基于ZigBee技術(shù)的無線智能照明系統(tǒng)

1 引  言

隨著社會(huì)的進(jìn)步，節(jié)能和環(huán)保已是大勢(shì)所趨，在照明領(lǐng)域中，采用新型節(jié)能光源、節(jié)能電器及高效燈具來達(dá)到節(jié)約電能的目的，已廣泛被人們所接受。但如何通過節(jié)能照明設(shè)計(jì)來達(dá)到節(jié)約能源的目的才剛被人們重視?；谟芯€的照明控制系統(tǒng)，具有布線麻煩，增減設(shè)備需要重新布線、系統(tǒng)可擴(kuò)展性差、系統(tǒng)安裝和維護(hù)成本高以及移動(dòng)性能差等缺點(diǎn)，因此無線通信技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)智能照明系統(tǒng)的理想選擇。近年來，近距離無線通信技術(shù)獲得了迅猛的發(fā)展。其中主流技術(shù)包括紅外技術(shù)、藍(lán)牙(Blue-tooth)、Wi-Fi、UWB(Ultra-Wideband)和ZigBee技術(shù)等。它們都有各自的標(biāo)準(zhǔn)、特點(diǎn)和相應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域，另外還有Z-Wave和MiWi等專有無線技術(shù)。智能照明系統(tǒng)自身的要求和ZigBee技術(shù)具有的特點(diǎn)，決定了ZigBee是實(shí)現(xiàn)無線智能照明系統(tǒng)的最佳解決方案。

無線智能照明系統(tǒng)的控制器與照明燈節(jié)點(diǎn)之間只需傳輸開關(guān)信號(hào)和調(diào)光信號(hào)等開光量，且數(shù)據(jù)發(fā)送頻率不高，而ZigBee的最大傳輸速率可以達(dá)到250 kb／s，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)無線智能照明系統(tǒng)來說已經(jīng)足夠；無線智能照明系統(tǒng)的各個(gè)燈節(jié)點(diǎn)往往需要組成一個(gè)星型網(wǎng)、簇狀網(wǎng)或者網(wǎng)狀網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量在幾十到幾千個(gè)之間，ZigBee對(duì)以上拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都做了很好的支持，且網(wǎng)絡(luò)最大節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)65 535，很好地滿足了無線智能照明系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及容量的要求，而這是藍(lán)牙和紅外技術(shù)所無法滿足的；不同廠家生產(chǎn)的無線智能照明系統(tǒng)的各種節(jié)點(diǎn)之間要求具有互操作性，ZigBee是一個(gè)開放式全球標(biāo)準(zhǔn)，世界各大ZigBee方案提供商都通過ZigBee Alliance的兼容性測(cè)試，并且ZigBee Allianee針對(duì)照明系統(tǒng)，專門制定了相應(yīng)的Profile，因此不同廠家基于ZigBee技術(shù)開發(fā)的燈節(jié)點(diǎn)之間可以進(jìn)行互操作和相互替換，從而保障生產(chǎn)商和用戶的利益和成本投入，這是Z-Wave和MiWi等專有的無線技術(shù)所無法滿足的；智能照明系統(tǒng)，比如智能家居，需要所有房間和樓層間的通信，這就需要系統(tǒng)具有穿墻的信號(hào)傳遞功能和網(wǎng)絡(luò)功能，ZigBee工作在2.4 GHz的ISM頻段，節(jié)點(diǎn)之間的最大通信距離可達(dá)100 m，信號(hào)具有一定的穿墻能力，并且ZigBee支持路由節(jié)點(diǎn)，只要合理布局，可以保證建筑物內(nèi)沒有無線通信的盲區(qū)，這是紅外技術(shù)所無法提供的；ZigBee具備較快的響應(yīng)特性，2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的一次數(shù)據(jù)發(fā)送過程在5 ms之內(nèi)即可完成，滿足照明系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求；照明系統(tǒng)對(duì)成本非常敏感，這將決定它能否實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化，ZigBee是一種低速率、低成本的無線通信技術(shù)，相比于Wi-Fi和UWB等這些適用于無線局域網(wǎng)和多媒體應(yīng)用的高速率無線標(biāo)準(zhǔn)而言，成本非常低廉。本文主要討論基于ZigBee技術(shù)的無線智能照明系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。

