基于物聯(lián)網(wǎng)的照明控制系統(tǒng)—arm客戶端軟件設計

1、<p>　　基于物聯(lián)網(wǎng)的照明控制系統(tǒng)—ARM客戶端軟件設計</p><p>　　[導讀] 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程序設計為主要技術手段，包括照明控制單元、ZigBee無線傳輸層(含網(wǎng)關)、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、ARM網(wǎng)關硬件單元、</p><p>　　基于物聯(lián)網(wǎng)的照明控制系統(tǒng)以Zi

2、gBee、單片機、傳感器、C#和PHP程序設計為主要技術手段，包括照明控制單元、ZigBee無線傳輸層(含網(wǎng)關)、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、ARM網(wǎng)關硬件單元、ARM網(wǎng)關客戶端軟件、基于C#的服務端軟件、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)。</p><p>　　本課題首先規(guī)劃了WSN協(xié)調器與ARM網(wǎng)關的串口通訊協(xié)議及ARM客戶端與PC服務端的

3、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)調器上傳數(shù)據(jù)發(fā)往服務端和將服務端下發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)往協(xié)調器的功能，性能穩(wěn)定，具有一定的實用價值。</p><p><b>　　1 需求分析</b></p><p>　　1.1 物聯(lián)網(wǎng)照明控制系統(tǒng)的組成及工作過程</p>

4、;<p>　　1.1.1 系統(tǒng)組成</p><p>　　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)。應用層子程序系統(tǒng)由運行于服務器上的服務端軟件及其它展示軟件組成，本系統(tǒng)包括Web展示軟件和服務器Server軟件。如圖1所示。

5、</p><p>　　1.1.2 系統(tǒng)運行過程</p><p>　　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用層子系統(tǒng)通過服務端下發(fā)給傳輸層ARM網(wǎng)關客戶端，然后由ARM處理器通過串口下發(fā)給CC2430協(xié)調器，再由后者通過ZigBee無線網(wǎng)絡下發(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、獲取網(wǎng)絡參數(shù)、下發(fā)控制指令等3個方面。</p><p&g

6、t;<b>　　1)注冊網(wǎng)絡</b></p><p>　　系統(tǒng)啟動后，CC2430協(xié)調器首先建立無線網(wǎng)絡，路由器和終端節(jié)點在發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡后，會主動加入網(wǎng)絡，并上傳網(wǎng)絡參數(shù)(物理地址、網(wǎng)絡地址、節(jié)點類型等)。</p><p><b>　　2)獲取網(wǎng)絡參數(shù)</b></p><p>　　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

7、詢問節(jié)點，要求返回網(wǎng)絡參數(shù)。獲取網(wǎng)絡參數(shù)的流程。</p><p><b>　　3)下發(fā)控制指令</b></p><p>　　當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。</p><p>　　1.2 ARM客戶端軟件的功能需求分析</p><p>　　ARM網(wǎng)關是傳輸層子系統(tǒng)的核心設備，主要完成數(shù)據(jù)轉發(fā)、

8、協(xié)議轉換、命令代理和映射、本地存儲等功能，支持無線傳感器網(wǎng)絡內部數(shù)據(jù)協(xié)同和匯聚，支持ZigBee接入、TCP /IP網(wǎng)絡接入，從而橋接無線傳感器網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)。</p><p>　　ARM客戶端軟件主要用于實現(xiàn)接收ZigBee無線傳感網(wǎng)絡協(xié)調器上傳的數(shù)據(jù)，然后發(fā)送到服務器。同時，對于服務器下發(fā)的一些控制命令進行解析，并通過串口傳輸?shù)綗o線網(wǎng)絡的協(xié)調器。</p><p>　　ARM網(wǎng)關整體上采用

9、分層設計方案，體系結構如圖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)絡等外設模塊。軟件部分包括軟件支持層、應用層。圖2中，軟件支持層由硬件驅動、Windows CE操作系統(tǒng)以及支持Z—Stack的協(xié)議棧等構成。應用層由地址適配層、應用協(xié)議層、業(yè)務邏輯應用程序三部分構成，地址適配層用于Zigbee地址和以太網(wǎng)IP地址與應用層地址的映射，應用協(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

10、現(xiàn)節(jié)點間數(shù)據(jù)的透明傳輸。</p><p>　　本課題所需開發(fā)的是軟件部分的應用層軟件，涉及協(xié)議轉換、數(shù)據(jù)轉發(fā)、人機交互等功能，宜采用軟件設計中的三層架構進行軟件開發(fā)。所謂三層架構，是指數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務邏輯層以及窗體表示層。本課題主要涉及業(yè)務邏輯層和窗體表示層的設計與功能實現(xiàn)。</p><p><b>　　2 通信協(xié)議規(guī)劃</b></p><p>

