基于ZigBee的室內(nèi)智能照明系統(tǒng)設(shè)計 - 全文

　　為了改進傳統(tǒng)室內(nèi)照明系統(tǒng)存在的布線復雜、節(jié)能效果差、不易智能控制等缺點，分析了基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)照明系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)方法。

　　該系統(tǒng)的硬件設(shè)計基于支持ZigBee的SoC芯片CC2530，軟件設(shè)計則采用TI公司的Z-Stack協(xié)議。系統(tǒng)可以通過PC機上的上位機界面實現(xiàn)對燈節(jié)點的單控、組控、全控以及調(diào)光控制，并具有耗電小，成本低、無需布線和安裝方便簡單等特點。

　　0 引言

　　隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，人們對生活水平的追求越來越高。智能家居早已為大眾所熟知，而智能照明系統(tǒng)作為智能家居的應用之一，越來越受到人們的重視。室內(nèi)照明系統(tǒng)主要實現(xiàn)對住宅內(nèi)外的燈光的各種智能控制和管理功能，具體的說主要實現(xiàn)對燈的單控、組控、全控以及無線遙控控制和多時段定時控制。ZigBee 技術(shù)作為新興的近距離無線通信技術(shù)之一，具有近距離、低速率、低功耗和穩(wěn)定性高等優(yōu)點，非常適合在照明系統(tǒng)中應用。本文提出基于ZigBee 技術(shù)的智能照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)由若干個節(jié)點以自組網(wǎng)的形式組成，每個節(jié)點都可通過感知外部光強信息的變化情況，能夠自適應地調(diào)節(jié)亮度，并可通過PC上的控制界面對每個節(jié)點進行智能控制。

　　1 ZigBee 技術(shù)簡介

　　ZigBee 技術(shù) 是一種短距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，它是介于無線標記和藍牙之間的技術(shù)方案，具有自己的無線電標準，即IEEE 802.15.4（ZigBee） 技術(shù)標準。這是IEEE 無線個人區(qū)域（PersonalArea Network，PAN）工作組所規(guī)定的一項標準，主要適用于數(shù)據(jù)吞吐量小、網(wǎng)絡建設(shè)投資小、安全要求高、耗電低的場合。

　　從技術(shù)性能來看，ZigBee 具有低功耗、短延時、短距離、高安全、低速率、覆蓋范圍廣、網(wǎng)絡容量大等特點，并且具有廉價的市場定位，非常適合在照明系統(tǒng)中應用。

　　ZigBee 技術(shù)網(wǎng)絡有三種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)：星型結(jié)構(gòu)、樹狀結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)［5］。星型拓撲結(jié)構(gòu)包括一個協(xié)調(diào)器和多個終端，沒有路由；樹狀拓撲結(jié)構(gòu)就是一個協(xié)調(diào)器和終端距離比較遠，需要加路由的星型網(wǎng)；網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)中，協(xié)調(diào)器、路由、終端都可以通信。在本系統(tǒng)中，采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

　　2 系統(tǒng)的總體框架

　　室內(nèi)智能照明系統(tǒng)由一個協(xié)調(diào)器、若干個終端設(shè)備、多個手持的無線遙控器以及PC上位機界面等四個部分組成。協(xié)調(diào)器在該系統(tǒng)的作用是啟動和配置網(wǎng)絡。協(xié)調(diào)器可以保持間接尋址用的綁定表格，支持關(guān)聯(lián)，同時還能設(shè)計信任中心和執(zhí)行其他活動。一個ZigBee 網(wǎng)絡只允許有一個ZigBee 協(xié)調(diào)器，終端節(jié)點最多可達65 536 個。協(xié)調(diào)器在系統(tǒng)中扮演命令的發(fā)送者和數(shù)據(jù)的收集者。協(xié)調(diào)器通過串口與PC 機相連，在接收到來自PC 的控制命令后，通過自己組建的ZigBee 網(wǎng)絡發(fā)送給指定的節(jié)點。當指定的節(jié)點接收到來自協(xié)調(diào)器的命令時，就做出指定的動作，并反饋給協(xié)調(diào)器。當協(xié)調(diào)器接收到來自終端的數(shù)據(jù)信息時，就會通過串口傳給PC 機。無線遙控器可以在室內(nèi)的任何地方發(fā)送控制指令來控制一盞或多盞燈，使得整個照明系統(tǒng)更靈活。協(xié)調(diào)器主要有CC2530+CC2591 模塊、串口模塊，終端節(jié)點主要有CC2530+CC291 模塊、LED 控制模塊、溫度檢測模塊以及光強檢測模塊。圖1所示就是系統(tǒng)總體框架。