2 基于ZigBee的智能照明系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

ZigBee是一種在無線個(gè)人網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中新興的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。電子與電氣工程師協(xié)會(huì)IEEE于2000年底成立了802.15.4工作組，規(guī)定了ZigBee的物理層和媒體接入控制層。2001年8月成立了ZigBee聯(lián)盟，負(fù)責(zé)ZigBee規(guī)范的制定和應(yīng)用推廣工作，2004年12月推出ZigBee規(guī)范的正式版本ZigBee SpecificationV1.0。目前，ZigBee標(biāo)準(zhǔn)在ZigBee聯(lián)盟的推動(dòng)下正日趨增強(qiáng)和完善，其實(shí)際工程應(yīng)用正日益普及。世界各大半導(dǎo)體巨頭TI，F(xiàn)reeScale和Ember等各自推出了符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的芯片及協(xié)議棧。其中，TI公司的CC2430加Z-Stack協(xié)議棧是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的最佳解決方案。本文的無線智能照明系統(tǒng)就是在這個(gè)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

無線智能照明系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)三種。其中，協(xié)調(diào)器的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

CC2430芯片是首款符合ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)單芯片，片內(nèi)集成增強(qiáng)的8051微控制器內(nèi)核和符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz射頻收發(fā)器，具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性能，處于休眠模式時(shí)整個(gè)芯片的流耗小于0.9 μA，從硬件上支持CSMA／CA機(jī)制，還集成有ADC，AES安全協(xié)處理器和USART等片上外設(shè)及豐富的I／O口資源。只需添加晶振等少量的元器件即可完成ZigBee節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)帶有44的鍵盤，用來設(shè)置整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)和發(fā)送控制命令，12 864漢字圖形點(diǎn)陣液晶模塊用于顯示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息。微控制器輸出開關(guān)量直接完成對(duì)照明燈的開關(guān)控制，微控制器輸出的數(shù)字量經(jīng)過8位的數(shù)／模轉(zhuǎn)換器后，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)照明燈的256級(jí)調(diào)光控制。另外，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)還帶有震動(dòng)感測(cè)器和亮度感測(cè)器，用于感測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的震動(dòng)信息和亮度信息。當(dāng)震動(dòng)感測(cè)器測(cè)得震動(dòng)較弱，即認(rèn)為現(xiàn)場(chǎng)人員已經(jīng)離開，此時(shí)可以自動(dòng)關(guān)掉照明燈或者調(diào)暗亮度。當(dāng)亮度感測(cè)器測(cè)得光線太亮，如晴朗的白天，即可自動(dòng)調(diào)低亮度，當(dāng)亮度感測(cè)器測(cè)得光線太暗，如夜晚或者陰雨的白天，即可調(diào)高亮度。系統(tǒng)只需在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上集成震動(dòng)感測(cè)器和亮度感測(cè)器，即可通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)向各個(gè)燈節(jié)點(diǎn)傳輸控制信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)照明系統(tǒng)的智能控制、成本低廉。當(dāng)然也可以將震動(dòng)感測(cè)器和亮度感測(cè)器做成一個(gè)單獨(dú)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，用于感測(cè)現(xiàn)場(chǎng)不同位置的震動(dòng)信息和亮度信息。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)基于TI公司推出的跟CC2430芯片配套的Z-Stack協(xié)議棧和IAR集成開發(fā)環(huán)境。Z-Stack在業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先水平，目前還在不斷完善和增強(qiáng)，其最新版本Z-Stack 1.4.2，通過ZigBee測(cè)試機(jī)構(gòu)德國(guó)萊茵集團(tuán)的ZigBee兼容性測(cè)試，符合ZigBee 2006 specification，已被全球眾多ZigBee應(yīng)用開發(fā)廠家所采用，支持多種硬件平臺(tái)，包括面向IEEE／ZigBee的CC2430片上系統(tǒng)解決方案，基于CC2420收發(fā)器的新平臺(tái)和MSP430超低功耗微處理器。此外，Z-Stack還支持豐富的新特性，如無線下載，即通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)，下載網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的升級(jí)軟件，完成節(jié)點(diǎn)的軟件升級(jí)。Z-Stack還支持具備定位感知功能的CC2431，該特性使用戶能夠設(shè)計(jì)出可根據(jù)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前位置改變節(jié)點(diǎn)行為的新型ZigBee應(yīng)用。