11、;　　2.1 通信協(xié)議規(guī)劃原則</p><p>　　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。</p><p>　　2)本系統(tǒng)WSN類型節(jié)點由協(xié)調器、路由器、傳感器節(jié)點三種組成，拓撲結構有樹狀形、星形網(wǎng)絡等。由于本系統(tǒng)控制點不多、分布范圍較窄，故采用星形網(wǎng)絡拓撲結構。支持<

12、;/p><p>　　ZigBee無線網(wǎng)廣播、點對點通信。</p><p>　　2.2 ARM網(wǎng)關通訊協(xié)議詳細幀格式規(guī)劃</p><p>　　ARM網(wǎng)關通訊協(xié)議詳細幀格式規(guī)劃包括注冊網(wǎng)絡、獲取網(wǎng)絡參數(shù)、返回網(wǎng)絡參數(shù)、下發(fā)操作指令、上傳操作結果等協(xié)議的規(guī)劃。</p><p>　　1)注冊網(wǎng)絡通訊協(xié)議</p><p>　　注冊網(wǎng)

13、絡是指當終端節(jié)點或路由器新加入網(wǎng)絡后，主動向上級節(jié)點發(fā)送源節(jié)點網(wǎng)絡參數(shù)的過程。從信息流向來看，注冊網(wǎng)絡的信息是由CC2430終端節(jié)點出發(fā)，經(jīng)協(xié)調器轉發(fā)至PC。</p><p>　　2)獲取網(wǎng)絡參數(shù)通訊協(xié)議</p><p>　　獲取網(wǎng)絡參數(shù)是PC根據(jù)人機交互需要，通過WSN協(xié)調器下發(fā)獲取網(wǎng)絡參數(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)絡參數(shù)。本系統(tǒng)中只有當節(jié)點自動注冊網(wǎng)絡失

14、敗時，才從服務器手動發(fā)送指令獲取節(jié)點網(wǎng)絡參數(shù)。從信息流向來看獲取網(wǎng)絡參數(shù)包括從PC到客戶端，再由客戶端發(fā)往協(xié)調器，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)絡參數(shù)兩個方面。</p><p>　　3)返回網(wǎng)絡參數(shù)通訊協(xié)議</p><p>　　當節(jié)點收到由客戶端轉發(fā)來自服務端的獲取網(wǎng)絡指令后，自動向客戶端返回節(jié)點的網(wǎng)絡參數(shù)，再由客戶端向服務端返回數(shù)據(jù)。</p><

15、p>　　4)下發(fā)操作指令通訊協(xié)議</p><p>　　本系統(tǒng)中PC下發(fā)控制指令，是通過WSN協(xié)調器下發(fā)開燈或關燈指令，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)調器，然后下發(fā)到終端節(jié)點。</p><p>　　5)上傳操作結果通訊協(xié)議</p><p>　　本

16、系統(tǒng)中控制上傳控制指令，是通過WSN協(xié)調器上傳到PC下發(fā)選擇開燈或關燈指令，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)調器，然后下發(fā)到終端節(jié)點，再經(jīng)串口傳輸?shù)絾纹瑱C。</p><p>　　3 ARM客戶端軟件設計</p><p>　　3.1 業(yè)務邏輯層的設計</p>

17、<p>　　業(yè)務邏輯層涉及數(shù)據(jù)處理SerialPortClass.cs，包括搜尋設備可用的串口、打開串口、關閉串口、下發(fā)指令并接收數(shù)據(jù)4種方法。對應方法如表1所示。</p><p>　　3.2 業(yè)務邏輯層的功能實現(xiàn)</p><p>　　1)SearchSerialPorts方法</p><p>　　該方法主要用于搜尋設備可用串口，其詳細代碼如下：<

18、/p><p>　　2)OpenSerialPort方法</p><p>　　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。</p><p>　　3)CloseSeriaIPort方法</p><p>　　該方法主要用于關閉串口，

19、該方法先判斷串口是否已經(jīng)打開(串口未打開，無需關閉)，然后在串口已打開情況下，關閉串口(0-關閉串口成功;1-串口未打開;2-關閉串口失敗;3-關閉串口異常。</p><p>　　4)SendDataToPort方法</p><p>　　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，則通過第一個默認通道發(fā)送cmd，并返回true，若

20、未打開，直接返回false。</p><p>　　3.3 窗體表示層的設計</p><p>　　1)添加窗體文件并設計窗體</p><p>　　窗體表示層的設計，在設計器中選擇“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)需求設計frmClient.cs窗體，如圖4所示。</p>