　　3 終端控制節(jié)點設(shè)計

　　終端節(jié)點模塊的硬件框圖如圖2 所示。它包括光強檢測模塊、繼電器控制模塊和PWM 輸出模塊。光強檢測模塊使用的傳感器是光敏電阻，選用的是新型單片測光芯片BH1750，較好地解決了傳統(tǒng)測光系統(tǒng)的弊端。BH1750 是半導體制造商ROHM為適應以移動電話手機為首的便攜式機器和液晶要求而開發(fā)的具有優(yōu)良光譜靈敏度特性、16 b 串行輸出的單片數(shù)字照度傳感器。BH1750 與CC2530 之間的通信使用標準的IIC 通信協(xié)議。BH1750 與CC2530 的電路連接圖如3 所示。BH1750 的3 腳和5 腳分別與CC2530 的P0_1 口和P0_0 口相連，R1 與R2 為上拉電阻。

　　終端控制模塊包括繼電器模塊和PWM 模塊。繼電器模塊利用三極管來放大驅(qū)動能力，通過CC2530上的IO 口輸出高低電平來控制繼電器開合或者斷開，從而實現(xiàn)對LED 的開關(guān)。PWM 模塊可以控制LED 燈的亮度，CC2530 芯片可以輸出頻率為200 Hz，占空比可以從1%~100%的可調(diào)的PWM波。

　　無線遙控模塊是基于終端控制節(jié)點設(shè)計的，它可自動搜尋ZigBee 網(wǎng)絡，并加入到網(wǎng)絡中建立通信關(guān)系，使自己成為其中的一個節(jié)點，進而對整個照明系統(tǒng)進行遙控。遙控節(jié)點模塊由PIC16F886 單片機讀取4×4 鍵盤的值，通過串口發(fā)送給CC2530+CC2591 模塊，然后發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器發(fā)給需要控制的燈的節(jié)點。

　　4 軟件設(shè)計

　　軟件設(shè)計包括上位機的設(shè)計和下位機的設(shè)計。下位機又包括協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計和終端節(jié)點的軟件設(shè)計。

　　界面包括每個節(jié)點燈的狀態(tài)顯示，用戶的控制操作?？刂撇僮靼? 種模式：整幢樓同時開關(guān)，整層樓同時開關(guān)，整個房間同時開關(guān)，單個燈的開關(guān)，單個燈的PWM 控制。界面設(shè)計的流程如圖4 所示，圖5 所示則是上位機的界面圖。

　　本系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器的兩大主要功能是建立網(wǎng)絡和進行網(wǎng)絡管理。ZigBee 協(xié)調(diào)器主要負責建立ZigBee 網(wǎng)絡、分配網(wǎng)絡地址和維護綁定列表。協(xié)調(diào)器通過掃描一個空閑信道來創(chuàng)建一個新的網(wǎng)絡，維護一個目前連接設(shè)備的網(wǎng)絡列表，支持獨立掃描程序來確保以前的連接設(shè)備能夠重新加入網(wǎng)絡。輪詢程序一直掃面串口函數(shù)，當串口有數(shù)據(jù)發(fā)送過來時，先判斷是控制指令還是數(shù)據(jù)接收指令。如果是控制指令，則發(fā)送給指定的終端節(jié)點；如果是數(shù)據(jù)接收指令，則將數(shù)據(jù)傳給上位機界面。

　　協(xié)調(diào)器的軟件流程圖如圖6 所示。

　　終端節(jié)點的任務主要是接收來自協(xié)調(diào)器的指令，并根據(jù)這些指令執(zhí)行相關(guān)的操作。它會一直采樣光強值，并能夠?qū)崟r根據(jù)光強值，改變輸出PWM 值，每次改變都會反饋給上位機。終端節(jié)點會采樣電池的電壓，當電壓低于2.2 V 時，發(fā)送消息給上位機界面，提醒用戶更換電池。終端節(jié)點的軟件流程圖如圖7 所示。

　　5 結(jié)語

　　本文利用ZigBee 技術(shù)設(shè)計的室內(nèi)照明系統(tǒng)，實現(xiàn)了燈光的單控、組控、全控和自適應調(diào)節(jié)，提高了照明系統(tǒng)的智能化，大大降低了照明的能耗。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)工作穩(wěn)定，運行效果良好，具有很好的發(fā)展前景。