基于Zigbee的無線遙控臺燈

1、課程設計報告題 目： 基于 ZigBee 的無線遙控臺燈 學生姓名： 學生學號： 系 別： 專 業(yè)： 年 級： 任課教師： 電氣信息工程學院制2014 年 3 月 成績成績摘要摘要本文提出了一套采用無線通信協(xié)議 ZigBee 的智能路遙控臺燈系統(tǒng)的設計方案。該系統(tǒng)的方案利用 ZigBee 無線通信技術實現(xiàn)主控系統(tǒng)對終端臺燈的實時控制，具有遙控臺燈開關的功能。模擬試驗表明，本方案中所設計的系統(tǒng)操作簡單，節(jié)能效果好。ZigBee 是基于 IEEE802.15.4 標準的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔

2、和“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、高數(shù)據(jù)速率。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。簡而言之，ZigBee 就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術。關鍵詞關鍵詞：遙控臺燈，Zigbee,低功耗，繼電器淮南師范學院電氣信息工程學院 2015 屆電子信息工程專業(yè)課程設計目錄目錄1 課題任務 .12 方案設計 .12.1 設計要求 .122 總體方案的設計 .13 硬件電路設計 .23.1 元器件及原理介紹 .23.2 單元電路設計 .53.2.1

3、CC2530 核心板電路.53.2.2 按鍵電路.532.3 繼電器模塊電路.64 軟件設計 .64.1 系統(tǒng)程序設計 .64.2 主程序流程圖 .75 制作與調(diào)試 .76 總結(jié)及體會 .8參考文獻.8附錄：.9附錄一 程序 .9附錄二 元器件清單 .16附錄三 實物圖片 .16淮南師范學院電氣信息工程學院 2015 屆電子信息工程專業(yè)課程設計第 1 頁基于基于 Zigbee 的無線遙控臺燈的無線遙控臺燈學生：陳葉山指導教師：王宜結(jié)電氣信息工程學院 電子信息工程專業(yè)1 1 課題任務課題任務人們可以通過手中的 Zigbee 無線傳感器模塊實時遙控臺燈的開關，方便快捷，避免浪費電能，大大節(jié)約了大量

4、電能。2 2 方案設計方案設計2.12.1 設計要求設計要求（1）通過人們手中的便攜式無線傳感器的發(fā)射模塊的按鍵選擇發(fā)出相應的對臺燈的控制信號。（2）利用無線傳感器的接收模塊來接收發(fā)射模塊的控制信號并作出相應的處理，即在 Zigbee 的相應引腳產(chǎn)生高低電平來驅(qū)動繼電器的開關。（3）憑借繼電器的開關來控制臺燈供電電路的通斷，從而很好的控制臺燈的亮滅。2 22 2 總體方案的設計總體方案的設計系統(tǒng)分為發(fā)射模塊，按鍵控制模塊，接收模塊，繼電器模塊，臺燈模塊等。發(fā)射模塊采用 Zigbee 無線傳感器模塊，其 MCU 采用 CC2530 芯片，按鍵模塊用2 個按鍵，用于進行控制操作和復位。與發(fā)射模塊相

5、同，接收模塊模塊同樣采用 Zigbee 無線傳感器模塊，繼電器模塊采用的是松樂繼電器 SRD-05VDC-SL-C，利用接收模塊 MCU 的 P1.0 引腳驅(qū)動，驅(qū)動電路采用典型的三極管驅(qū)動電路，通過控制繼電器的吸合來控制臺燈供電電路的通斷。 淮南師范學院電氣信息工程學院 2015 屆電子信息工程專業(yè)課程設計第 2 頁Zigbee發(fā)射模塊Zigbee接收模塊繼電器模塊臺燈驅(qū)動開/關圖圖 1 1 系統(tǒng)模塊圖系統(tǒng)模塊圖3 3 硬件電路設計硬件電路設計3.13.1 元器件及原理元器件及原理介紹介紹1.CC2530 芯片：CC2530 是用 2.4-GHzIEEE 802.15.4、ZigBee 和

6、RF4CE 應用的一個真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網(wǎng)絡節(jié)點。CC2530 結(jié)合了領先的 RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型 8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM 和許多其它強大的功能。CC2530 有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有 32/64/128/256KB 的閃存。CC2530 具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統(tǒng)。運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短進一步確保了低能源消耗。CC2530F256 結(jié)合了德州儀器的業(yè)界領先的黃金單元 ZigBee 協(xié)議棧（Z-Stack） ，提供了

