基于JN516x无线微控制器的家居智能照明
基于JN516x无线微控制器的家居智能照明[20191215142923]
JN516x系列微控制器为恩智浦公司专门针对物联网应用而提出的。其具有低成本、低功耗、支持协议广泛等诸多优势。在JN516x系列微控制器所支持的众多协议中，课题选取JenNet-IP协议作为系统的无线传输协议。较之BuleTooth、Wi-FI、Zigbee等现行的无线协议，JenNet-IP协议具有组网简单、成本低、功耗低、研发周期短等诸多优势，在智能家居、无线工业控制、商业照明等众多物联网领域得到了广泛的应用。
在JN516x系列微控制器中，课题选用JN5168微控制器，采用JenNet-IP作为无线传输协议，设计了一种无线智能照明系统，其由网内遥控器、智能灯具、传感器等网络节点以及网关和Android客户端组成。各个节点通过树形的无线网络连接在一起，可以分别通过网内遥控器和Android客户端实现对智能灯具的开、关、亮度调节等基本操作；同时，相应的传感器节点可以采集室内的光强、温度、湿度等相应的环境变量，并可以通过光强对灯具进行闭环控制，实现智能调光。
论文首先分享了家居智能照明的背景、意义及应用现状，然后对基于JN5168的照明系统进行方案设计。接下来详细论述了系统关于硬件、软件的设计流程和方法，并给出系统详细的调试过程。最后对本次毕业设计进行了总结和展望。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:字JenNet-IP；网内遥控器；传感器节点；智能灯具
Keywords: JenNet-IP, Remote, Sensor, Lighting目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1开发背景 1
1.2开发意义 1
1.3 家居智能照明发展现状 2
1.4 本文的研究内容和章节安排 3
第2章 系统方案设计 4
2.1 系统整体功能设计 4
2.2 无线传输协议的分析 5
2.2.1 现行的无线传输协议对比 5
2.2.2系统主控芯片的介绍 6
2.2.3 无线协议的选取 6
2.2.4 JenNet-IP协议分析 6
2.3 网络拓扑结构分析 7
2.4节点类型设计 8
2.5 功耗分析 9
2.6 网络安全分析 9
2.6.1网络识别 9
2.6.2 试运行密钥 10
2.6.3网络密钥 10
第3章 系统硬件设计及实现 11
3.1遥控器设计 11
3.1.1 功能设计 11
3.1.2硬件设计 11
3.2传感器节点 12
3.2.1功能实现 12
3.2.2 硬件设计 12
3.3智能灯具 13
3.3.1实现功能 13
3.3.2硬件设计 13
第4章 系统软件设计及实现 15
4.1系统软件设计 15
4.1.1软件架构设计 15
4.1.2 MIB和MIB变量 15
4.1.3 JenNet-IP协议栈 16
4.2网关 17
4.2.1 功能介绍 17
4.2.2 数据通信过程 18
4.3 Android客户端功能设计 19
4.4 遥控器软件设计 20
4.5 传感器节点软件设计 21
4.6 智能灯具软件设计 21
第5章 系统调试 23
5.1传感器节点调试 23
5.2智能灯具节点调试 23
5.2网关调试 24
5.2.1 白名单调试 24
5.2.2 JenNet ID调试 25
第6章 总结和展望 26
6.1 本文总结 26
6.2 展望 26
致 谢 29
附 录 30
附录1 遥控器实物图 30
附录2 传感器节点实物图 31
附录3 智能灯具实物 31
附录4 系统实物图 32
附录5 传感器节点原理图 33
附录6 遥控器原理图 34
附录7 英文翻译 35第1章 绪论
本章首先介绍了课题的研究背景、研究意义及其研究现状，然后阐述了研究内容与成果，最后概括了的组织结构。
1.1开发背景
