基于Zigbee無線通信協(xié)議的智能燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：文章以樓宇自動(dòng)化中教室照明系統(tǒng)為對(duì)象，介紹了以ZigBee為無線通信協(xié)議，以STM32W108為處理器，開發(fā)的一種基于ZigBee無線通信協(xié)議的智能燈光控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由智能燈光節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)中心(主控制室)三個(gè)部分組成，其中智能燈光節(jié)點(diǎn)通過光亮度傳感器和紅外線傳感器的數(shù)據(jù)采集，智能調(diào)節(jié)一定區(qū)域內(nèi)的燈光(系統(tǒng)判定無人的情況下)，并且可以通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，最后把數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺刂剖遥瑥亩_(dá)到對(duì)教室照明系統(tǒng)的智能控制。
關(guān)鍵詞：ZigBee協(xié)議；STM32W108微處理器；智能燈光節(jié)點(diǎn)；光亮度傳感器

0 引言
    照明設(shè)備在日常生活中是必不可少的，而對(duì)于照明系統(tǒng)的控制，一直是樓宇控制系統(tǒng)中至關(guān)重要的部分。然而，隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源短缺問題日益突出，但是目前，在很多大中專院校、企業(yè)辦公大樓、政府機(jī)關(guān)單位及醫(yī)院等一些公共場(chǎng)所，普遍存在著室內(nèi)無人卻“燈火通明”的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，節(jié)約照明所用的電能已經(jīng)成為建筑節(jié)能的重點(diǎn)，所以智能照明控制系統(tǒng)變得尤為重要。為此，本設(shè)計(jì)采用了ZigBee無線通信技術(shù)組建網(wǎng)絡(luò)，以高校中一棟大型教學(xué)樓為對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)照明系統(tǒng)的智能控制，從而很好地節(jié)約了電能的使用。
    ZigBee技術(shù)是一種應(yīng)用于短距離范圍內(nèi)、低傳輸速率下的各種電子設(shè)備之間的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。ZigBee技術(shù)具有成本低、可靠性好、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、覆蓋范圍廣等特點(diǎn)。
    對(duì)于無線技術(shù)，節(jié)點(diǎn)的功耗問題一直是限制無線技術(shù)發(fā)展的主要問題之一，而本設(shè)計(jì)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是，節(jié)點(diǎn)并不是使用電池供電，而是直接取用原有照明系統(tǒng)的電能，這樣既解決了無線節(jié)點(diǎn)的功耗問題，又不會(huì)過多影響原有的照明系統(tǒng)，從而也降低了成本。

1 系統(tǒng)綜述
    圖1為本設(shè)計(jì)的整體框圖，教學(xué)樓中每間教室均至少分布一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，處在一定區(qū)域的多個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，整棟教學(xué)樓有多個(gè)這樣的網(wǎng)絡(luò)組成，當(dāng)分布在終端節(jié)點(diǎn)的光亮度傳感器和紅外傳感器采集到數(shù)據(jù)后，無線發(fā)送到處在本區(qū)域的全功能節(jié)點(diǎn)，全功能節(jié)點(diǎn)(FFD)本身具有終端節(jié)點(diǎn)的作用，然后再由全功能節(jié)點(diǎn)無線發(fā)送的協(xié)調(diào)器(Coordinator)，最后通過有線傳送到主控室上位機(jī)。

    在本設(shè)計(jì)中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，包括全功能節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器都具有唯一的地址，這樣，協(xié)調(diào)器具有對(duì)本網(wǎng)絡(luò)的管理功能；同樣，也可以通過對(duì)主控室上位機(jī)進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)本網(wǎng)絡(luò)中任一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定或控制，以達(dá)到對(duì)全網(wǎng)的控制。
    對(duì)于教室的單個(gè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)采集到光亮度信息和紅外信息后，經(jīng)MCU處理后，對(duì)本節(jié)點(diǎn)繼電器進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)燈光的控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)主要涉及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)，以下分別為節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)原理。

