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基于ZigBee无线传感网络的LED智能照明控制系统的研究.pdf
封面
声明
摘要
英文摘要
目录
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
浙江工业大学硕士学位论文
基于Z i gBee无线传感网络的LED智能照明
控制系统的研究
作者姓名：
俞建
指导教师：
刘红教授
浙江工业大学机械工程学院
2012年12月
Dissertation Submitted to Zhejiang University of Technology
for the Degree of Master
The Research of Intelligent Lighting Control System of LED
Based on ZigBee Wireless Sensor Network Technology
Candidate： 物Jian
Advisor：Liu Hong
College of Mechanical Engineering
Zhej iang University of Technology
Dec．2012
浙江工业大学
学位论文原创性声明
本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工
作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个
人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育
机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均
已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。
作者签名：翕连
日期：加膊胆月硝日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保
留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借
阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库
进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
本学位论文属于
1．保密口，在
2．不保密《
年解密后适用本授权书。
(请在以上相应方框内打“√”)
作者签名：鑫厂之
导师签名：贻
日期：力Jz年
日期：2017-年
／胡巧日
，二月28日
浙江工业大学
学位论文原创性声明
本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工
作所取得的研宄成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个
人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育
机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均
已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。
作者签名：奇连
日期：加旃胆月硝日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保
留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借
阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库
进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
本学位论文属于
1．保密口，在
2．不保密龇
年解密后适用本授权书。
(请在以上相应方框内打“巾)
作者签名：鑫厂之
导师签名：她
日期：力f2年
日期：彻I z年
|塌竭B
，二月28日
浙江工业大学硕士学位论文
基于Z i gBee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zigBe
e2007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Zi班ee路由算法也做了深入研究，提出了～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zi邸ee RF4cE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
摘要
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IU也Q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。
关键词：ZigBee，无线传感网络，LED，智能照明，ZBR动态路由算法，CC2530
浙江工业大学硕士学位论文
THE RESEARCH OF INTELLIGENT LIGHTING
CONTROL SYSTEM OF LED BASED ON Z冱GBEE
WIRELESS SENSOR NETWORK TECHNOLOGY
ABSTRACT
With the development of mobile Internet and semiconductor technology,people
have the increasingly strong demand for the home life of也e network．intelligence and
energy—saving．The household appliances，lighting，security alarm and other modules
are integrated into the control platform through a wireless network，realizing the
intelligent control and management．Intelligent lighting system is essential subsystem
of intelligent building and home automation．Aiming at the defects about cumbersome
wiring，poor expansibility,single function，artificial management，’’long lamp”
consumption and SO on，the traditional lighting system has been unable to meet
modem life and the quality demand．The intelligent lighting system emerges as the
times require under this background．LED and wireless sensor network technology
brings the broad space for development and prospect of application to the di百tal
home of the lighting system of network，intelligent and energy—saving．
The paper puts emphasis on the research and design of intelligent lighting control
system．The control object chooses the LED lamps of the fourth generation new type
light SOllrce，which is integrated constant current drive and PWM pulse dimming
technology,completes the dimming of 256 degree PWM linear and color temperature．
Control strategy chooses ZigBee wireless sensor network technology,combined with
the ZigBee2007 protocol stack of the mesh topology structure，real—timely collects the
environment parameters of LED lighting scene．After having a logic judgment and
intelligent analysis，the CC2530 chip
completes intelligent dimming，color
temperature，group control，scenarios and other complex functions．At the same time，
the ZigBee routing algorithm is also done in—depth research．The paper puts forward a
kind of optimization of improved ZBR dynamic routing algorithm，the NS2 software
simulation results show that the comprehensive performance significantly enhanced．
PC real—timely displays lighting site environment parameters and the abnormal alarm，
and realizes the centralized control and management for intelligent lighring system．
The main research contents and results are as follows：
1．According tO PT4 1 1 5 chip as the core，design a kind of PWM pulse constant
current source driving and dimmer,realizes the LED dimming of 256 degrees PWM
linear and color temperature，solves the problems of the traditional LED driving and
摘要
dimming about low efficiency,energy consumption，chromatography migration，color
temperature change，inaccurate dimming and harmonic interference．
2．Aiming at the traditional SMA antenna occupying a large space，it designs a
kind of PCB antenna of inverted F type．Experiments show that the indoor obstacle
space communication distance carl reach more than 3 0m，open the spatial accessibility
of up to more than l OOm．Based on the ZigBee and RF4CE intelligent remote control
standard,it also designs the ZigBee RF4CE remote control to achieve 2．4G ZigBee
wireless and infrared remote control，compatible with conventional，with no direction，
penetrating strong，two—way communication and prolonging life and other advantages．
3．It designs an OSAL scheduler of operating system abstraction layer,calling a
series of API interface function and realizing the overall development of ZigBee
protocol stack．Because service primitives of each layer as many as hundreds and
multitask software program，it chooses the thinking of operating system and Task
rotary query mechanism to perform multiple tasks scheduling，avoiding confusion，
and meeting ultra low power standard．
4．It puts forward a kind of optimized and improved ZBR dynamic routing
algorithm．ZBR introduces the neighbor node and table，and limits the IU也Q packet
transmission radius and the general direction．Also it defines the default node of
minimum energy,solving the problem about packet flooding，routing overhead，
energy of equilibrium of Cluster-Tree and AODVjr traditional routing algorithms．
5．The optimized and improved ZBR dynamic routing algorithm is simulated，
validated and analyzed depending on NS2 software to build a network model．The
results show that ZBR can effectively shorten the average time delay,improve the
delivery rate,reduce the routing overhead and energy,and prolong the network life．
Finally,it builds a real environment platform for test，results show that the lighring
system operates normally and steadily．
6．Based on the VC6．0 platform，it develops a PC epistemic machine and quickly
realizes two．way communication with 10Wer machine．The PC real-timely displays
environmental data, abnormal alarm and centralized management for the LED
lighting control system，which overcomes a lot of defects of traditional lighting about
single control，backward management and”long lamp”phenomenon and SO 0n．
The LED intelligent lighting system to achieve the”sensor real ti．me data
acquisition,sensor network data transmission，remote control and accurate control，
PC centralized management”design goal，with tenants on the lighting quality have
intelligent building，intelligent home
become increasingly demanding，in the
furnishing industry highly market competitiveness，application prospect．
Key words：zigBee，wireless sensor network，LED，intelligent lighting，ZBR
dynamic routing algorithm，CC2530
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