“十二五”之后，国家提出了大力建设物联网产业的口号，一时间物联网成为了大家热议的名词。有人说，谁主导了物联网市场，谁就成为了下一个比尔盖茨。据统计，仅去年一年，物联网产业就带来了4000亿美元的强大市场，在无线领域占据了很大一部分市场。而作为物联网应用不可或缺的智能家居领域，更是占据了物联网应用的30%的市场，由此可见，智能家居具有良好的前景[1]。正因为如此，各大厂商都正在向智能家居领域进军，争分夺秒的进行研发，想在该领域占有一席之位。经过各大公司的不断尝试与摸索，恩智浦半导体近期宣布推出了针对物联网应用的JN516X系列无线微控制器，以及JenNet-IP无线通信协议的完整解决方案。一经推出，就引起了轰动。JenNet-IP是一种基于IEEE 802.15.4标准的超低功耗WPAN（无线个人局域网），其具有低功耗、低速率、低成本、短距离传输、研发周期短、支持节点多等特点。成为继WI-FI、BuleTooth、Zigbee等无线协议之后的又一大无线新星，目前已在IBM、TCP等主要客户中得到广泛应用[1]。
1.2开发意义
智能照明作为智能家居领域的重头戏，智能照明一直是各大公司研发的重点。NXP公司凭着在照明领域的多年经验，独辟蹊径，提出了一个灯泡一个IP的想法，也正是在这种想法的推动下JenNe-IP协议才诞生的[2]。JenNet-IP基于IPv6的设计，有效的解决了IPv4地址的资源紧张问题，真正意义上实现的每一个灯对应一个IP，可以在全球范围内对其实行控制的想法。本方案也是基于NXP的理念，实现对家庭照明系统的组网，通过内网和外网对其进行控制。和传统的照明设备相比，智能照明具有以下几大优势：
智能照明采用无线网络的控制方式，大大减少了布线所带来的巨大开支，同时采用了软启动和软关断，使灯泡的寿命延长了2-4倍[3]。
智能照明可以远程进行控制和检测家庭照明系统，大大的方便了人们的出行。
智能照明控制系统具有开关和调光两种控制方法，可有效控制各种照明场所的平均照度值，提高照度均匀性。同时，系统能根据不同的时间段的需要，自动调节照度[3]。
智能照明系统通过分布式控制网络，使用自动化控制手段，实现了对照明区域管理，减少了不必要的耗电开支，降低了系统的运行及维护费用，智能照明控制系统比传统的开关控制节电可达20%-50%[4]。
组网灵活方便，对于增加和减少灯具只需进行简单的配置即可。同时拥有分组管理理念，对于一个场景、一个组别内的灯泡可以进行统一的管理，方便有效。
随着经济的快速增长，人们对能源的需求也日益提升，能源引发的一系列环境问题也成为社会热议的话题，在此背景下，人们对照明的要求不仅仅是停留在能够“看见”的层次上，而是对照明技术提出了更高的要求，希望利用有限的资源保证照明强度的需要，并能够获得良好的照明效果，实现“绿色照明”。智能照明就是为满足这种需求而诞生的，他是在传统的照明设计理念上充分利用了现代计算机、通信等技术，实现了更为节能、安全灵活和舒适的智能化照明控制，将城市的每个角落在夜色中装扮的光彩熠熠。
1.3 家居智能照明发展现状
目前，家居照明系统已基本完成由白炽灯到LED的过渡，但是使用的大功率LED路灯大部分都还停留在简单的直接照明，缺少必要的智能控制，有些灯具虽然具备智能控制的功能，但是却很难自动检测路灯的照明状况，也不能方便地对路灯进行远程及本地调控。并且现有的照明管理系统大都采用有线电缆控制照明灯具，对LED路灯进行调控，通信协议比较复杂，建设成本和运营成本都比较高[5]。
随着物联网技术与LED技术的成熟。智能化的照明成为未来发展的主要方向。物联网和LED照明结合实现了“1+1>2”，比如LED可以进行共用低压直流驱动，便于物联网和LED一体化集成，这样就可以实现按需照明，进一步降低了功耗；同时当所有灯都纳入集中控制的时候，同步构建局部感知网络，实现智能化控制，使照明智能化、信息化。
无线网络的成熟化和市场化,使得智能照明的发展即将进入最后总攻阶段。现在照明领域的竞争主要是协议的竞争，和解决方案的竞争。所以拥有一个完整的解决方案的无线协议对智能照明系统尤为重要。课题采用的JenNet-IP协议就是为满足这种需求而诞生的。以其自身的诸多特点，在智能照明领域得到了一致的认可。
1.4 本文的研究内容和章节安排
课题的研究内容是设计一种基于JenNet-IP协议的智能家居，以JenNet-IP协议搭建的树形拓扑结构网络为基础，实现网内遥控器及Android客户端对照明装置的控制，同时根据传感器节点采集的光强信息实现亮度的自我调节。
本文具体章节安排如下：
第1章 绪论。介绍了课题的研究背景及意义，并对本文的主要研究内容作了简要说明 最后介绍了本文的组织结构。