針對(duì)ZigBee在家庭網(wǎng)絡(luò)方面的應(yīng)用，ZigBee Alliance制定專門的應(yīng)用框架，即ZigBee Home Automation Public Application Profile。所謂Profile是對(duì)邏輯設(shè)備及其接口的描述集合，是針對(duì)某個(gè)特定應(yīng)用的公約和準(zhǔn)則，其目的是使不同廠家按照同一個(gè)ProfiIe設(shè)計(jì)的產(chǎn)品之間可以相互操作、相互替換。ZigBee HomeAutomation Public Application Profile規(guī)定了智能家居中的照明設(shè)備、采暖通風(fēng)空調(diào)設(shè)備、自動(dòng)窗簾和報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)規(guī)范。本文的無線智能照明系統(tǒng)就是在這個(gè)Profile的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。

Z-Stack提供了豐富的函數(shù)調(diào)用接口，其中用于發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)的函數(shù)如下：

其他具體的程序設(shè)計(jì)在這里不做一一闡述。

3 無線智能照明系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在一個(gè)兩室兩廳的套房中布置1套基于ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)的無線智能照明系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在每盞燈中都集成有ZigBee模塊，其中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是必需的。在其他地方，根據(jù)是否需要路由功能，可以配置為路由器或者終端節(jié)點(diǎn)。因?yàn)閰f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)具有路由功能，協(xié)議棧容量較大，所需的FLASH空間較大，芯片的成本也較高，因此只把需要給其他節(jié)點(diǎn)路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)的節(jié)點(diǎn)配置為路由器節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)則都配置為終端節(jié)點(diǎn)，以降低成本。室內(nèi)所有的照明燈組成一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，由協(xié)調(diào)器完成對(duì)所有照明燈的控制。可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的照明燈單個(gè)分別進(jìn)行控制，也可以把所有的照明燈作為一個(gè)整體，進(jìn)行同時(shí)控制；實(shí)現(xiàn)了對(duì)照明燈的簡(jiǎn)單開關(guān)控制和256級(jí)的調(diào)光控制；既可以設(shè)置成手動(dòng)控制模式，也可以設(shè)置成自動(dòng)控制模式，由協(xié)調(diào)器根據(jù)亮度感測(cè)器和震動(dòng)感測(cè)器返回的亮度信息和震動(dòng)信息，自動(dòng)發(fā)送控制命令，完成對(duì)所有照明燈的控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本低廉，可靠性高、響應(yīng)速度快、智能化程度高，是不斷發(fā)展的電子信息技術(shù)在照明領(lǐng)域中的應(yīng)用，必將帶來照明技術(shù)的革新。

4 結(jié)語

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展和人們物質(zhì)生活水平的提高，家居智能化正成為國(guó)內(nèi)外的一個(gè)研究熱點(diǎn)?；赯igBee技術(shù)的無線智能照明系統(tǒng)目前主要應(yīng)用在智能大廈和高檔住宅。但是，隨著技術(shù)水平的不斷完善，相關(guān)產(chǎn)品的價(jià)格會(huì)逐步降低，巨大的民用市場(chǎng)將是最終的發(fā)展方向。該系統(tǒng)在提高照明系統(tǒng)的信息化、智能化程度的同時(shí)，對(duì)節(jié)約電能的消耗也起到了很大的作用，符合國(guó)家節(jié)能減排的發(fā)展戰(zhàn)略。