无线通信技术实验报告基于ZIGBEE和STM32智能照明系统的设计
学院：通信与信息工程学院
专业：电子与通信工程
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基于ZIGBEE和STM32智能照明系统的设计
1课题研究目的与意义
物联网（Internet of Tings）作为新一代信息技术的重要组成部分，通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统（GPS）、激光扫描器等信息传感设备，按约定协议把传感网络的任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，实现对物品的智能话识别、定位、跟踪、监控和管理。物联网拥有的特性和作用，使得它广泛应用于智能家居、智能交通、工业监测等领域。
在人们的传统意识中，照明系统仅以照明为目的。传统的照明系统中主要的控制方式有手动控制方式和自动控制方式。其中手动控制方式简单、有效，但是过于依赖人工操作，并且控制相对分散，不能有效管理；自动控制方式主要是由时钟元件、光电元件或两者组合的方式来实现对照明设备的控制，这种控制方式减少了对人员的依赖性，管理相对集中，实现了照明控制的自动化，但却不能对照明系统进行调光控制。
随着生活水平的不断提高，人们对日常生活的无线化、网络化、智能化、节能化的需求越来越强烈，传统的照明控制系统已经无法满足人们对日常生活品质的需求。基于上述原因，为了充分发挥LED灯具在智能建筑中的节能优势，本课题设计了一种基于ZIGBEE和STM32的智能照明系统，从而实现了LED灯的能量优化。
2系统总体方案设计
本设计将系统分为感知层、传输层和应用层三个部分，系统主要由终端节点、路由器节点和协调器节点组成。终端节点主要负责消息的传输和允许其他节点通过它接入到网络中；协调器节点则主要负责网络的建立、维持和管理以及整个网络数据信息的收集、处理和显示等。在这三个节点当中协调器节点是整个网络的核心。本设计主要实现如下功能：1）采用带调光模块的LED灯具，通过程序控制可以实现灯光亮度自动调节，利用室内灯光与自然光的相互补偿使室内照度保持在一个合适的状态；2）采用照度采集节点，可以实时地采集并监控室内照度；3）加入掉电自锁功能即在突然停电的情况下再次来电所有灯具处于关闭状态；4）加入部分情景模式，在不同的室内环境需求时可以很方便地对灯光环境进行选择
如家人一起看电视时的影院模式，看书写字时的学习模式等。系统总体设计框图如图1所示。
图1 系统总体设计框图
3系统硬件电路设计
系统硬件电路部分主要由协调器节点电路、照度采集节点电路、LED调光节点电路以及路由器节点电路四部分组成。
3.1协调器节点电路设计
协调器节点由STM32F107、CC2530、LCD12864、矩阵键盘、DS18B20和DS1302模块组成。该节点是整个系统的核心，主要负责网络的组建、维护、控制终端节点的加入和删除，以及整个系统信息的处理和显示等。其中STM32F107是意法半导体推出的全新STM32互联网型微控制器，此芯片集成了各种高性能工业标准接口，且STM32不同型号产品在引脚和软件上具有完美的兼容性，可以适应多种应用。此外该芯片还可以嵌入µC/GUI系统，拥有独立的32位指令总线和数据总线，全面支持32位Thumb-2和16位Thumb指令等。矩阵键盘电路采用2×4的矩阵键盘，用于时钟的时间调整及不同情境模式的选择，显示电路采用LCD12864，可以显示4行信息，每行显示16个字符，完全满足显示照度、时间和温度等要求。协调器节点硬件电路原理图如图2所示。
图2 协调器节点硬件电路原理图
3.2路由器节点电路设计
路由器节点是在CC2530模块上扩展了一个CC2591模块，该模块是一个真正意义上精心设计的带PA+LNA无线收发模块。该节点主要负责接收终端点信息并转发给协调器，或转发协调器的反馈信息给终端节点。在开阔的场地上，CC2530的传输距离可达100m，但在室内环境下由于有墙体的遮挡，存在路径损耗问题，实际传输距离大大缩短。在室内中间位置若仅放置一个由CC2530构成的路由节点，很可能造成数据传输错误甚至数据丢失。所以在实际设计电路时，路由器节点采用的是CC2591和CC2530组合的形式。CC2591是一个2.4GHz的射频前端芯片，它可以通过PA提高发射功率，从而延长通信距离。该芯片还可以通过LNA 来改善接收机的灵敏度。通过以上两点可以很好地保证该系统数据传输的完整性。CC2591+CC2530硬件电路如图3所示。
图3 CC2591+CC2530硬件电路图
3.3LED调光节点电路设计
LED调光节点由CC2530和调光模块组成。调光模块可以根据ZigBee模块接收到的指令实时地对LED灯进行亮度的调节。调光的目的是为了使室内自然光跟LED 灯光进行相互的补偿，使室内照度达到一个合适状态。本节点的调光模块选用LED恒流驱动PWM调光模块。LED调光节点硬件电路图设计如图4所示。
图4 LED调光节点硬件电路图
3.4照度节点电路设计
照度采集节点有由CC2530和光照度传感器BH1750FVI组成。本节点主要是对室内的照度进行实时的采集并通过ZIGBEE模块发送给协调器，协调器再对接收到的照度信息进行整合处理，然后再LCD上实时显示出室内的照度信息，并根据照度信息给LED照明节点发送相应的指令，对LED灯进行相应的亮度调节。BH1750FVI传感器是一个光电集成传感器，其主要有如下几个特点：1）可以输出对应亮度的数字值；2)广泛的输入光范围相当于1-65535lx；3）通过降低功率功能，实现低电流化；4）无需其它外围部件；5）光源依赖性弱，白炽灯、荧光灯、卤素灯等均可。照度节点硬件电路图如图5所示。
图5 照度节点硬件电路图
4系统软件部分设计
软件部分主要是完成对整个系统硬件电路的编程设计。其中终端节点程序主要完成信息的采集、上传和控制等。协调器节点程序用于实现整个网络的组建、维护和管理以及相应数据的收集、处理和显示等。
4.1协调器节点软件设计
协调器节点首先判断是否有数据传送，若有，则选定信道建立网络，进行数据扫描和读取，并打包发送数据。由于电源损耗主要集中在无线数据的收发阶段，在没有接收到时钟信号的唤醒命令前，使其处于睡眠状态，以达到延长电池的使用寿命、减少功耗的效果。协调器节点程序流程图如图6所示。
