基于Zigbee技術的室內照明系統(tǒng)設計研究

　　1. 引言

　　隨著科技的進步，人們對通信技術的要求也不斷增長，短距離無線通信技術也隨之產生。

　　如今，各種短距離無線通信技術層出不窮，其中較為成功并且應用比較廣泛的有Bluetooth（藍牙）、ZigBee、Wi-Fi、WiMAX、無線USB 和UWB 等。

　　ZigBee 的協(xié)議構架是建立在IEEE 802.15.4 標準基礎之上的。IEEE 802.15.4 標準定義了ZigBee 物理層（PHY）和媒體訪問控制層（MAC）；ZigBee 聯(lián)盟則定義了ZigBee 協(xié)議的網絡層（ZWK）、應用層（APL）和安全服務規(guī)范。作為一種新興的低速率無線通信技術，ZigBee 技術擁有著速率低、功耗小、成本低、免許可無線通信頻段、近距離通信、時延短、數據傳輸可靠和組網方式多樣等多種技術特點，這些特點使ZigBee 技術很適合應用到工業(yè)控制、智能家居、醫(yī)療護理、智能農業(yè)、消費類電子和遠程控制等領域。目前，藍牙技術復雜，應用系統(tǒng)費用較高，功耗高，電池供電壽命短，在其無法突破價格瓶頸的情況下，ZigBee 技術將擁有更加廣闊的應用前景。

　　本文按照ZigBee 協(xié)議規(guī)范的要求，設計了一套適用于智能家居網絡的室內照明自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠準確地實現(xiàn)對室內各照明器件的遠程控制，并可通過監(jiān)測室內光線的變化調整電燈的開斷，實現(xiàn)對照明的智能控制，同時也使控制系統(tǒng)的可靠性和靈活性得到提高。

　　2. 基于Microchip ZigBee 協(xié)議棧的室內照明自動控制系統(tǒng)結構

　　本文所介紹的室內照明自動控制系統(tǒng)是 ZigBee 技術在智能家居中的一種典型應用。

　　Microchip ZigBee 協(xié)議棧是在ZigBee 無線協(xié)議規(guī)范的基礎上定義的，但它不完全符合ZigBee 協(xié)議，不支持群集和點對點網絡，沒有安全和訪問控制功能，沒有路由器功能，也不支持一對多綁定。使用Microchip ZigBee 協(xié)議棧設計ZigBee 節(jié)點，需要具備的硬件條件至少要包括一個帶有SPI 串口的PIC18F 單片機，一個帶有所需外部元件的RF 收發(fā)器，一根天線，可以是PCB 上的引線形成的天線或單極天線。

　　系統(tǒng)構建的是一個星狀網絡，即由一個協(xié)調器節(jié)點和若干終端節(jié)點構成的主從網絡。最先啟動的FFD（全功能設備）自任PAN 協(xié)調器，并選擇一個和其覆蓋區(qū)域內的其它PAN不同的標識符作為自己的PAN 標識符。通常在其工作區(qū)域內不存在其它PAN 時，PAN 標志符設置為0。協(xié)調器可以允許其它FFD 和RFD（精簡功能設備）加入網絡。在星狀網絡中，協(xié)調器節(jié)點和終端節(jié)點之間可以相互發(fā)送或者接收數據，但兩個終端節(jié)點之間不能進行直接通信，如果一個終端節(jié)點要向另一個終端節(jié)點發(fā)送數據，只能通過協(xié)調器這個中間媒介完成。

　　依照Microchip ZigBee 協(xié)議棧的開發(fā)要求，我們設計了一個可以移植Microchip ZigBee協(xié)議棧的室內照明自動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的結構框圖如圖1 所示。

　　其中協(xié)調器節(jié)點和所有終端節(jié)點共同構成了ZigBee 無線通信網絡。協(xié)調器節(jié)點的作用是建立一個網絡，并為加人到網絡中的節(jié)點分派網絡地址，同時還負責通過串口和上位機進行通信，各個終端節(jié)點則是為了實現(xiàn)具體的開關電燈的功能，并將工作的結果反饋給協(xié)調器節(jié)點。上位機除了實時監(jiān)控網絡工作狀況外還起到家庭網關的作用，即可以提供各種遠程智能控制接口，在家庭內部的ZigBee 網絡和Internet 之間建立起一種連接，使用戶可以用一臺連接到Internet 上的PC 機控制家里的電器設備。

