摘  要： 介紹了ZigBee技術(shù)，提出了一種基于ARM9芯片與ZigBeeCC2480芯片控制的、應(yīng)用于家居中的智能無(wú)線(xiàn)照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有上電自組網(wǎng)的功能，用戶(hù)可以控制協(xié)調(diào)器通過(guò)路由器向該路由器節(jié)點(diǎn)上的任意一個(gè)終端設(shè)備發(fā)送信號(hào)，終端設(shè)備接收到命令并產(chǎn)生PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)每一盞LED的多級(jí)調(diào)光及情景模式控制功能。闡述了實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
關(guān)鍵詞： ZigBee；ARM；無(wú)線(xiàn)控制系統(tǒng)；PWM

    目前市場(chǎng)上有多種智能家居情景照明的解決方案，其中利用ZigBee技術(shù)組網(wǎng)配合MCU控制的方案因其成本低、功耗低和易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。本文提出了一種利用ZigBee技術(shù)組建無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)配合ARM9內(nèi)核MCU，利用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信，可以對(duì)家居中每一盞LED燈進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)亮度控制與情景轉(zhuǎn)換的智能控制系統(tǒng)。
1 無(wú)線(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)
    ZigBee是一種新興的短距離、低速率無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無(wú)線(xiàn)標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)之間的技術(shù)方案，主要用于近距離無(wú)線(xiàn)連接，具有自己的無(wú)線(xiàn)電標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間互相協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，因此其通信效率非常高[1-2]。
    ZigBee采用自組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，這種架構(gòu)被稱(chēng)為無(wú)線(xiàn)基礎(chǔ)構(gòu)架的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)，而且對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的設(shè)備數(shù)量不加限制，并可隨時(shí)建立無(wú)線(xiàn)通信鏈路。協(xié)調(diào)器一直處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，新添加的RFD會(huì)被及時(shí)發(fā)現(xiàn)[3]。
2 系統(tǒng)規(guī)劃
    整體組網(wǎng)采用樹(shù)狀簇型結(jié)構(gòu)，即以每個(gè)房間為1個(gè)單元，房間內(nèi)的每盞燈作為一個(gè)終端設(shè)備，每個(gè)房間設(shè)置1個(gè)路由器用以與協(xié)調(diào)器通信并向房間內(nèi)每一個(gè)終端設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)[4]。整體結(jié)構(gòu)布局及組網(wǎng)方式如圖1所示。

    在功能設(shè)定方面，由于不同的房間所具有的職能不同，所以對(duì)每一個(gè)房間的終端設(shè)備所具有的功能進(jìn)行分別設(shè)置。總體上，要求房間內(nèi)所有的終端設(shè)備可以對(duì)LED進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制及亮度調(diào)節(jié)。
    為了方便和快速進(jìn)行調(diào)節(jié)，在遙控面板上還加入了情景和亮度設(shè)定，其中亮度設(shè)定為昏暗程度、明亮程度和超明亮程度。情景模式可以設(shè)置多種顏色模式。還可以具有以下功能：
    (1)智能調(diào)光：開(kāi)燈時(shí)，燈光亮度由暗逐漸變亮；關(guān)燈時(shí)燈光亮度逐漸由明變暗。有利于保護(hù)視力及延長(zhǎng)燈泡壽命。
    (2)延時(shí)功能：當(dāng)按下延時(shí)按鍵后，所有燈光將在一定時(shí)間后全部關(guān)閉。
    (3)全開(kāi)全關(guān)：實(shí)現(xiàn)一鍵控制全部燈光的開(kāi)關(guān)功能。
3 工作流程
    系統(tǒng)的總體軟件流程圖如圖2所示。該流程圖從電路的整體功能上概括地說(shuō)明了整套系統(tǒng)所能實(shí)現(xiàn)的功能，即通過(guò)發(fā)送模塊發(fā)送指令，接收模塊收到指令以后對(duì)其進(jìn)行解碼，從而控制LED等的情景變化和亮度變化。

