基于物聯(lián)網(wǎng)的照明控制系統(tǒng)―ARM客戶端軟件設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的照明控制系統(tǒng)以ZigBee、單片機、傳感器、C#和PHP程序設(shè)計為主要技術(shù)手段，包括照明控制單元、ZigBee無線傳輸層(含網(wǎng)關(guān))、PC展示及控制層3個層次的現(xiàn)場控制單元、CC2430無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、ARM網(wǎng)關(guān)硬件單元、ARM網(wǎng)關(guān)客戶端軟件、基于C#的服務(wù)端軟件、基于PHP的展示軟件等6個子系統(tǒng)，用于實現(xiàn)一套模擬城市照明控制系統(tǒng)。

本課題首先規(guī)劃了WSN協(xié)調(diào)器與ARM網(wǎng)關(guān)的串口通訊協(xié)議及ARM客戶端與PC服務(wù)端的TCP/IP通訊協(xié)議.然后基于Windows CE 6.0操作系統(tǒng)，運用C#編程語言開發(fā)了ARM的客戶端軟件。經(jīng)測試，客戶端軟件實現(xiàn)了按規(guī)劃的協(xié)議將協(xié)調(diào)器上傳數(shù)據(jù)發(fā)往服務(wù)端和將服務(wù)端下發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)往協(xié)調(diào)器的功能，性能穩(wěn)定，具有一定的實用價值。

1 需求分析

1.1 物聯(lián)網(wǎng)照明控制系統(tǒng)的組成及工作過程

1.1.1 系統(tǒng)組成

物聯(lián)網(wǎng)照明控制系統(tǒng)由感知層子系統(tǒng)、傳輸層子系統(tǒng)、應(yīng)用層子系統(tǒng)三個部分組成，如圖1所示。其中，感知層子系統(tǒng)由開關(guān)量照明控制節(jié)點組成。傳輸層子系統(tǒng)包括基于CC2430的ZigBee無線傳輸網(wǎng)和基于TCP/IP的局域網(wǎng)傳輸網(wǎng)。應(yīng)用層子程序系統(tǒng)由運行于服務(wù)器上的服務(wù)端軟件及其它展示軟件組成，本系統(tǒng)包括Web展示軟件和服務(wù)器Server軟件。如圖1所示。

1.1.2 系統(tǒng)運行過程

在物聯(lián)網(wǎng)照明控制系統(tǒng)中，所有感知層節(jié)點的控制指令均由應(yīng)用層子系統(tǒng)通過服務(wù)端下發(fā)給傳輸層ARM網(wǎng)關(guān)客戶端，然后由ARM處理器通過串口下發(fā)給CC2430協(xié)調(diào)器，再由后者通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)下發(fā)給CC2430終端節(jié)點。執(zhí)行的操作指令主要包括注冊網(wǎng)絡(luò)、獲取網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、下發(fā)控制指令等3個方面。

1)注冊網(wǎng)絡(luò)

系統(tǒng)啟動后，CC2430協(xié)調(diào)器首先建立無線網(wǎng)絡(luò)，路由器和終端節(jié)點在發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)后，會主動加入網(wǎng)絡(luò)，并上傳網(wǎng)絡(luò)參數(shù)(物理地址、網(wǎng)絡(luò)地址、節(jié)點類型等)。

2)獲取網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

系統(tǒng)運行中，為及時發(fā)現(xiàn)掉線節(jié)點，系統(tǒng)會周期性去詢問節(jié)點，要求返回網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。獲取網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的流程。

3)下發(fā)控制指令

當(dāng)需要改變各被控對象的運行狀態(tài)時，系統(tǒng)就需要下發(fā)各類控制指令。

1.2 ARM客戶端軟件的功能需求分析

ARM網(wǎng)關(guān)是傳輸層子系統(tǒng)的核心設(shè)備，主要完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、協(xié)議轉(zhuǎn)換、命令代理和映射、本地存儲等功能，支持無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部數(shù)據(jù)協(xié)同和匯聚，支持ZigBee接入、TCP /IP網(wǎng)絡(luò)接入，從而橋接無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)。

ARM客戶端軟件主要用于實現(xiàn)接收ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器上傳的數(shù)據(jù)，然后發(fā)送到服務(wù)器。同時，對于服務(wù)器下發(fā)的一些控制命令進(jìn)行解析，并通過串口傳輸?shù)綗o線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器。

