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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)代社會對照明的要求。因此，設(shè)計、開發(fā)一套符合社會需求的現(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)對現(xiàn)代照明控制系統(tǒng)實施遠(yuǎn)程控制，其目的是為了實現(xiàn)現(xiàn)代照明控制系統(tǒng)真正意義的自動化、智能化、遠(yuǎn)程化，最終實現(xiàn)成本節(jié)約、能耗降低、綠色環(huán)保的社會節(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、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 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 8 2.1 基本原則 8 2.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 8 2.3 核心處理器設(shè)計 9 2.4 Zigbee節(jié)點程序設(shè)計 10 2.5 核心處理器與終端控制通信設(shè)計 12 第3章 樓宇照明控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 13 3.1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計 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 14 3.4 RS通信協(xié)議設(shè)計 15 總 結(jié) 17 致 謝 18 參考文獻 19 第1章 ZigBee技術(shù)概述 1.1 ZigBee技術(shù)的特點 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。 （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)備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間，這是其他無線設(shè)備望塵莫及的。 （2）成本低:通過大幅簡化協(xié)議（不到藍(lán)牙的1/10），降低了對通信控制器的要求，按預(yù)測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主要節(jié)點需要32KB代碼，子功能節(jié)點少至4KB代碼，而且ZigBee免協(xié)議專利費。低成本對于ZigBee是一個關(guān)鍵的因素。 （3）時延短:通信時延和從休息狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設(shè)備時延30ms，休眠激活的時延是15ms，活動設(shè)備信道接入的時延為15ms。相比較而言，藍(lán)牙需要3～10s、WiFi需要3s。因此ZigBee技術(shù)適用于對時延要求苛刻的無線控制（如工業(yè)控制場合等）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)，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點。同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理，最多可組成65000個節(jié)點的大網(wǎng)。一個星型結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個從設(shè)備和一個主設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個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行保證，物理層采用了擴頻技術(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機制使節(jié)點發(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，整個網(wǎng)絡(luò)可以動態(tài)地切換到另一個工作信道上。 （6）安全:ZigBee提供了三級安全模式，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)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(Advanced Encryption Standard,AES-128)的加密算法，各個應(yīng)用可以靈活確定其安全性。 （7）近距離:相鄰節(jié)點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)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。具體依據(jù)實際發(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平臺通信棧 應(yīng)用程序接口 ZigBee聯(lián)盟平臺 安全層（128b加密） 網(wǎng)絡(luò)層（星狀/網(wǎng)格/樹狀） 硬件實現(xiàn) MAC子層 IEEE 802.15.4 物理層 868MHz/915MHz/2.4GHz 1.3 Z-Stack協(xié)議?；靖拍? 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個信道，每個信道頻道帶寬度為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)牙基本不會沖突；無繩電話盡量不與ZigBee同時使用。 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高級別安全性的支持。高級別安全性提供了一個在點對點連接之間建立鏈路密室的機制，并且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在應(yīng)用層無法得到信任時增加了更多的安全性。像許多PRO特性那樣，高級安全特性，對于某些應(yīng)用而言非常有用。但在有效利用寶貴節(jié)點空間方面卻付出很大代價。 如果所建立的網(wǎng)絡(luò)為一個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)備將通過一個父級設(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-個采用O-QPSK偏移四相監(jiān)控調(diào)制和直序擴頻序列(Dsss)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化、實用化、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個信道間隔為5MHZ的信道，從而將信號分解為具有多個信號編碼的“化整為零”的信號形式，目的在于提高信號處理的安全性與可靠性。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主要分為路由節(jié)點(FFD)、終端節(jié)點(RFD)、協(xié)調(diào)器節(jié)點FFD)等三種類型節(jié)點。其中，RFD節(jié)點的主要功能是接收上一層級件輸?