4 功能實(shí)現(xiàn)
4.1 上電啟動(dòng)
    系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行一系列初始化功能，包括對(duì)液晶顯示屏、按鍵、CC2480模塊、定時(shí)器及UART接口進(jìn)行初始化。初始化完成后，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)組建網(wǎng)絡(luò)的功能。對(duì)于協(xié)調(diào)器，首先會(huì)發(fā)送StartZBNwk(COORDINATOR，NWKpanID)函數(shù)向CC2480中寫(xiě)入指令以啟動(dòng)ZigBee協(xié)議棧。其中，COORDINATOR是器件類(lèi)型，表示此器件作為協(xié)調(diào)器使用；NWKpanID是此網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)ID。路由器進(jìn)行同樣的操作，不同的是函數(shù)中設(shè)備類(lèi)型參數(shù)為ROUTER[5]。
    協(xié)議棧啟動(dòng)后，系統(tǒng)會(huì)利用GetDeviceInfo(DEVICE_
SHORT_ADDR)函數(shù)來(lái)獲取CC2480通過(guò)UART向ARM核發(fā)送的設(shè)備信息。其中，DEVICE_SHOR_ADDR參數(shù)是CC2480模塊的16位短地址。獲取地址成功后，系統(tǒng)會(huì)將信息顯示在液晶屏上，完成上電啟動(dòng)過(guò)程。
4.2 組網(wǎng)綁定
    上電啟動(dòng)完成后，系統(tǒng)進(jìn)入組網(wǎng)綁定狀態(tài)。首先系統(tǒng)會(huì)調(diào)用ZB_APP_REGISTER_REQUEST()函數(shù)對(duì)ZigBee寄存器寫(xiě)入配置，命令代碼為Cmd 0：0x26、Cmd1：0x0a；然后會(huì)調(diào)用ZgBeeAllowBind()函數(shù)發(fā)出允許綁定的命令，命令代碼為Cmd 0：0x26、Cmd1：0x02。
    允許綁定后，路由器會(huì)調(diào)用menudis()函數(shù)進(jìn)行綁定。此函數(shù)進(jìn)行的操作如下：首先掃描按鍵以獲取用戶(hù)輸入的所要綁定的協(xié)調(diào)器的地址，然后調(diào)用ZgBeeZDOFindIEEE(bindAddr，0，2)函數(shù)來(lái)尋找網(wǎng)絡(luò)中的物理地址。其中，bindAddr就是所要綁定得到的協(xié)調(diào)器的地址，參數(shù)0代表獲取1個(gè)地址，參數(shù)2代表索引個(gè)數(shù)。
    獲得地址后，系統(tǒng)調(diào)用ZgBeeBind(1，add)函數(shù)進(jìn)行綁定并將綁定結(jié)果顯示在液晶顯示屏上，從而完成組網(wǎng)綁定的功能[6-10]。其中命令代碼為Cmd 0：0x66、Cmd1：0x01。
4.3 數(shù)據(jù)傳輸及調(diào)光
    系統(tǒng)完成組網(wǎng)后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和調(diào)光。系統(tǒng)采用ZgBeeSendData()函數(shù)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，此函數(shù)包含的主要參數(shù)有目的地址、命令類(lèi)型和數(shù)據(jù)，命令代碼為Cmd 0：0x66、Cmd1：0x03。而目的地址與數(shù)據(jù)均通過(guò)鍵盤(pán)掃描用戶(hù)輸入來(lái)寫(xiě)入寄存器。
    對(duì)于調(diào)光功能的實(shí)現(xiàn)，本文采用PWM調(diào)制方式，即通過(guò)輸出不同占空比的方波進(jìn)行不同情景模式的調(diào)光。具體實(shí)現(xiàn)方式：采用while循環(huán)中內(nèi)嵌1個(gè)case語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)。while循環(huán)負(fù)責(zé)檢查是否有外部命令到來(lái)，每一個(gè)case分支對(duì)應(yīng)1個(gè)情景模式，當(dāng)設(shè)備接收到調(diào)光命令后，根據(jù)命令中的有關(guān)情景模式的數(shù)據(jù)進(jìn)入到相關(guān)的case分支中產(chǎn)生相應(yīng)的PWM信號(hào)，當(dāng)檢查到外部命令來(lái)臨時(shí)，則跳出該分支進(jìn)入相應(yīng)的分支產(chǎn)生新的情景模式。對(duì)于PWM信號(hào)的產(chǎn)生有多種方式，本文利用循環(huán)計(jì)時(shí)的實(shí)現(xiàn)方法，即通過(guò)利用不同長(zhǎng)短的延時(shí)來(lái)輸出0和1實(shí)現(xiàn)不同占空比的方波?；居?jì)算方法如下：?jiǎn)挝谎訒r(shí)為晶振的1/12，則系統(tǒng)在進(jìn)行[(方波周期/單位延時(shí))×占空比]個(gè)延時(shí)后輸出1，在進(jìn)行[(方波周期/單位延時(shí))×(1-占空比)]個(gè)延時(shí)后輸出0，如此進(jìn)行反復(fù)循環(huán)即可實(shí)現(xiàn)PWM功能。
5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    ZigBee模塊對(duì)LED的調(diào)光控制采用PWM調(diào)制方式，即通過(guò)輸出3路不同占空比的方波實(shí)現(xiàn)對(duì)LED的RGB分量的調(diào)節(jié)，形成不同顏色的光。在本實(shí)驗(yàn)中采用事先設(shè)定好情景模式，根據(jù)用戶(hù)按下不同的情景按鍵輸出不同的PWM波形來(lái)實(shí)現(xiàn)LED的情景照明。實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸出占空比分別為25%、57%、70%的方波，如圖3所示。

    本文針對(duì)目前智能家居照明發(fā)展趨勢(shì)，提出了一種基于ZigBee和ARM處理器的智能家居照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)控制和智能調(diào)光功能，為以后的研究打下了一定的基礎(chǔ)。
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