7、一個強大和完整的 ZigBee 解決方案。CC2530F64 結(jié)合了德州儀器的黃金單元 RemoTI，更好地提供了一個強大和完整的 ZigBee RF4CE 遠程控制解決方案。2.Zigbee 技術及其特點：（1）技術簡介： 蜜蜂在發(fā)現(xiàn)花叢后會通過一種特殊的肢體語言來告知同伴新發(fā)現(xiàn)的食物源位置等信息，這種肢體語言就是 ZigZag 行舞蹈，是蜜蜂之間一種簡單傳達信息的淮南師范學院電氣信息工程學院 2015 屆電子信息工程專業(yè)課程設計第 3 頁方式。借此意義 Zigbee 作為新一代無線通訊技術的命名。在此之前 ZigBee 也被稱為“HomeRF Lite” 、 “RF- EasyLink”或

8、“fireFly”無線電技術，統(tǒng)稱為ZigBee。簡單的說，ZigBee 是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡，類似于 CDMA 和 GSM網(wǎng)絡。ZigBee 數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡基站。通訊距離從標準的 75m 到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展。 ZigBee 是一個由可多到 65000 個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡平臺，在整個網(wǎng)絡范圍內(nèi)，每一個 ZigBee 網(wǎng)絡數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡節(jié)點間的距離可以從標準的 75m 無限擴展。 與移動通信的 CDMA 網(wǎng)或 GSM 網(wǎng)不同的是，ZigBee 網(wǎng)絡主要是為工業(yè)現(xiàn)場自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，因而，它必須具有簡單，使用方便，工作可靠

9、，價格低的特點。而移動通信網(wǎng)主要是為語音通信而建立，每個基站價值一般都在百萬元人民幣以上，而每個 ZigBee“基站”卻不到 1000 元人民幣。每個ZigBee 網(wǎng)絡節(jié)點不僅本身可以作為監(jiān)控對象，例如其所連接的傳感器直接進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料。除此之外，每一個 ZigBee 網(wǎng)絡節(jié)點(FFD)還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，和多個不承擔網(wǎng)絡信息中轉(zhuǎn)任務的孤立的子節(jié)點(RFD)無線連接。（2）技術特點： ZigBee 是一種無線連接，可工作在 2.4GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和 915 MHz(美國流行)3 個頻段上,分別具有最高 250k

10、bit/s、20kbit/s 和40kbit/s 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，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，功耗低,因此 ZigBee 設備非常省電。據(jù)估算，ZigBee 設備僅靠兩節(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,這是其它無線設備望塵莫及的。(2) 成本低： ZigBee 模塊的初始成本在 6 美元左右，估計很快就能降到 1.52.5 美元, 并且 ZigBee 協(xié)議是免專利費的。低成本對于 ZigBee 也是

11、一個關鍵的因素。(3) 時延短: 通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設備時淮南師范學院電氣信息工程學院 2015 屆電子信息工程專業(yè)課程設計第 4 頁延 30ms,休眠激活的時延是 15ms, 活動設備信道接入的時延為 15ms。因此ZigBee 技術適用于對時延要求苛刻的無線控制(如工業(yè)控制場合等)應用。(4) 網(wǎng)絡容量大： 一個星型結(jié)構(gòu)的 Zigbee 網(wǎng)絡最多可以容納 254 個從設備和一個主設備， 一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多 100 個 ZigBee 網(wǎng)絡, 而且網(wǎng)絡組成靈活。(5) 可靠: 采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙,避開了發(fā)送數(shù)據(jù)

12、的競爭和沖突。MAC 層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式， 每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進行重發(fā)。(6) 安全： ZigBee 提供了基于循環(huán)冗余校驗(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權(quán)和認證， 采用了 AES-128 的加密算法,各個應用可以靈活確定其安全屬性。3.繼電器模塊：繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。在大多數(shù)的情況下，繼電器就是一個電磁鐵，這個電磁鐵的銜鐵可

13、以閉合或斷開一個或數(shù)個接觸點。當電磁鐵的繞組中有電流通過時，銜鐵被電磁鐵吸引，因而就改變了觸點的狀態(tài)。繼電器一般可以分為電磁式繼電器、熱敏干簧繼電器、固態(tài)繼電器等。 電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可

14、以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點”?；茨蠋煼秾W院電氣信息工程學院 2015 屆電子信息工程專業(yè)課程設計第 5 頁在單片機系統(tǒng)中繼電器的控制一般通過一個三極管來驅(qū)動，典型的驅(qū)動電路如圖 1 所示：圖圖 1 1 繼電器的一般驅(qū)動電路繼電器的一般驅(qū)動電路繼電器電路中一般都要在繼電器的線圈兩頭加一個二極管以吸收繼電器線圈斷電時產(chǎn)生的反電勢，防止干擾。上圖中 AB 為常開觸點，AC 為常閉觸點。圖（a）中當控制信號為高電平時，繼電器常開觸點吸合（AB 導通），當控制信號為低電平時，繼電器常開觸點斷開常閉觸點吸合（AC 導通）。在圖