第2章 方案设计。主要包括需求分析及结构设计。
第3章 系统硬件设计及实现。主要包括遥控器、传感器和智能灯具的功能设计和硬件电路设计。
第4章 系统软件设计及实现。主要包括Android客户端、网关、遥控器、传感器和智能灯具的软件设计过程。
第5章 系统调试。主要包括系统节点调试、传感器调试以及网关调试等过程。
第6章 总结和展望。对整个毕设进行了总结和展望。第2章 系统方案设计
本章首先介绍了系统实现的功能框架图，然后从功能框架图出发，分别从网络中无线协议的选择、节点选型、网络拓扑结构的选择、网络安全和网络功耗等几个方面来进行方案的设计和论证。
2.1 系统整体功能设计
图 2.1 功能实现示意图
如图2.1所示，系统主要分为两个大的部分，分别为WLAN部分和WPAN部分。
WLAN部分包括智能手机和网关两部分。智能手机的属于远程控制单元，其通过网关连接到无线网内，对网内的节点进行控制。网关，是内网和外网连接的桥梁，一方面它可以产生无线网，与智能手机相连，另一方面，他可以通过协调器与内网进行连接，两部分之间主要通过串行通信进行数据传输。
WPAN部分主要包括网内遥控器、传感器节点、智能灯具三种节点。网内遥控器是网内的控制单元，可以对网内的照明设备进行简单的控制，如灯泡开、关、亮度加、减、加组、减组等基本操作；传感器节点是环境信息采集单元，他可以采集环境中的温度、湿度、光强等信息，同时将根据环境中的光强对本组内灯泡的亮度进行调节，该过程是一个闭环过程，实现了自动调光功能；智能灯具是网内的受控节点，主要起照明作用。
2.2 无线传输协议的分析
2.2.1 现行的无线传输协议对比
目前，市场上应用较为广泛无线传输协议分别为WI-FI、BlueTooth和Zigbee等。表2.1为JenNet-IP和他们的一个简单的对比。
表2.1 JenNet-IP和其他协议对比
协议 成本 传输 速率 传输 距离 功耗 信道 支持节点数目 网络兼容性 研发 周期
JenNet-IP 低 <250kb/s 70m左右 超低 16个 500 好 短
JN516x系列微控制器为恩智浦公司专门针对物联网应用而提出的。其具有低成本、低功耗、支持协议广泛等诸多优势。在JN516x系列微控制器所支持的众多协议中，课题选取JenNet-IP协议作为系统的无线传输协议。较之BuleTooth、Wi-FI、Zigbee等现行的无线协议，JenNet-IP协议具有组网简单、成本低、功耗低、研发周期短等诸多优势，在智能家居、无线工业控制、商业照明等众多物联网领域得到了广泛的应用。
在JN516x系列微控制器中，课题选用JN5168微控制器，采用JenNet-IP作为无线传输协议，设计了一种无线智能照明系统，其由网内遥控器、智能灯具、传感器等网络节点以及网关和Android客户端组成。各个节点通过树形的无线网络连接在一起，可以分别通过网内遥控器和Android客户端实现对智能灯具的开、关、亮度调节等基本操作；同时，相应的传感器节点可以采集室内的光强、温度、湿度等相应的环境变量，并可以通过光强对灯具进行闭环控制，实现智能调光。
论文首先分享了家居智能照明的背景、意义及应用现状，然后对基于JN5168的照明系统进行方案设计。接下来详细论述了系统关于硬件、软件的设计流程和方法，并给出系统详细的调试过程。最后对本次毕业设计进行了总结和展望。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:字JenNet-IP；网内遥控器；传感器节点；智能灯具
Keywords: JenNet-IP, Remote, Sensor, Lighting目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1开发背景 1
1.2开发意义 1
1.3 家居智能照明发展现状 2
1.4 本文的研究内容和章节安排 3
第2章 系统方案设计 4
2.1 系统整体功能设计 4
2.2 无线传输协议的分析 5
2.2.1 现行的无线传输协议对比 5
2.2.2系统主控芯片的介绍 6
2.2.3 无线协议的选取 6
2.2.4 JenNet-IP协议分析 6
2.3 网络拓扑结构分析 7