圖1照明控制系統(tǒng)結構示意圖

　　3. 系統(tǒng)節(jié)點的硬件設計

　　設計選用 Microchip 公司的PIC18LF4620 單片機作為控制器，射頻收發(fā)器部分采用TI公司的CC2420 射頻模塊。控制器通過SPI 總線和一些離散控制信號與射頻模塊相連，控制器充當SPI 主器件，而射頻模塊充當從器件?？刂破鲗崿F(xiàn)了IEEE 802.15.4 MAC 層和ZigBee協(xié)議層，射頻模塊CC2420 則實現(xiàn)了IEEE 802.15.4 物理層和一些MAC 層功能。圖2 為終端節(jié)點的結構框圖：圖3 為協(xié)調器節(jié)點的結構框圖：

圖2 終端節(jié)點的結構框圖

圖3 協(xié)調器節(jié)點結構框圖

　　PIC18LF4620 單片機和CC2420 射頻模塊的接口電路如圖4 所示：

圖4 PIC 單片機與射頻模塊接口電路

　　終端節(jié)點控制器通過CC2420 射頻模塊接收來自協(xié)調器節(jié)點的數據，并按照協(xié)調器節(jié)點的指示，完成對繼電器控制，從而實現(xiàn)室內各個電燈開關狀態(tài)的轉換。

　　終端節(jié)點可以通過光敏電阻監(jiān)視室內光線的變化，當光線亮度超過某一特定值時，控制器將檢測到來自于光敏電阻的輸出信號的變化，并將這種變化告訴協(xié)調器。協(xié)調器收到信號后會重復前面的操作完成對電燈的開關動作。這種設計適用于墻角落地燈。

　　協(xié)調器節(jié)點通過鍵盤上的按鍵發(fā)送控制信號，開斷相應終端節(jié)點上的繼電器從而控制電燈的亮滅，并通過RS232 串口將收到的從節(jié)點信號反饋給主節(jié)點。液晶顯示屏用來顯示各個終端節(jié)點的工作狀態(tài)。

　　4. 系統(tǒng)節(jié)點的軟件設計

　　這里涉及到一個端點綁定的概念。一個ZigBee 節(jié)點最多可以支持32 個端點（編號0~31）和8 個接口（編號0~7）。端點0 被保留用于設備配置，而端點31 被保留僅用于廣播。剩下的30 個端點被用于應用。每個端點總共有8 個接口，這樣應用在一個物理信道中最多能有240 條虛擬信道。協(xié)調器節(jié)點負責建立并維護一個描述各個端點之間邏輯鏈路的綁定表，并通過源端點和群集ID 來唯一定義一條數據鏈路。在本照明系統(tǒng)中，我們給每一個終端節(jié)點上的繼電器和協(xié)調器上的按鍵都分配一個在節(jié)點內唯一的端點號，并用這個端點號來對這些應用對象進行標記，通過端點綁定的方法在終端節(jié)點中的繼電器和協(xié)調器上的不同按鍵之間建立聯(lián)系，協(xié)調器節(jié)點將各個開關端點發(fā)送的數據包發(fā)送到相應的端點，從而實現(xiàn)協(xié)調器節(jié)點對分布在室內的各個電燈的控制。

　　4.1 終端節(jié)點軟件設計

　　終端節(jié)點的任務主要是接收來自協(xié)調器的數據并根據這些數據對相應的電燈執(zhí)行開關操作，并將操作的結果反饋給協(xié)調器節(jié)點。終端節(jié)點上點電后掃描所有可用信道來尋找臨近協(xié)調器，申請加入此網絡。由于選用電池供電，因此要保證終端節(jié)點的低功耗，設計中采用定時喚醒的方式連接服務器，接收和發(fā)送數據，其它時間則進入休眠模式，以達到終端節(jié)點的功耗最低。終端節(jié)點的程序流程圖如圖5 所示。

圖5 終端節(jié)點系統(tǒng)流程圖

　　4.2 協(xié)調器節(jié)點軟件設計

　　作為網絡協(xié)調器，其功能主要分為兩個部分，即建立網絡和進行網絡管理。ZigBee 協(xié)調器主要負責建立ZigBee 網絡，分配網絡地址和維護綁定列表。協(xié)調器通過掃描一個空閑信道來創(chuàng)建一個新網絡，維護一個目前連接設備的網絡列表，支持獨立掃描程序來確保以前的連接設備能夠重新加入網絡