    本設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)MCU均采用STM32W108芯片(如圖2所示)，該芯片是一個(gè)基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的MCU與無線射頻(RF)結(jié)合的SoC，內(nèi)部既有一般的MCU通用資源和外設(shè)，也有特殊的射頻模塊。該芯片集成了符合IEEE 802．15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz收發(fā)器，具有很強(qiáng)的處理能力。Zig Bee協(xié)議棧封裝在EM250芯片中，STM32W108通過全雙工UART與EM250進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)組建無線網(wǎng)絡(luò)和無線數(shù)據(jù)傳輸。
2．1 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
    由圖3可知，節(jié)點(diǎn)硬件主要分為五個(gè)部分：控制器模塊、射頻模塊、電源模塊、傳感器電路和繼電器模塊。其中，一控制器模塊上面已經(jīng)說明，采用STM32W108處理器。射頻模塊主要有3個(gè)部分組成：一個(gè)外置50／100阻抗匹配變壓器，實(shí)現(xiàn)STM32W108最佳負(fù)荷；一個(gè)由電感、電容組成匹配網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化RF性能；一個(gè)帶通濾波器，處理傳導(dǎo)諧波。電源模塊中，節(jié)點(diǎn)用電取自原燈具用電，為220AC轉(zhuǎn)5VDC。傳感器模塊包含兩個(gè)傳感器，一個(gè)是光亮度傳感器DLS305I，另一個(gè)是紅外線傳感器器LHI778。繼電器模塊由AIKS ARM2F-L繼電器組成。

2．2 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)
    圖4為網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)，與節(jié)點(diǎn)硬件不同的是，網(wǎng)關(guān)硬件增加了一個(gè)RS232／485接口電路，用于與上位機(jī)進(jìn)行通信，能夠把全網(wǎng)信息在組態(tài)網(wǎng)上顯示；兩個(gè)按鍵中，一個(gè)用于對(duì)STM32W108控制器進(jìn)行復(fù)位，另一個(gè)用于對(duì)RS232／485接口進(jìn)行切換；另外，LCD顯示單元，用于顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)建立狀態(tài)和無線數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)主要有節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)和網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)，本文以節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)為例進(jìn)行說明，節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)主要分為三部分：系統(tǒng)初始化、建立網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)處理，當(dāng)程序開始運(yùn)行時(shí)，首先進(jìn)行MCU處理器配置、中斷等初始化，然后由EM250協(xié)議棧建立樹形無線網(wǎng)絡(luò)，這樣處在一定區(qū)域的節(jié)點(diǎn)便形成了子網(wǎng)落hub。然后程序進(jìn)循環(huán)掃描，程序首先等待無線接收數(shù)據(jù)中斷和定時(shí)器中斷，如果無線接收數(shù)據(jù)中斷產(chǎn)生，則MCU開始處理接收到的無線數(shù)據(jù)；如果定時(shí)器中斷產(chǎn)生，程序開始采集傳感器數(shù)據(jù)，然后發(fā)送給MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，之后進(jìn)行發(fā)送無線數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?br />     ZigBee以一個(gè)個(gè)獨(dú)立的工作節(jié)點(diǎn)為依托，通過無線通信可組成星形、串(樹)形或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。由于本系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)均為固定節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均屬于一個(gè)特定的網(wǎng)絡(luò)，所以本設(shè)計(jì)選擇樹形網(wǎng)絡(luò)，如圖6所示。

    在樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符即網(wǎng)絡(luò)號(hào)(PAN標(biāo)識(shí)符)。利用PAN標(biāo)識(shí)符采用16位的短地址進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的通信，并可激活網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的通信。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中都有唯一的一個(gè)協(xié)調(diào)器(Coordinator)，具有對(duì)本網(wǎng)絡(luò)的管理能力。網(wǎng)絡(luò)中的全功能節(jié)點(diǎn)可作路由器。協(xié)調(diào)器以終端節(jié)點(diǎn)來使用，而半功能節(jié)點(diǎn)只能用于終端節(jié)點(diǎn)使用。

5 結(jié)論
    本設(shè)計(jì)基于ZigBee無線通信協(xié)議，對(duì)一定區(qū)域內(nèi)的燈光實(shí)現(xiàn)智能管理，從而達(dá)到節(jié)約電能的目的。
    在本設(shè)計(jì)的驗(yàn)證階段，以10間教室為實(shí)驗(yàn)對(duì)象組成一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，以一個(gè)月為實(shí)驗(yàn)時(shí)間段，然后對(duì)主控室所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，得出用電情況和用電量；再以一個(gè)月為時(shí)間段，在不采用本設(shè)計(jì)的情況下，仍以相同教室為統(tǒng)計(jì)對(duì)象，得出用電情況和用電量，通過分析比較，得出使用本設(shè)計(jì)有效地節(jié)約了電能的結(jié)論，從而驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的可行性。