基于物联网的灯光控制系统——组网设计

毕业设计说明书设计题目:基于物联网的灯光控制系统——组网设计专业:物联网应用技术班级:物联网XX学号:姓名:指导教师:二O一四年十二月二十日设计内容：课题简介：以道惟尔公司CC2430无线传感器节点和光照传感器模块为载体，基于IAR和VS2010开发环境，设计一个灯光控制系统，实现对道路灯光亮灭进行控制，并接受上位机监控命令。主要任务：（1）传输层WSN组网程序与透明传输层程序开发；（2）撰写设计报告。主要技术要求如下：（1）采用模块化设计思想规划各子程序功能；（2）无线传感器网络通讯的基本数据帧格式为：帧头、父节点地址、源节点地址、数据长度、数据、帧尾。(3)CC2430协调器与PC串口通讯的基本数据帧格式为：帧头、功能码、数据长度、数据、帧尾；(4)传输层应实现透明传输。进度安排：1.任务分解，收集有关资料并消化吸收---2周；2.制定设计方案-----------------------------------1周；3.软件设计-----------------------------------------6周；4.撰写设计报告-----------------------------------2周；5.准备毕业答辩。主要参考文献、资料(写清楚参考文献名称、作者、出版单位)：[1]陈林是.无线传感器网络技术与应用.电子工业出版社，2009[2]高守玮，吴灿阳.ZigBee技术实践教程.北京航空航天大学出版社，2009[3]李文件，段如玉.ZigBee无线网络技术入门与实战.北京航空航天大学出版社，2007[4]金纯，罗祖秋，罗氏，陈前试.ZigBee技术基础及案例分析.国防工业出版社，2008[5]黄嘉辉.C#.NET网络程序设计.科学出版社，2004[6]厉小军.信息技术基础.浙江大学出版社，2005[7]郭渊博，杨魁武，赵俭.ZigBee技术与应用——CC2430设计、开发与实践.国防工业出版社，2010审批意见教研室负责人：年月日I目录摘要...................................................................1第1章概述............................................................2第2章系统组成与功能...................................................32.1系统组成..........................................................32.2本系统涉及的主要功能.............................................4第3章系统通讯协议规划.................................................63.1系统运行流程.....................................................63.1.1注册网络...................................................63.1.2获取网络参数...............................................63.1.3下发控制指令...............................................73.2通信协议规划.....................................................73.2.1规划原则...................................................83.2.2WSN网络结构................................................83.2.3通信协议...................................................9第4章WSN无线网络软件开发与测试.......................................134.1无线传感器网络（WSN）简介.......................................134.1.1无线传感器网络概念........................................134.1.2数据结构设计..............................................134.2基于Z-Stack协议栈应用程序的开发................................144.2.1网络拓扑选择..............................................144.2.2Z-Stack无线网络运行的基本流程.............................144.3基于ZigBee2006的无线传感网组网编程.............................164.3.1ZigBee无线网络的工作过程流程图............................164.3.2函数调用类任务............................................164.3.3WSN点对点发送数据函数.....................................19II4.3.4协调器把从串口接受的PC数据转发给下级节点函数.............21第5章Server服务端软件开发与测试......................................235.1三层架构程序设计简介............................................