ARM網(wǎng)關(guān)整體上采用分層設(shè)計方案，體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。硬件部分主要包括ZigBee通信節(jié)點、S3C2440 ARM主控模塊、USB及網(wǎng)絡(luò)等外設(shè)模塊。軟件部分包括軟件支持層、應(yīng)用層。圖2中，軟件支持層由硬件驅(qū)動、Windows CE操作系統(tǒng)以及支持Z—Stack的協(xié)議棧等構(gòu)成。應(yīng)用層由地址適配層、應(yīng)用協(xié)議層、業(yè)務(wù)邏輯應(yīng)用程序三部分構(gòu)成，地址適配層用于Zigbee地址和以太網(wǎng)IP地址與應(yīng)用層地址的映射，應(yīng)用協(xié)議層是用于規(guī)范節(jié)點通信的數(shù)據(jù)幀格式，二者相互配合可實現(xiàn)節(jié)點間數(shù)據(jù)的透明傳輸。

本課題所需開發(fā)的是軟件部分的應(yīng)用層軟件，涉及協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、人機交互等功能，宜采用軟件設(shè)計中的三層架構(gòu)進(jìn)行軟件開發(fā)。所謂三層架構(gòu)，是指數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務(wù)邏輯層以及窗體表示層。本課題主要涉及業(yè)務(wù)邏輯層和窗體表示層的設(shè)計與功能實現(xiàn)。

2 通信協(xié)議規(guī)劃

2.1 通信協(xié)議規(guī)劃原則

1)透明傳輸，將控制與傳輸分離。協(xié)議的規(guī)劃不宜采用按功能方式規(guī)劃，而應(yīng)采用分層方式實施，以便明確邊界。對于本系統(tǒng)而言，整個協(xié)議從下自上為分三層，如圖3所示。

2)本系統(tǒng)WSN類型節(jié)點由協(xié)調(diào)器、路由器、傳感器節(jié)點三種組成，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有樹狀形、星形網(wǎng)絡(luò)等。由于本系統(tǒng)控制點不多、分布范圍較窄，故采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。支持

ZigBee無線網(wǎng)廣播、點對點通信。

2.2 ARM網(wǎng)關(guān)通訊協(xié)議詳細(xì)幀格式規(guī)劃

ARM網(wǎng)關(guān)通訊協(xié)議詳細(xì)幀格式規(guī)劃包括注冊網(wǎng)絡(luò)、獲取網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、返回網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、下發(fā)操作指令、上傳操作結(jié)果等協(xié)議的規(guī)劃。

1)注冊網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議

注冊網(wǎng)絡(luò)是指當(dāng)終端節(jié)點或路由器新加入網(wǎng)絡(luò)后，主動向上級節(jié)點發(fā)送源節(jié)點網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的過程。從信息流向來看，注冊網(wǎng)絡(luò)的信息是由CC2430終端節(jié)點出發(fā)，經(jīng)協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)至PC。

2)獲取網(wǎng)絡(luò)參數(shù)通訊協(xié)議

獲取網(wǎng)絡(luò)參數(shù)是PC根據(jù)人機交互需要，通過WSN協(xié)調(diào)器下發(fā)獲取網(wǎng)絡(luò)參數(shù)指令，終端節(jié)點或路由器收到指令后，向上級節(jié)點返回源節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。本系統(tǒng)中只有當(dāng)節(jié)點自動注冊網(wǎng)絡(luò)失敗時，才從服務(wù)器手動發(fā)送指令獲取節(jié)點網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。從信息流向來看獲取網(wǎng)絡(luò)參數(shù)包括從PC到客戶端，再由客戶端發(fā)往協(xié)調(diào)器，最終到路由器和終端節(jié)點的下行發(fā)送指令，以及上行返回網(wǎng)絡(luò)參數(shù)兩個方面。

3)返回網(wǎng)絡(luò)參數(shù)通訊協(xié)議

當(dāng)節(jié)點收到由客戶端轉(zhuǎn)發(fā)來自服務(wù)端的獲取網(wǎng)絡(luò)指令后，自動向客戶端返回節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，再由客戶端向服務(wù)端返回數(shù)據(jù)。

4)下發(fā)操作指令通訊協(xié)議

本系統(tǒng)中PC下發(fā)控制指令，是通過WSN協(xié)調(diào)器下發(fā)開燈或關(guān)燈指令，終端節(jié)點或路由器收到指令后，向上級節(jié)點返回源節(jié)點的執(zhí)行結(jié)果。從信號流向來看，指令是由PC發(fā)出，經(jīng)串口發(fā)送到客戶端，再由客戶端經(jīng)串口將指令送入WSN協(xié)調(diào)器，然后下發(fā)到終端節(jié)點。