2.4节点类型设计 8
2.5 功耗分析 9
2.6 网络安全分析 9
2.6.1网络识别 9
2.6.2 试运行密钥 10
2.6.3网络密钥 10
第3章 系统硬件设计及实现 11
3.1遥控器设计 11
3.1.1 功能设计 11
3.1.2硬件设计 11
3.2传感器节点 12
3.2.1功能实现 12
3.2.2 硬件设计 12
3.3智能灯具 13
3.3.1实现功能 13
3.3.2硬件设计 13
第4章 系统软件设计及实现 15
4.1系统软件设计 15
4.1.1软件架构设计 15
4.1.2 MIB和MIB变量 15
4.1.3 JenNet-IP协议栈 16
4.2网关 17
4.2.1 功能介绍 17
4.2.2 数据通信过程 18
4.3 Android客户端功能设计 19
4.4 遥控器软件设计 20
4.5 传感器节点软件设计 21
4.6 智能灯具软件设计 21
第5章 系统调试 23
5.1传感器节点调试 23
5.2智能灯具节点调试 23
5.2网关调试 24
5.2.1 白名单调试 24
5.2.2 JenNet ID调试 25
第6章 总结和展望 26
6.1 本文总结 26
6.2 展望 26
致 谢 29
附 录 30
附录1 遥控器实物图 30
附录2 传感器节点实物图 31
附录3 智能灯具实物 31
附录4 系统实物图 32
附录5 传感器节点原理图 33
附录6 遥控器原理图 34
附录7 英文翻译 35第1章 绪论
本章首先介绍了课题的研究背景、研究意义及其研究现状，然后阐述了研究内容与成果，最后概括了的组织结构。
1.1开发背景
“十二五”之后，国家提出了大力建设物联网产业的口号，一时间物联网成为了大家热议的名词。有人说，谁主导了物联网市场，谁就成为了下一个比尔盖茨。据统计，仅去年一年，物联网产业就带来了4000亿美元的强大市场，在无线领域占据了很大一部分市场。而作为物联网应用不可或缺的智能家居领域，更是占据了物联网应用的30%的市场，由此可见，智能家居具有良好的前景[1]。正因为如此，各大厂商都正在向智能家居领域进军，争分夺秒的进行研发，想在该领域占有一席之位。经过各大公司的不断尝试与摸索，恩智浦半导体近期宣布推出了针对物联网应用的JN516X系列无线微控制器，以及JenNet-IP无线通信协议的完整解决方案。一经推出，就引起了轰动。JenNet-IP是一种基于IEEE 802.15.4标准的超低功耗WPAN（无线个人局域网），其具有低功耗、低速率、低成本、短距离传输、研发周期短、支持节点多等特点。成为继WI-FI、BuleTooth、Zigbee等无线协议之后的又一大无线新星，目前已在IBM、TCP等主要客户中得到广泛应用[1]。
1.2开发意义
智能照明作为智能家居领域的重头戏，智能照明一直是各大公司研发的重点。NXP公司凭着在照明领域的多年经验，独辟蹊径，提出了一个灯泡一个IP的想法，也正是在这种想法的推动下JenNe-IP协议才诞生的[2]。JenNet-IP基于IPv6的设计，有效的解决了IPv4地址的资源紧张问题，真正意义上实现的每一个灯对应一个IP，可以在全球范围内对其实行控制的想法。本方案也是基于NXP的理念，实现对家庭照明系统的组网，通过内网和外网对其进行控制。和传统的照明设备相比，智能照明具有以下几大优势：
智能照明采用无线网络的控制方式，大大减少了布线所带来的巨大开支，同时采用了软启动和软关断，使灯泡的寿命延长了2-4倍[3]。
智能照明可以远程进行控制和检测家庭照明系统，大大的方便了人们的出行。
智能照明控制系统具有开关和调光两种控制方法，可有效控制各种照明场所的平均照度值，提高照度均匀性。同时，系统能根据不同的时间段的需要，自动调节照度[3]。
智能照明系统通过分布式控制网络，使用自动化控制手段，实现了对照明区域管理，减少了不必要的耗电开支，降低了系统的运行及维护费用，智能照明控制系统比传统的开关控制节电可达20%-50%[4]。
组网灵活方便，对于增加和减少灯具只需进行简单的配置即可。同时拥有分组管理理念，对于一个场景、一个组别内的灯泡可以进行统一的管理，方便有效。