235.2CC2430终端节点对灯组的控制I/O口的分配关系.....................24总结..................................................................25致谢..................................................................26参考文献................................................................27附录一..................................................................28第1页摘要目前现有的城市路灯控制系统大多采用有线连接的方式，系统成本高、功耗大、施工复杂，而且存在能源浪费、后期维护困难等问题。针对以上缺点以道惟尔公司CC2430无线传感器节点和光照传感器模块为载体，基于IAR和VS2010开发环境，设计一个模拟道路灯光控制系统，实现对道路灯光亮灭进行控制，并接受上位机监控命令。该系统采用了无线传感器网络和ZigBee技术，无线传感器网络是一种集无线通信、数据采集和信息处理功能于一体的新兴网络。ZigBee技术是无线传感器网络中最具代表性的一种新兴技术，具有低成本、低功耗等特点。将ZigBee技术应用于城市路灯控制系统，将有利于实现路灯控制系统的智能化和节能化。关键词CC2430无线传感器网络ZigBee第2页第1章概述在道路灯光控制中，为了实时地控制不同道路灯光的亮灭，需要一个分布式多点道路灯光控制系统。传统的多点分布式道路灯光控制系统多采用有线传输方式，然而随着分布式节点的不断增加，系统的布线复杂度和成本也就极具增加，这给系统的设计、维护和升级带了许多不便。如何解决有线网络带来的诸多不便已成为当下研究的热点。无线传感器网络(WSN)具有自组织、可快速部署、屏蔽性强、无人值守等优点。随着射频技术、集成电路技术的发展，无线通信功能的实现越来越容易，数据传输速率也越来越快，并且逐渐达到可以与有线网络相媲美的水平。本设计旨在设计一种基于物联网的模拟道路灯光控制系统，用以实现对多个分散节点的灯光亮灭控制。采用模块化设计，无论是硬件还是软件，各个分层间结构清楚。在技术架构上，将感知、传输、应用分离，采用感知控制层、传输通信层、应用服务层三层架构设计。第3页第2章系统组成与功能2.1系统组成本系统以模拟智能交通为载体，它由感知层子系统、传输层子系统、应用层子系统三个部分组成，如图2-1所示。图2-1灯光系统组成图2-1中，感知层子系统由开关量控制节点和模拟量控制节点等两类节点组成。其中，灯光控制节点、电源控制节点三类是开关量控制节点。传输层子系统是基于CC2430的ZigBee无线传输网。所有感知层节点的控制指令均由应用层子系统通过通过串口下发给CC2430协调器，再由后者通过ZigBee无线网络下发给CC2430终端节点。第4页2.2本系统涉及的主要功能1.功能描述智能灯光控制：用户可以根据需要控制沙盘里的任意灯光。WSN软件开发智能灯光控制系统：系统能根据用户需要控制实时传回数据信息。1）软启功能：灯光的渐亮渐暗功能，能让眼睛免受灯光骤亮骤暗的刺激，同时还可以延长灯具的使用寿命。2）按节点控制灯光：控制某一节点灯光的亮灭状态，达到节能和便于管理的功效。3）按区域控制灯光：控制某一区域灯光的亮灭状态，使灯光更富人情味、成本低且便于管理。4）开关联合：轻松实现某节点或某区域所有灯光的一键的全关和全闭功能，触摸集中控制，使用更加方便。2.控制功能如下：本系统（基于物联网的灯光控制系统）是一个模拟城市道路灯光控制的系统，模拟该系统的沙盘有6条道路，如图2-2所示，每条道路上的路灯由若干组灯组组成，每组灯组通过控制单元与CC2430节点板相应端口连接。本模拟系统的道路灯光分别由0803和0804两块节点板的P1端口控制，这样不仅可以控制单组灯组，还可以控制指定的范围内所有灯组。例如现需要对太阳路偶数灯控制，只需要对该组灯组对应的0803节点板P1.3端口输出高低电平来进行控制。若要对太阳路整条路进行同时控制，就需要对0803节点板的P1.3端口和P1.6端口同时输出高低电平来进行同时控制。以此类推，通过端口分配来实现对整条道路或者道路某一部分灯组的控制，端口分配见表2-1。银河大道星光大道太阳路月亮路水星路滨河路北图2-2道路分布图第5页表2-1端口分配星光大道0803P1.5星光大道南侧奇数灯0xFB0804P1.0星光大道北侧偶数灯0x6DP1.3星光大道北侧奇数灯P1.6星光大道南侧奇数灯太阳路0803P1.3太阳路偶数灯0xEDP1.6太阳路奇数灯滨河路0803P1.4滨河路奇数灯0xF70804P1.2滨河路偶数灯0xDF月亮路0804P1.5月亮路0xFB水星路0803P1.1水星路奇数灯0xBEP1.7水星路偶数灯银河大道0803P1.0银河大道南侧偶数灯0x5FP1.2银河大道北侧偶数灯0804P1.1银河大道南侧奇数灯0xB7P1.4银河大道北侧奇数灯第6页第3章系统通讯协议规划3.1系统运行流程道路灯光控制系统的运行主要包括注册网络、获取网络参数、下发控制指令等三方面的操作。在道路灯光控制系统中服务器与CC2430协调器之间是通过串口进行通信，两者之间是需要使用统一的波特率、并按指定帧格式收发数据。CC2430协调器与CC2430终端节点之间是通过ZigBee无线网络通信的，需要物理地址和网络地址。CC2430终端节点是通过普通I/O口将控制命令转化为控制模块（执行机构）的驱动信号的。3.1.1注册网络系统启动后，CC2430协调器首先建立无线网络，终端节点在发现网络后，会主动加入网络，并上传网络参数（物理地址、网络地址、节点类型等）。注册网络的流程如图3-1所示。图3-1注册网络运行流程3.1.2获取网络参数系统运行中