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、攝像機等終端通過ZigBee接入到這個平臺，然后通過3G/4G、WIFI進入互聯(lián)網(wǎng)。用戶在家可以直接用手機通過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，可通過登錄感知網(wǎng)門戶用手機或計算機輕松查看和控制家里各種傳感器終端。在這個應(yīng)用圖譜中，3G/4G和WiFi是聯(lián)網(wǎng)的動脈，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，再進一步是安防報警功能，包括門磁、遙控器、紅外探測器、煙霧探測器、煤氣探測器都可以通過ZigBee無線方式接入到網(wǎng)關(guān)，報警信號會馬上被傳送到控制部分啟動應(yīng)急措施。再進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。每一個開關(guān)插座上能夠?qū)崿F(xiàn)精細(xì)的電量統(tǒng)計。最后一類功能是智慧傳感，如血氧計、血糖計、血壓計通過ZigBee接入網(wǎng)關(guān)，實時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)站后臺的醫(yī)療服務(wù)團隊就可根據(jù)這些數(shù)據(jù)隨時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、照明的自動控制、窗簾的自動控制、煤氣計量控制、家用電器的遠(yuǎn)程控制等。 ●工業(yè)控制：各種監(jiān)控器、傳感器的自動化控制。 ●商業(yè)：智慧型標(biāo)簽等。 ●公共場所：煙霧探測器等。 ●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 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)計應(yīng)該遵循如下幾個原則: 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，在整個樓宇建筑物均采用自動控制的管理方式其實并不現(xiàn)實，因此，在滿足樓宇照明自動控制的基礎(chǔ)上，可以適當(dāng)考慮人工控制方式，將它作為自動控制方式的存效補充。 2.現(xiàn)代樓宇智能照明控制系統(tǒng)所需節(jié)點數(shù)量較大，若采用所有數(shù)據(jù)全部送到中央處理器進行分析后再給出下一步執(zhí)行指令的模式，勢必造成數(shù)據(jù)件輸控制的巨大壓力，而且還有可能引起長延時，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?。那么，核心處理器的主要職能則是對整個系統(tǒng)的監(jiān)管、控制、適時調(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)點就來用zigbee節(jié)點加以實現(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 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、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，用來實時監(jiān)測件感器數(shù)據(jù)。執(zhí)行設(shè)備則是指類似于電動窗簾、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樓宇智能照明控制系統(tǒng)的中央處理單元，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯總、分析、給出執(zhí)行指令等職能。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多時可以容納65535個節(jié)點，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)點不但能夠來集終端控制設(shè)備的實時數(shù)據(jù)，還具備一定的數(shù)據(jù)處理能力，可以實現(xiàn)在特定區(qū)域內(nèi)對照明設(shè)備及其相關(guān)要求的自動控制。 2.3 核心處理器設(shè)計 選用MCU作為核心處理器主要功能在于存儲相關(guān)數(shù)據(jù)信息，通過ZigBee節(jié)點實現(xiàn)與控制終端的數(shù)據(jù)、指令交互應(yīng)答，從而實現(xiàn)整棟樓宇照明控制的自動合理監(jiān)護。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。網(wǎng)絡(luò)接口用來建立能夠同時接受多個終端命令的用戶控制終端的通信接口。控制邏輯部分則主要用來實現(xiàn)控制終端算法的嵌入式數(shù)據(jù)庫訪問。數(shù)據(jù)庫中儲存的則是控制終端、控制算法、控制用戶、ZigBee節(jié)點的物理地址、對因設(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建立了三個并行執(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)答機制，決定是否建立與控制終端的應(yīng)答機制。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)點能夠接受的數(shù)據(jù)格式，發(fā)送給ZigBee節(jié)點，由ZigBee節(jié)點執(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)交互請求開始。 2.監(jiān)聽ZigBee端口程序。系統(tǒng)初始化之后，ZigBee節(jié)點實時向核心處理器匯報節(jié)點信息及時反饋ZigBee節(jié)點的物理地址以及對應(yīng)設(shè)備連接狀態(tài)信息等。核心處理器接受ZigBee節(jié)點數(shù)據(jù)信息并實現(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.定時功能。此子程序主要是實現(xiàn)前述的定時場景模式切換以及定時查詢樓宇照明狀態(tài)信息。 2.4 Zigbee節(jié)點程序設(shè)計 1.功能設(shè)計物理層(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（the physical layer management entity，簡稱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（energy detection，ED)、鏈路質(zhì)量指示（link quality indication，LQI)、通道選擇、空閑信道評估(clear channel assessment，CCA)。該標(biāo)準(zhǔn)提供了基于直接序列擴頻（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)的兩種PHY選項，在2.4GHz、915MHz、868MHz時的數(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的時間范圍，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)點的結(jié)構(gòu)圖如圖2-4所示。 