随着经济的快速增长，人们对能源的需求也日益提升，能源引发的一系列环境问题也成为社会热议的话题，在此背景下，人们对照明的要求不仅仅是停留在能够“看见”的层次上，而是对照明技术提出了更高的要求，希望利用有限的资源保证照明强度的需要，并能够获得良好的照明效果，实现“绿色照明”。智能照明就是为满足这种需求而诞生的，他是在传统的照明设计理念上充分利用了现代计算机、通信等技术，实现了更为节能、安全灵活和舒适的智能化照明控制，将城市的每个角落在夜色中装扮的光彩熠熠。
1.3 家居智能照明发展现状
目前，家居照明系统已基本完成由白炽灯到LED的过渡，但是使用的大功率LED路灯大部分都还停留在简单的直接照明，缺少必要的智能控制，有些灯具虽然具备智能控制的功能，但是却很难自动检测路灯的照明状况，也不能方便地对路灯进行远程及本地调控。并且现有的照明管理系统大都采用有线电缆控制照明灯具，对LED路灯进行调控，通信协议比较复杂，建设成本和运营成本都比较高[5]。
随着物联网技术与LED技术的成熟。智能化的照明成为未来发展的主要方向。物联网和LED照明结合实现了“1+1>2”，比如LED可以进行共用低压直流驱动，便于物联网和LED一体化集成，这样就可以实现按需照明，进一步降低了功耗；同时当所有灯都纳入集中控制的时候，同步构建局部感知网络，实现智能化控制，使照明智能化、信息化。
无线网络的成熟化和市场化,使得智能照明的发展即将进入最后总攻阶段。现在照明领域的竞争主要是协议的竞争，和解决方案的竞争。所以拥有一个完整的解决方案的无线协议对智能照明系统尤为重要。课题采用的JenNet-IP协议就是为满足这种需求而诞生的。以其自身的诸多特点，在智能照明领域得到了一致的认可。
1.4 本文的研究内容和章节安排
课题的研究内容是设计一种基于JenNet-IP协议的智能家居，以JenNet-IP协议搭建的树形拓扑结构网络为基础，实现网内遥控器及Android客户端对照明装置的控制，同时根据传感器节点采集的光强信息实现亮度的自我调节。
本文具体章节安排如下：
第1章 绪论。介绍了课题的研究背景及意义，并对本文的主要研究内容作了简要说明 最后介绍了本文的组织结构。
第2章 方案设计。主要包括需求分析及结构设计。
第3章 系统硬件设计及实现。主要包括遥控器、传感器和智能灯具的功能设计和硬件电路设计。
第4章 系统软件设计及实现。主要包括Android客户端、网关、遥控器、传感器和智能灯具的软件设计过程。
第5章 系统调试。主要包括系统节点调试、传感器调试以及网关调试等过程。
第6章 总结和展望。对整个毕设进行了总结和展望。第2章 系统方案设计
本章首先介绍了系统实现的功能框架图，然后从功能框架图出发，分别从网络中无线协议的选择、节点选型、网络拓扑结构的选择、网络安全和网络功耗等几个方面来进行方案的设计和论证。
2.1 系统整体功能设计
图 2.1 功能实现示意图
如图2.1所示，系统主要分为两个大的部分，分别为WLAN部分和WPAN部分。
WLAN部分包括智能手机和网关两部分。智能手机的属于远程控制单元，其通过网关连接到无线网内，对网内的节点进行控制。网关，是内网和外网连接的桥梁，一方面它可以产生无线网，与智能手机相连，另一方面，他可以通过协调器与内网进行连接，两部分之间主要通过串行通信进行数据传输。
WPAN部分主要包括网内遥控器、传感器节点、智能灯具三种节点。网内遥控器是网内的控制单元，可以对网内的照明设备进行简单的控制，如灯泡开、关、亮度加、减、加组、减组等基本操作；传感器节点是环境信息采集单元，他可以采集环境中的温度、湿度、光强等信息，同时将根据环境中的光强对本组内灯泡的亮度进行调节，该过程是一个闭环过程，实现了自动调光功能；智能灯具是网内的受控节点，主要起照明作用。
2.2 无线传输协议的分析
2.2.1 现行的无线传输协议对比
目前，市场上应用较为广泛无线传输协议分别为WI-FI、BlueTooth和Zigbee等。表2.1为JenNet-IP和他们的一个简单的对比。
表2.1 JenNet-IP和其他协议对比
协议 成本 传输 速率 传输 距离 功耗 信道 支持节点数目 网络兼容性 研发 周期
JenNet-IP 低 <250kb/s 70m左右 超低 16个 500 好 短
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/dzxx/txgc/2217.html