5)上傳操作結(jié)果通訊協(xié)議

本系統(tǒng)中控制上傳控制指令，是通過WSN協(xié)調(diào)器上傳到PC下發(fā)選擇開燈或關(guān)燈指令，終端節(jié)點或路由器收到指令后，向上級節(jié)點返回源節(jié)點的執(zhí)行結(jié)果(包括提取到的溫度、濕度以及燈光亮度參數(shù))。從信號流向來看，指令是由PC發(fā)出，經(jīng)串口送入WSN協(xié)調(diào)器，然后下發(fā)到終端節(jié)點，再經(jīng)串口傳輸?shù)絾纹瑱C。

3 ARM客戶端軟件設(shè)計

3.1 業(yè)務(wù)邏輯層的設(shè)計

業(yè)務(wù)邏輯層涉及數(shù)據(jù)處理SerialPortClass.cs，包括搜尋設(shè)備可用的串口、打開串口、關(guān)閉串口、下發(fā)指令并接收數(shù)據(jù)4種方法。對應(yīng)方法如表1所示。

3.2 業(yè)務(wù)邏輯層的功能實現(xiàn)

1)SearchSerialPorts方法

該方法主要用于搜尋設(shè)備可用串口，其詳細(xì)代碼如下：

2)OpenSerialPort方法

該方法主要用于打開串口，該方法先判斷串口是否已經(jīng)打開(0-打開串口成功;1-串口被占用;2-打開串口異常;3-打開串口失敗;)，然后在串口未被占用的情況下，打開串口。

3)CloseSeriaIPort方法

該方法主要用于關(guān)閉串口，該方法先判斷串口是否已經(jīng)打開(串口未打開，無需關(guān)閉)，然后在串口已打開情況下，關(guān)閉串口(0-關(guān)閉串口成功;1-串口未打開;2-關(guān)閉串口失敗;3-關(guān)閉串口異常。

4)SendDataToPort方法

該方法主要用于下發(fā)指令并接收數(shù)據(jù)，定義一個byte[]類型封裝變量cmd，首先判斷串口是否打開。若打開，則通過第一個默認(rèn)通道發(fā)送cmd，并返回true，若未打開，直接返回false。

3.3 窗體表示層的設(shè)計

1)添加窗體文件并設(shè)計窗體

窗體表示層的設(shè)計，在設(shè)計器中選擇“項目→添加Windons窗體”，打開“添加新項”對話框。選擇“Windons”模板，添加frmClient.cs窗體，根據(jù)需求設(shè)計frmClient.cs窗體，如圖4所示。

2)frmClient窗體代碼文件(frmClient.cs)的結(jié)構(gòu)

在frmClient.cs中，首先需要定義一些全局變量，實例化有關(guān)公共對象，然后編寫諸如連接設(shè)備(串口)、斷開設(shè)備(串口)、接收數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)等事件的處理方法。

3.4 窗體表示層的功能實現(xiàn)

1)frmClient_Load事件處理方法

在frmClient窗體加載事件處理過程中，需搜尋并獲取當(dāng)前可用串口號寫入ComboBox控件cbbSerialPort的Items中并顯示，并設(shè)置默認(rèn)的波特率。其中，通過調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯層的Get_Ports方法獲取可用串口。

2)btnConnectCoor_Click事件處理方法

該方法用于連接協(xié)調(diào)器，首先提取串口名稱、波特率，然后實例化一個串口操作對象并調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯層OpenSerialPort方法打開串口，如果打開串口成功，則為已經(jīng)打開的串口添加DataReceived事件并設(shè)置串口連接。如果打開串口不成功，則進(jìn)行錯誤提示。

3)btnClosePort_Click事件處理方法

該方法用于斷開協(xié)調(diào)器，首先實例化一個串口操作類對象，然后調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯層CloseSerialPort方法關(guān)閉串口，如果關(guān)閉串口成功，則設(shè)置串口連接。如果關(guān)閉串口不成功，則進(jìn)行錯誤提示。

4)btnStartListen_Click事件處理方法

該事件執(zhí)行啟動上傳功能，要實現(xiàn)該操作需先實例化客戶端和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流，再連接服務(wù)端，通過調(diào)用SendMessage方法將網(wǎng)關(guān)接入到服務(wù)器，并通過串口上傳數(shù)據(jù)到服務(wù)器，同時調(diào)用ReceiveMessage方法接收來自服務(wù)器發(fā)向協(xié)調(diào)器的指令。

