出Zigbee特定领域应用上的技术优势。

第二章:本章主要进行Zigbee智能灯光控制系统的设计方案。构建了一个稳定可扩展的智能灯光控制网络系统。

第三章:本章对Jennic公司的JN51xx系列芯片做了简单介绍、重点介绍了GAINSJ开发板、JN5139模块、无线传感器网络及JN5139模块的板载温湿度传感器的组成与性能,并通过对目前市场上的Zigbee芯片的性能分析比较最终选用JN5139模块进行硬件模块设计。

第四章:系统软件的设计与实现,对本系统设计所用到的各类函数及其实现的功能做了详细介绍,重点对应用程序设计中的网络协调器、终端设备的工作流程进行了着重说明,并给出了主程序。

第五章:对本课题的研究工作进行了总结与展望。

6

河北工程大学毕业设计论文

第2章 基于Zigbee技术的WPAN灯光控制系统设计

2.1 基于Zigbee的智能照明系统的实现

Zigbee联盟定义了一套灯光无线控制规范,从而保证今后各个生产厂商的相关产品都可以进行相互通信。它是一种在无线个人网络领域新兴的无线网络技术。电子与电气工程师协会IEEE与2000年底成立了802.15.4工作组,规定了Zigbee的物理层和媒体接入控制层。2001年八月成立了Zigbee联盟,负责Zigbee规范的制定和应用推广工作,2004年12月 推出Zigbee规范的正是版本Zigbee Specification V1.0。目前,Zigbee标准在Zigbee联盟的推动下正日趋增强和完善,其实际工程应用正日益普及。世界各大半导体巨头TI,FreeScale和Ember等各自推出了符合Zigbee标准的芯片及协议栈。其中,TI公司的CC2430加Z-Stack协议栈是业内公认的最佳解决方案。本文的无线智能照明系统就是在这个平台上实现的。

2.1.1 Zigbee无线照明的特点

基于ZigBee 本身相对其他短距离无线技术的组网灵活和省电的优势,ZigBee联盟定义了灯光控制方案具有以下主要特点:

标准:ZigBee灯光定义了灯光开关、调光器、感测设备的规范,保证各个厂商相同产品间的混用和呼唤,从而保证生产厂商和用户的利益和成本投入。

网络:ZigBee网络的最大特点就是布网和建网灵活。原则上,无论是灯光开关、调光器、遥控器还是感测器都可以作为网络的协调器和路由器。经过合理布局,保证建筑物内没有无线通讯的盲区。

自由:通过ZigBee 网络协调器,用户可以在任何时候方便的添加、删除照明设备,任意组合各类控制器和照明设备的对应关系,最大限度的展现无线照明的优势特点。

延伸:ZigBee 网络技术是短程无线控制网络的发展趋势。无论是智能楼宇还是今后的民用住宅,安防,家电控制,老人及儿童安全都会用到ZigBee无线控制网络。ZigBee灯光控制网络非常容易就延伸到整个大网络之中。

2.2 控制系统总体设计

整体组网采用树状簇型结构,即以每个房间为1个单元,房间内的每盏灯作为一个终端设备,每个房间设置1个路由器用以与协调器通信并向房间内每一个终端设备转发

7

河北工程大学毕业设计论文

数据。整体结构布局及组网方式如图2-1所示。

图2-1 整体结构布局及组网方式

在功能设定方面,由于不同的房间所具有的职能不同,所以对每一个房间的终端设备所具有的功能进行分别设置。总体上,要求房间内所有的终端设备可以对LED进行开关控制及亮度调节。

为了方便和快速进行调节,在遥控面板上还加入了情景和亮度设定,其中亮度设定为昏暗程度、明亮程度和超明亮程度。情景模式可以设置多种颜色模式。还可以具有以下功能:

(1)智能调光:开灯时,灯光亮度由暗逐渐变亮;关灯时灯光亮度逐渐由明变暗。有利于保护视力及延长灯泡寿命。

(2)延时功能:当按下延时按键后,所有灯光将在一定时间后全部关闭。

(3)全开全关:实现一键控制全部灯光的开关功能。

针对ZigBee联盟制定的标准灯光控制规范,ZigBee灯光定义了遥控器,灯光控制器,灯光开关,调光器,感测设备的规范,以保证各个厂商产品兼容互通和呼唤。原则上说,无论是灯光开关,调光器,遥控器,感测器都能够成为网络的协调器和路由器。系统设计以灯光控制器作为网络协调器Coordinatior,灯光开关作为Router,调光器以及亮度感测器作为End devices。 1.无线灯光控制器

(1)代替原来的多个普通机械开关,可以实现多路灯光的集中和独立控制。 (2)接收遥控器的控制指令。

(3)兼具无线网络的协调和路由功能。 2.无线灯光亮度调节器

(1)用无线方式调节灯光的亮度(本地)。

(2)接收遥控器的控制指令,实现灯光亮度的无线调节功能。 (3)根据亮度感测器的感测信号,根据环境亮度调节灯光的明暗。 (4)兼具网络的路由功能。

8

联系客服:779662525#qq.com(#替换为@)