15、（b）中控制信號極性正好與圖(a)相反，本設計就是采用這個電路。3.23.2 單元電路設計單元電路設計3.2.1 CC2530 核心板電路淮南師范學院電氣信息工程學院 2015 屆電子信息工程專業(yè)課程設計第 6 頁圖圖 2 2 CC2530CC2530 核心板電路核心板電路3.2.2 按鍵電路如下圖 2 個獨立式按鍵 RESET,S1 分別接在 RST 和 P0.4 口，另外一端接地。當有一鍵按下時相應的口線的電平發(fā)生變化，單片機進行掃描確定哪個鍵按下,然后進行相應的事件處理。圖圖 3 3 按鍵電路按鍵電路32.3 繼電器模塊電路淮南師范學院電氣信息工程學院 2015 屆電子信息工程專業(yè)課程設

16、計第 7 頁圖圖 4 4 繼電器模塊電路繼電器模塊電路4 4 軟件設計軟件設計4.14.1 系統(tǒng)程序設計系統(tǒng)程序設計在系統(tǒng)工作過程中，首先開啟兩個 Zigbee 無線傳感器模塊的電源，然后按下發(fā)射模塊的 S1 鍵即可對發(fā)出相應的控制信號，例如按 1 次 S1 表示關閉臺燈，按兩次 S1 表示開啟臺燈，如此往復循環(huán)。4.24.2 主程序流程圖主程序流程圖主程序流程圖如下：淮南師范學院電氣信息工程學院 2015 屆電子信息工程專業(yè)課程設計第 8 頁主程序開始Zigbee發(fā)射模塊是Zigbee接收模塊計算發(fā)射模塊按鍵次數(shù)按鍵次數(shù)為奇數(shù)？否開啟臺燈是關閉臺燈結(jié)束圖圖 5 5 主程序流程圖主程序流程圖5

17、 5 制作與調(diào)試制作與調(diào)試 在焊接過程中，因為在以前也有過多次焊接的訓練，因此在焊接過程中沒有太多的問題，焊接結(jié)束是，電路板沒有問題。程序在 IAR 編譯成功后，把程序燒寫進芯片中，進行演示，演示結(jié)果正確。6 6 總結(jié)及體會總結(jié)及體會為期一個多月的課程設計就落下了帷幕，在這一個多月的的實訓中，不僅檢驗了我對所學知識的掌握程度，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做淮南師范學院電氣信息工程學院 2015 屆電子信息工程專業(yè)課程設計第 9 頁一件事情，又如何去完成一件事情。通過這次的設計，讓我對 Zigbee 無線傳感器有了很多的了解，讓我在多方面都有了一定的提高。通過這次設計，綜合運用本專業(yè)所學

18、習的課程的理論，設計工作的實際訓練從而提高我們的獨立的工作能力，鞏固我們所學的知識，提高了我們的獨立思考能力。在設計的過程中，我遇上了許多的問題，但是我沒有放棄，在不明白的地方，及時的查閱材料，問老師，問同學，順利地編寫程序，仿真，焊接，調(diào)試。參考文獻參考文獻1 任豐原，黃海寧，林闖.無線傳感器網(wǎng)絡J.軟件學報 2003，14（7）.2 IAR Embedded Workbench 8051 HelpOL.http:/ Flash Programmer User ManualOL.http:/ Data SheetOL.http:/ 5 譚浩強.C 語言程序設計M.北京：清華大學出版社，199

19、9.6 高守瑋，吳燦陽.Zigbee 技術實踐教程M.北京：北京航空航天大學出版社,2009.67 李文仲，段朝玉等.Zigbee 無線網(wǎng)絡技術入門與實戰(zhàn)M.北京：北京航空航天大學出版社，20078杜麗敏,郭文成.ZigBee 技術在遠程抄表系統(tǒng)中的應用J.單片機與嵌入式系統(tǒng),2006(7).9趙景宏,李英凡,許純信. ZigBee 技術簡介J.電力系統(tǒng)通信，2006，27（165）.10周游,方濱,王普.基于 ZigBee 技術的智能家居無線網(wǎng)絡系統(tǒng)J.電子技術應用,2005(5).附錄：附錄： 附錄一附錄一 程序程序（1）發(fā)射模塊主程序如下：#include #include #inclu

