基于ZigBee无线传感网络的LED智能照明控制系统的研究

摘要

随着移动互联网与半导体技术的迅猛发展，人们对家居生活的网络化、智能化、节能化的需求越来越强烈，将家用电器、照明灯具、安防报警等模块通过无线网络集成到控制平台，实现智能控制和智能管理。智能照明系统是智能建筑与家庭自动化必不可少的子系统，针对布线繁琐、扩展性差、功能单一、人工管理、“长明灯”耗能严重等诸多缺陷，传统照明系统已无法满足现代人的生活与品质需求，在此背景下智能照明系统应运而生。LED与无线传感网络技术给照明系统“网络化、智能化、节能化”的数字家园带来了广阔的发展空间和应用前景。
　　 论文着重对智能照明控制系统进行了研究与设计，控制对象采用第四代光源LED灯具，并集成恒流驱动与PWM脉冲调光技术，完成256级PWM线性调光与调色温。控制策略采用ZigBee无线传感网络技术，并结合网状拓扑结构的ZigBee2007协议栈，实时采集LED照明现场的环境参数，CC2530芯片逻辑判断与智能分析后，实现智能调光、调色温、分组群控、情景模式等复杂功能。同时，论文对ZigBee路由算法也做了深入研究，提出了一种优化改进后的ZBR动态路由算法，NS2软件仿真结果表明综合性能显著增强。PC上位机实时显示照明现场的环境参数与异常报警，对LED智能照明系统进行集中控制与管理。
　　 本文的主要研究成果如下:
　　 1.以PT4115芯片为核心，设计了PWM脉冲恒流源驱动调光器，实现了LED的256级PWM线性智能调光与调色温，解决了LED传统驱动与调光器的效率低、耗能严重、色谱偏移、色温变动、无法精确调光、谐波干扰等难题。
　　 2.针对传统SMA天线占用空间大，设计了倒F型PCB天线，室内障碍空间通信距离可达30m以上，空旷无障碍空间可达100m以上。基于ZigBee与RF4CE的智能遥控标准，设计了ZigBeeRF4CE遥控器，实现2.4G的ZigBee无线遥控，也兼容传统红外遥控，具有无方向性、穿透性强、双向通信等优势。
　　 3.设计了操作系统抽象层OSAL的调度程序，调用API接口函数实现对Z-Stack协议栈的总体开发，各层服务原语多达数百条，采用操作系统的思维与任务轮转查询机制完成多任务调度，避免紊乱，满足超低功耗标准。
　　 4.提出了优化改进后的ZBR动态路由算法，引进了邻居节点与邻居表，并对RREQ的传播半径与方向进行限制，预设节点最小剩余能量，解决Cluster-Tree和AODVjr等传统路由算法的分组洪泛、路由开销大、能量非均衡等难题。
　　 5.利用NS2软件搭建网络模型，对优化改进后的ZBR动态路由算法进行仿真验证，结果表明ZBR有效缩短平均延时，提高递交率，降低路由与能量开销，延长网络寿命。最后，进行真实环境的实验测试，结果表明系统正常且稳定。
　　 6.基于VC6.0平台开发的PC上位机快速实现与下位机的双向通信，对LED照明控制系统进行实时环境数据显示、异常报警与集中管理，克服了传统照明单一控制、管理落后和“长明灯”现象等诸多缺陷。
　　 该LED智能照明控制系统实现了“传感器实时采集，传感网络数据透传，遥控器精准控制，上位机集中管理”的设计目标，随着住户对照明品质的要求越来越高，在智能建筑、智能家居行业极具市场竞争力，应用前景广阔。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景概述

1．1．1 课题来源

1．1．2 研究背景及意义

1．2 智能照明系统研究现状

1．3 LED照明光源技术动态

1．4 ZigBee无线传感网络研究现状

1．4．1 无线传感器网络起源与发展

1．4．2 短距离无线通信技术性能比较

1．4．3 ZigBee无线传感网络应用前景

1．5 课题的研究目的与研究内容

1．5．1 课题的研究目的

1．5．2 课题的研究内容

1．6 论文的结构安排

第2章 LED智能照明系统的总体方案

2．1 LED智能照明系统设计要求

2．1．1 硬件设计要求

2．1．2 软件设计要求

2．1．3 功能设计要求

2．2 LED智能照明系统总体方案与子系统布局

2．2．1 LED智能照明系统总体方案

2．2．2 LED智能照明子系统布局

2．3 硬件设计方案

2．3．1 ZigBee节点方案

2．3．2 LED驱动器方案

2．3．3 LED调光方案

2．4 软件设计方案

2．4．1 ZigBee节点类型与网络拓扑方案

2．4．2 Z-Stack协议栈架构

2．4．3 ZigBee原语与操作系统任务调度OSAL方案

2．4．4 ZigBee绑定Binging机制

2．4．5 ZigBee路由算法方案

第3章 LED智能照明系统的硬件设计与实现

3．1 CC2530片上系统

3．1．1 CPU与内存

3．1．2 外设与时钟

3．1．3 RF无线射频收发器

3．2 ZigBee节点的硬件设计与实现

3．2．1 CC2530外围电路设计

3．2．2 RF无线射频模块设计

3．2．3 传感器采集模块设计

3．2．4 RS232串口通信模块设计

3．2．5 ZigBee节点硬件总体实现

3．3 LED驱动调光节点的硬件设计与实现

3．3．1 PT4115脉冲恒流驱动调光模块设计

3．3．2 PT4115脉冲PWM调光实现

3．4 ZigBee RF4CE遥控器的硬件设计与实现

3．4．1 ZigBee RF4CE技术优势

3．4．1 ZigBee RF4CE遥控器模块设计

第4章 LED智能照明系统的软件设计与实现

4．1 LED智能照明系统软件总体框架

4．2 ZigBee无线传感网络的组网实现

4．2．1 ZigBee网络地址分配机制

4．2．2 ZigBee无线传感网络的组网算法

4．2．3 ZigBee无线传感网络的组网流程

4．3 ZigBee协议栈Z-Stack的总体开发

4．3．1 Z-Stack硬件初始化

4．3．2 操作系统任务调度OSAL初始化

4．3．3 执行操作系统任务调度OSAL的轮转查询机制

4．4 ZBR动态路由算法优化改进与NS2软件仿真验证

4．4．1 ZigBee路由成本计算

4．4．2 NS2软件仿真平台的搭建与仿真模型的建立

4．4．3 ZBR动态路由算法的优化与改进

4．4．4 NS2软件仿真验证

4．5 PC上位机数据中心控制平台的设计

第5章 LED智能照明系统调试与实验测试

5．1 LED智能照明系统硬件和软件的实验平台搭建

5．1．1 硬件实验平台搭建

5．1．2 软件实验平台搭建

5．2 Zigbee RF4CE与RemoteTI遥控调试实验

5．3 ZigBee无线传感网络的下位机组网通信实验

5．4 LED智能照明系统的智能控制测试实验

5．4．1 PC上位机与下位机建立双向通信

5．4．2 LED智能照明系统的LED分组控制设置

5．4．3 LED智能照明系统的自控与手控模式实验测试

5．4．4 实验结果

第6章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 对智能照明系统的展望

符号说明

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文