21、;<p>　　2)frmClient窗體代碼文件(frmClient.cs)的結構</p><p>　　在frmClient.cs中，首先需要定義一些全局變量，實例化有關公共對象，然后編寫諸如連接設備(串口)、斷開設備(串口)、接收數(shù)據(jù)、轉發(fā)數(shù)據(jù)等事件的處理方法。</p><p>　　3.4 窗體表示層的功能實現(xiàn)</p><p>　　1)frmClie

22、nt_Load事件處理方法</p><p>　　在frmClient窗體加載事件處理過程中，需搜尋并獲取當前可用串口號寫入ComboBox控件cbbSerialPort的Items中并顯示，并設置默認的波特率。其中，通過調用業(yè)務邏輯層的Get_Ports方法獲取可用串口。</p><p>　　2)btnConnectCoor_Click事件處理方法</p><p>

23、　　該方法用于連接協(xié)調器，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用業(yè)務邏輯層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事件并設置串口連接。如果打開串口不成功，則進行錯誤提示。</p><p>　　3)btnClosePort_Click事件處理方法</p><p>　　該方法用于斷開協(xié)調器，首先實例化一個串口

24、操作類對象，然后調用業(yè)務邏輯層CloseSerialPort方法關閉串口，如果關閉串口成功，則設置串口連接。如果關閉串口不成功，則進行錯誤提示。</p><p>　　4)btnStartListen_Click事件處理方法</p><p>　　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)絡數(shù)據(jù)流，再連接服務端，通過調用SendMessage方法將網(wǎng)關接入到服務器，并通過串口上傳

25、數(shù)據(jù)到服務器，同時調用ReceiveMessage方法接收來自服務器發(fā)向協(xié)調器的指令。</p><p>　　5)btnStopListen_Click事件處理方法</p><p>　　該事件執(zhí)行停止上傳功能，關閉客戶端與服務器之間的傳輸，并斷開網(wǎng)關接與服務器。</p><p>　　6)btnSendToServer_Click事件處理方法</p>&l

26、t;p>　　該事件執(zhí)行手動上傳功能，通過調用SendMessage方法手動向服務端上傳網(wǎng)關配置。</p><p>　　7)btnCleaeWSN_Click事件處理方法該事件執(zhí)行清空WSN無線網(wǎng)絡消息的功能。</p><p>　　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。</p><p><b>

27、　　4 系統(tǒng)測試</b></p><p>　　4.1 ARM網(wǎng)關客服端軟件功能測試</p><p>　　利用VS20005軟件生成SmartHomeClient.exe應用文件，然后連接WinCE6.0，利用同步軟件將SmartHomeClient.exe應用文件復制到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

28、用文件。如圖5所示。然后連接協(xié)調器和服務端，開啟“啟動上傳”按鈕，協(xié)調器向服務端上傳節(jié)點數(shù)據(jù)，服務端下發(fā)操作指令，觀察網(wǎng)關是否有數(shù)據(jù)傳輸。</p><p><b>　　4.2 系統(tǒng)調試</b></p><p><b>　　1)連接服務器</b></p><p>　　在服務端打開的情況下，開啟“啟動上傳”，連接服務器成功則提

29、示“接入服務器”，并在lbServerMsg中顯示來自服務器的信息。</p><p><b>　　2)組網(wǎng)</b></p><p>　　在已連接協(xié)調器和服務器的情況下，復位節(jié)點，通過協(xié)調器向網(wǎng)關發(fā)送節(jié)點信息，再由網(wǎng)關將節(jié)點信息轉發(fā)至服務器，進行組網(wǎng)。</p><p>　　3)服務器下發(fā)操作指令</p><p>　　服務器

30、通過網(wǎng)關向協(xié)調器發(fā)送開燈指令，在已經(jīng)開燈的情況下，服務器通過網(wǎng)關向協(xié)調器發(fā)送光照、濕度、溫度采集指令。</p><p>　　經(jīng)測試本系統(tǒng)網(wǎng)關客戶端軟件，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的上傳和下發(fā)功能，達到了設計目的。</p><p><b>　　5 結束語</b></p><p>　　本文研究利用ZigBee無線通信技術組建無線網(wǎng)絡，并將其使用于教室、走廊、街道的

31、智能照明控制系統(tǒng)中。無線智能照明系統(tǒng)的設計是為了對建筑的照明設備實現(xiàn)集中統(tǒng)一的管理，將建筑的照明設備按場景分類進行控制，并根據(jù)室外光照調節(jié)照明設備的照度，從而，使建筑以及室內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，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