圖2-4ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)圖 由圖2-4可知，ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過射頻接口、控制邏輯單元、D/A接口或者是串口實現(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；控制邏輯實現(xiàn)算法計算以及參數(shù)調(diào)整：D/A接口或者是串口則是實現(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 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現(xiàn) 由圖2-5可知，控制終端首先登錄核心處理器，并驗證成功過與否。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)果就是對樓宇建筑物內(nèi)的照明設(shè)備進行相應(yīng)的控制。 第3章 樓宇照明控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 3.1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計 樓宇照明智能控制系統(tǒng)硬件部分總體設(shè)計圖如圖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、人體信號檢測處理單元、光信號檢測處理單元、驅(qū)動控制單元、鍵盤顯示處理單元。 本設(shè)計通過AT89C51單片機結(jié)合LED顯示技術(shù)、紅外傳感技術(shù)、光感技術(shù)、延時技術(shù)、按鍵采集與處理等技術(shù)來實現(xiàn)對照明設(shè)備的智能控制，其原理為： (1)單片機通過繼電器控制照明設(shè)備的打開或者關(guān)閉。 (2) 單片機通過光信號檢測處理單元對照明設(shè)備周邊亮度進行檢測，如果亮度滿足生活需要則保持照明設(shè)備的關(guān)閉狀態(tài)；如果亮度不夠則由單片機同時檢測是否采集到了人體熱釋電傳感信號。 (3) 如果檢測到人體信號，單片機立刻控制照明設(shè)備打開；如果該芯片沒有檢測到人體信號，單片機控制照明設(shè)備繼續(xù)保持關(guān)閉狀態(tài)。 (4) 照明設(shè)備打開時，如果某一時刻單片機檢測不到人體信號則延時一段時間后關(guān)閉，延時期間如果又檢測到人體信號則結(jié)束延時。 (5) 根據(jù)應(yīng)用場所及使用人群的不同可以通過設(shè)置單片機引腳的狀態(tài)來設(shè)置不同的延時時間值。 (6)在電路正常工作情況下，只要通過按下開關(guān)鍵盤按鈕，就能對燈進行強制開關(guān)的控制，通過該按鈕也能使電路切換為自動控制狀態(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。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(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和閃爍存儲器組合在單個芯片中，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 在本文前述的設(shè)計思路中，采用的是分布式控制思路，分布式控制節(jié)點應(yīng)用Zigbee節(jié)點來進行數(shù)據(jù)信號的傳輸，那么，怎樣使用單片機對節(jié)點信號進行有效監(jiān)控采集呢？本文選擇的設(shè)計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，此芯片對應(yīng)放置在需要采集、尤其是對于重點節(jié)點單元數(shù)據(jù)信號需要采集的Zigbee節(jié)點處，因為這些Zigbee節(jié)點基本代表的是節(jié)點物理地址以及對應(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)對于進一步措施的基本判斷依據(jù)，需要重點存儲這些數(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 在分布式集散控制系統(tǒng)中，往往需要一個主機與多個從機。主機功能主要是控制整個系統(tǒng)的有效運行，從機的功能則是在負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)采集相關(guān)節(jié)點的數(shù)據(jù)信號，并完成與主機之間的數(shù)據(jù)信號交互，以此實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)信號的互通有無，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，主機與從機之間通過TXD實現(xiàn)點到點的數(shù)據(jù)信號交互，RXD則主要是從機接受來自于主機的數(shù)據(jù)信息。 在本文中，本文選擇RS485實現(xiàn)主機與從機之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換。主機與從機之間的信號交互以中斷的方式加以體現(xiàn)，而且從機相互之間無法完成信號交互。 主機與從機的通信電路圖分別如圖3-5與圖3-6所示。 圖3-5 主機通信接口電路圖 圖3-6 從機通信接口電路圖 總 結(jié) 值本次綜合課程設(shè)計結(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)計學(xué)習(xí)。 在這次綜合課設(shè)中，我主要在以下四方面進行：（1）基于ZigBee技術(shù)的智能系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容。（2）基于51單片機的控制系統(tǒng)的前期準(zhǔn)備工作。（3）基于Microsoft Visio 2010進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，可以說是對所學(xué)理論知識整體的綜合性運用，設(shè)計的內(nèi)容融合了大學(xué)二、三年級的所學(xué)，對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)計我們對所學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識有了更加理性和深層的認(rèn)識，并鍛煉和提高了實際動手和實踐能力，為我們將來走向工作崗位打下了良好結(jié)實的基礎(chǔ)。 致 謝 值本次綜合課程設(shè)計結(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)計學(xué)習(xí)。 本次綜合課程設(shè)計，可以說是對所學(xué)理論知識整體的綜合性運用，設(shè)計的內(nèi)容融合了大學(xué)二、三年級的所學(xué)，對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)計我們對所學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識有了更加理性和深層的認(rèn)識，并鍛煉和提高了實際動手和實踐能力，為我們將來走向工作崗位打下了良好結(jié)實的基礎(chǔ)。 參考文獻 [1]華姜仲等.ZigBee技術(shù)與實訓(xùn)教程[M].北京.清華出版社,2014. [2]葛廣英等.ZigBee原理、實踐及綜合應(yīng)用[M].北京.清華大學(xué)出版社，2015. [3]陳功.樓宇智能照明控制設(shè)計與實現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2014.