5)btnStopListen_Click事件處理方法

該事件執(zhí)行停止上傳功能，關(guān)閉客戶端與服務(wù)器之間的傳輸，并斷開網(wǎng)關(guān)接與服務(wù)器。

6)btnSendToServer_Click事件處理方法

該事件執(zhí)行手動上傳功能，通過調(diào)用SendMessage方法手動向服務(wù)端上傳網(wǎng)關(guān)配置。

7)btnCleaeWSN_Click事件處理方法該事件執(zhí)行清空WSN無線網(wǎng)絡(luò)消息的功能。

8)btnClearTcpIP_Click事件處理方法該事件執(zhí)行清空TCP/IP局域網(wǎng)消息功能。

4 系統(tǒng)測試

4.1 ARM網(wǎng)關(guān)客服端軟件功能測試

利用VS20005軟件生成SmartHomeClient.exe應(yīng)用文件，然后連接WinCE6.0，利用同步軟件將SmartHomeClient.exe應(yīng)用文件復(fù)制到WinCE 6.0操作平臺，然后打開在Win CE6.0操作平臺中打開SmartHomeClient.exe應(yīng)用文件。如圖5所示。然后連接協(xié)調(diào)器和服務(wù)端，開啟“啟動上傳”按鈕，協(xié)調(diào)器向服務(wù)端上傳節(jié)點數(shù)據(jù)，服務(wù)端下發(fā)操作指令，觀察網(wǎng)關(guān)是否有數(shù)據(jù)傳輸。

4.2 系統(tǒng)調(diào)試

1)連接服務(wù)器

在服務(wù)端打開的情況下，開啟“啟動上傳”，連接服務(wù)器成功則提示“接入服務(wù)器”，并在lbServerMsg中顯示來自服務(wù)器的信息。

2)組網(wǎng)

在已連接協(xié)調(diào)器和服務(wù)器的情況下，復(fù)位節(jié)點，通過協(xié)調(diào)器向網(wǎng)關(guān)發(fā)送節(jié)點信息，再由網(wǎng)關(guān)將節(jié)點信息轉(zhuǎn)發(fā)至服務(wù)器，進(jìn)行組網(wǎng)。

3)服務(wù)器下發(fā)操作指令

服務(wù)器通過網(wǎng)關(guān)向協(xié)調(diào)器發(fā)送開燈指令，在已經(jīng)開燈的情況下，服務(wù)器通過網(wǎng)關(guān)向協(xié)調(diào)器發(fā)送光照、濕度、溫度采集指令。

經(jīng)測試本系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)客戶端軟件，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的上傳和下發(fā)功能，達(dá)到了設(shè)計目的。

5 結(jié)束語

本文研究利用ZigBee無線通信技術(shù)組建無線網(wǎng)絡(luò)，并將其使用于教室、走廊、街道的智能照明控制系統(tǒng)中。無線智能照明系統(tǒng)的設(shè)計是為了對建筑的照明設(shè)備實現(xiàn)集中統(tǒng)一的管理，將建筑的照明設(shè)備按場景分類進(jìn)行控制，并根據(jù)室外光照調(diào)節(jié)照明設(shè)備的照度，從而，使建筑以及室內(nèi)室外都有一個良好的光環(huán)境，并能夠盡可能的節(jié)約能源。在智能照明控制系統(tǒng)中，使用無線通信的方式，可以避免有線電纜的鋪設(shè)，降低了系統(tǒng)的安裝成本與安裝難度，同時也便于系統(tǒng)的移動，即可以整體的搬遷至另外的環(huán)境中進(jìn)行使用，這樣又在另一層面降低了系統(tǒng)的成本，以及縮短了系統(tǒng)回收利潤的時間。為了達(dá)到系統(tǒng)所需要的功能與要求，在本設(shè)計中利用了成都無線龍公司的無線單片機系統(tǒng)作為系統(tǒng)的硬件開發(fā)平臺，對系統(tǒng)中的節(jié)點設(shè)備進(jìn)行了設(shè)計，完成了網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器控制終端設(shè)備以及其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的原理圖設(shè)計。同時利用軟件開發(fā)平臺IAR環(huán)境，進(jìn)行了系統(tǒng)的主程序設(shè)計，以及主程序流程圖的繪制。利用Micresoft Visual Studio 2005開發(fā)環(huán)境對控制系統(tǒng)的設(shè)計制作，實現(xiàn)了真正的智能化。