20、de #include 淮南師范學院電氣信息工程學院 2015 屆電子信息工程專業(yè)課程設計第 10 頁#include #include #include hal_mcu.h#include hal_button.h#include hal_rf.h#include util_lcd.h#include basic_rf.h/* CONSTANTS/ Application parameters#define RF_CHANNEL 25 / 2.4 GHz RF channel/ BasicRF address definitions#define PAN_ID 0 x2007#define

21、SWITCH_ADDR 0 x2520#define LIGHT_ADDR 0 xBEEF#define APP_PAYLOAD_LENGTH 1#define LIGHT_TOGGLE_CMD 0/ Application states#define IDLE 0#define SEND_CMD 1/ Application role#define NONE 0#define SWITCH 1#define LIGHT 2#define APP_MODES 2/* LOCAL VARIABLES淮南師范學院電氣信息工程學院 2015 屆電子信息工程專業(yè)課程設計第 11 頁static uin

22、t8 pTxDataAPP_PAYLOAD_LENGTH;static uint8 pRxDataAPP_PAYLOAD_LENGTH;static basicRfCfg_t basicRfConfig;/ Mode menustatic menuItem_t pMenuItems =#ifdef ASSY_EXP4618_CC2420 / Using Softbaugh 7-seg display L S , SWITCH, LIGHT , LIGHT#else / SRF04EB and SRF05EB Switch, SWITCH, Light, LIGHT#endif;static m

23、enu_t pMenu = pMenuItems, N_ITEMS(pMenuItems);#ifdef SECURITY_CCM/ Security keystatic uint8 key= 0 xc0, 0 xc1, 0 xc2, 0 xc3, 0 xc4, 0 xc5, 0 xc6, 0 xc7, 0 xc8, 0 xc9, 0 xca, 0 xcb, 0 xcc, 0 xcd, 0 xce, 0 xcf,;#endifstatic void appLight()淮南師范學院電氣信息工程學院 2015 屆電子信息工程專業(yè)課程設計第 12 頁 halLcdWriteLine(HAL_LCD

24、_LINE_1, W e B e e ); halLcdWriteLine(HAL_LCD_LINE_2, ZigBee CC2530 ); halLcdWriteLine(HAL_LCD_LINE_4, LIGHT );#ifdef ASSY_EXP4618_CC2420 halLcdClearLine(1); halLcdWriteSymbol(HAL_LCD_SYMBOL_RX, 1);#endif / Initialize BasicRF basicRfConfig.myAddr = LIGHT_ADDR; if(basicRfInit(&basicRfConfig)=FAIL

25、ED) HAL_ASSERT(FALSE); basicRfReceiveOn(); / Main loop while (TRUE) while(!basicRfPacketIsReady(); if(basicRfReceive(pRxData, APP_PAYLOAD_LENGTH, NULL)0) if(pRxData0 = LIGHT_TOGGLE_CMD) halLedToggle(1); static void appSwitch() halLcdWriteLine(HAL_LCD_LINE_1, W e B e e ); halLcdWriteLine(HAL_LCD_LINE

26、_2, ZigBee CC2530 );淮南師范學院電氣信息工程學院 2015 屆電子信息工程專業(yè)課程設計第 13 頁 halLcdWriteLine(HAL_LCD_LINE_4, SWITCH );#ifdef ASSY_EXP4618_CC2420 halLcdClearLine(1); halLcdWriteSymbol(HAL_LCD_SYMBOL_TX, 1);#endif / Initialize BasicRF basicRfConfig.myAddr = SWITCH_ADDR; if(basicRfInit(&basicRfConfig)=FAILED) HAL_A

27、SSERT(FALSE); pTxData0 = LIGHT_TOGGLE_CMD; / Keep Receiver off when not needed to save power basicRfReceiveOff(); / Main loop while (TRUE) if(halButtonPushed()=HAL_BUTTON_1)/*by boo basicRfSendPacket(LIGHT_ADDR, pTxData, APP_PAYLOAD_LENGTH); / Put MCU to sleep. It will wake up on joystick interrupt

28、halIntOff(); halMcuSetLowPowerMode(HAL_MCU_LPM_3); / Will turn on global / interrupt enable halIntOn(); 淮南師范學院電氣信息工程學院 2015 屆電子信息工程專業(yè)課程設計第 14 頁void main(void) uint8 appMode = NONE; / Config basicRF basicRfConfig.panId = PAN_ID; basicRfConfig.channel = RF_CHANNEL; basicRfConfig.ackRequest = TRUE;#ifdef SECURITY_CCM basicRfConfig.securityKey = key; #endif / Initalise board peripherals halBoardInit(); halJoystickInit(); / Initalise hal_rf if(halRfInit()=FAILED) HAL_ASSERT(FALSE); / Indicate that device is powered halLedSet(2); /關閉 LED2 halLedSet(1); /關閉 LED1 /* /