基于ZigBee技術(shù)的無線智能照明系統(tǒng)

1 引 言

隨著社會的進(jìn)步，節(jié)能和環(huán)保已是大勢所趨，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。基于有線的照明控制系統(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)信號和調(diào)光信號等開光量，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的兼容性測試，并且ZigBee Allianee針對照明系統(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)對實(shí)時(shí)性的要求；照明系統(tǒng)對成本非常敏感，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)平臺上實(shí)現(xiàn)的。