基于ZigBee模塊的無線智能照明系統(tǒng)

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

　硬件設(shè)計：

　無線智能照明系統(tǒng)的網(wǎng)絡節(jié)點分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點三種。CC2430 芯片是首款符合ZigBee技術(shù)標準的系統(tǒng)單芯片，片內(nèi)集成增強的8051微控制器內(nèi)核和符合IEEE802.15.4標準的2.4 GHz射頻收發(fā)器，具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性能，處于休眠模式時整個芯片的流耗小于0.9 μA，從硬件上支持CSMA／CA機制，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模塊節(jié)點的設(shè)計。協(xié)調(diào)器節(jié)點帶有44的鍵盤，用來設(shè)置整個系統(tǒng)的參數(shù)和發(fā)送控制命令，12 864漢字圖形點陣液晶模塊用于顯示網(wǎng)絡狀態(tài)信息。微控制器輸出開關(guān)量直接完成對照明燈的開關(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，可以實現(xiàn)對照明燈的256級調(diào)光控制。另外，協(xié)調(diào)器節(jié)點還帶有震動感測器和亮度感測器，用于感測現(xiàn)場的震動信息和亮度信息。當震動感測器測得震動較弱，即認為現(xiàn)場人員已經(jīng)離開，此時可以自動關(guān)掉照明燈或者調(diào)暗亮度。當亮度感測器測得光線太亮，如晴朗的白天，即可自動調(diào)低亮度，當亮度感測器測得光線太暗，如夜晚或者陰雨的白天，即可調(diào)高亮度。系統(tǒng)只需在一個節(jié)點上集成震動感測器和亮度感測器，即可通過ZigBee網(wǎng)絡向各個燈節(jié)點傳輸控制信息，實現(xiàn)對整個照明系統(tǒng)的智能控制、成本低廉。當然也可以將震動感測器和亮度感測器做成一個單獨的ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點，用于感測現(xiàn)場不同位置的震動信息和亮度信息。

　軟件設(shè)計：

　軟件設(shè)計基于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，其最新版本Z-Stack 1.4.2，通過ZigBee測試機構(gòu)德國萊茵集團的ZigBee兼容性測試，符合ZigBee 2006 specification，已被全球眾多ZigBee應用開發(fā)廠家所采用，支持多種硬件平臺，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，下載網(wǎng)絡中各節(jié)點的升級軟件，完成節(jié)點的軟件升級。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)計出可根據(jù)節(jié)點當前位置改變節(jié)點行為的新型ZigBee應用。

　針對ZigBee模塊在家庭網(wǎng)絡方面的應用，ZigBee Alliance制定專門的應用框架，即ZigBee Home Automation Public Application Profile。所謂Profile是對邏輯設(shè)備及其接口的描述集合，是針對某個特定應用的公約和準則，其目的是使不同廠家按照同一個ProfiIe設(shè)計的產(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、采暖通風空調(diào)設(shè)備、自動窗簾和報警裝置的設(shè)計規(guī)范。本文的無線智能照明系統(tǒng)就是在這個Profile的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。

　無線智能照明系統(tǒng)的實驗結(jié)果

　在一個兩室兩廳的套房中布置1套基于ZigBee技術(shù)實現(xiàn)的無線智能照明系統(tǒng)的實驗網(wǎng)絡，其網(wǎng)絡結(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。因為協(xié)調(diào)器節(jié)點和路由器節(jié)點具有路由功能，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)點路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報的節(jié)點配置為路由器節(jié)點，其他節(jié)點則都配置為終端節(jié)點，以降低成本。室內(nèi)所有的照明燈組成一個ZigBee網(wǎng)絡，由協(xié)調(diào)器完成對所有照明燈的控制?？梢詫W(wǎng)絡中的照明燈單個分別進行控制，也可以把所有的照明燈作為一個整體，進行同時控制；實現(xiàn)了對照明燈的簡單開關(guān)控制和256級的調(diào)光控制；既可以設(shè)置成手動控制模式，也可以設(shè)置成自動控制模式，由協(xié)調(diào)器根據(jù)亮度感測器和震動感測器返回的亮度信息和震動信息，自動發(fā)送控制命令，完成對所有照明燈的控制。系統(tǒng)設(shè)計成本低廉，可靠性高、響應速度快、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)域中的應用，必將帶來照明技術(shù)的革新。

　隨著計算機技術(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內(nèi)外的一個研究熱點?；赯igBee技術(shù)的無線智能照明系統(tǒng)目前主要應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)品的價格會逐步降低，巨大的民用市場將是最終的發(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，對節(jié)約電能的消耗也起到了很大的作用，符合國家節(jié)能減排的發(fā)展戰(zhàn)略。