摘 要： 設(shè)計了一種基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)無線智能照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了集射頻與微控制器于一體的片上系統(tǒng)CC2530作為核心器件，實時采集照明現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)，充分利用自然光，在光強(qiáng)優(yōu)先的情況下，實現(xiàn)室內(nèi)智能照明。同時在PC上顯示溫度、光強(qiáng)、有無紅外感應(yīng)等相關(guān)參數(shù)。實驗測試表明，該系統(tǒng)具有操作簡單、反應(yīng)靈敏、更加人性化和節(jié)省能量等特點。
關(guān)鍵詞： 無線網(wǎng)絡(luò)；ZigBee；智能照明；CC2530；節(jié)能
0 引言
目前，室內(nèi)過度照明等電力浪費(fèi)現(xiàn)象隨處可見。不科學(xué)的照明工程極大地浪費(fèi)了能源。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，傳統(tǒng)照明已不能滿足現(xiàn)代社會對高效、自動化和節(jié)能照明技術(shù)的需求。作為發(fā)展最快的無線個域網(wǎng)的唯一載體ZigBee技術(shù)是一種新興的無線組網(wǎng)通信技術(shù)，具有省電節(jié)能、網(wǎng)絡(luò)簡單、安全性高、速率低、覆蓋范圍廣和網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用[1-4]。為此，本文設(shè)計了一種基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)無線智能照明系統(tǒng)。
1 IEEE802.15.4/ZigBee技術(shù)
ZigBee技術(shù)是一種面向工業(yè)和家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)等領(lǐng)域的低速率、低功耗和低成本的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。自2004年12月ZigBee聯(lián)盟[5-8]推出ZigBee 1.0版本規(guī)范以來，ZigBee協(xié)議的各種修訂版本相繼發(fā)布，它們始終致力于ZigBee網(wǎng)絡(luò)更加安全可靠、靈活簡單、可擴(kuò)展性更強(qiáng)的規(guī)范修改，使其特點充分發(fā)揮。IEEE802.15.4[9]和ZigBee聯(lián)盟共同負(fù)責(zé)這種無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的制定。 IEEE802.15.4負(fù)責(zé)協(xié)議底部的兩層：物理層和媒體接入控制層；ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)提供協(xié)議上層的部分：網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[10]。
IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了27個物理信道，編號為0~26，編號0的信道分配給868 MHz頻段；編號1~10共10個信道分配給915 MHz頻段；編號11~26信道分配給2.4 GHz頻段。信道接入方式采用避免沖突的載波檢測多址接入(CSMA-CA)機(jī)制。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種設(shè)備類型：全功能設(shè)備(Full Function Device，F(xiàn)FD)與精簡功能設(shè)備(Reduced Function Device，RFD)。
ZigBee網(wǎng)絡(luò)中定義了3種基本的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型、網(wǎng)狀和簇樹型。ZigBee網(wǎng)絡(luò)層中對設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色進(jìn)行了分類：ZigBee協(xié)調(diào)器(ZigBee Coordinator，ZC)、ZigBee路由器(ZigBee Router，ZR)與ZigBee終端設(shè)備(ZigBee End Device，ZED)。ZC啟動和控制整個網(wǎng)絡(luò)，存儲網(wǎng)絡(luò)相關(guān)信息，負(fù)責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的所有工作，它只能由FFD來擔(dān)當(dāng)；ZR負(fù)責(zé)傳送信息與提供連接，它可以連接協(xié)調(diào)器或者其他路由器，同時也可以接納子節(jié)點的加入，ZR也需要FFD來擔(dān)當(dāng)；ZED可以發(fā)送或者接收信息，但是不能參與路由過程，不能連接任何子節(jié)點，只能作為子節(jié)點連接協(xié)調(diào)器或者路由器，ZED可以由FFD或者RFD來擔(dān)當(dāng)。
星型拓?fù)湟訸C為中心控制器，其余各個節(jié)點設(shè)備與ZC連接，所有數(shù)據(jù)的傳輸都需要經(jīng)由ZC來發(fā)送，其他各個節(jié)點之間不能互相通信。本文是基于星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計的。
2 硬件設(shè)計
2.4 GHz IEEE802.15.4/RF4CE/ZigBee的片上系統(tǒng)CC2530芯片將加強(qiáng)版8051MCU和RF射頻芯片集為一體，更好地提供遠(yuǎn)程照明控制。該系統(tǒng)主要分為發(fā)送模塊和接收模塊。發(fā)送模塊由ZigBee模塊和PC組成，接收模塊包括ZigBee模塊、傳感器和照明終端?？刂撇呗圆捎肸igBee技術(shù)，結(jié)合ZigBee2007協(xié)議（本系統(tǒng)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)），實時采集照明現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)，經(jīng)過CC2530芯片的邏輯判斷與智能分析后，實現(xiàn)無線通信。PC上位機(jī)實時顯示環(huán)境參數(shù)變化，也可以對智能照明系統(tǒng)進(jìn)行集中控制與管理。該系統(tǒng)具有近距離、低速、低耗和高集成度等諸多優(yōu)勢。硬件原理圖如圖1所示。
其中，硬件包括ZigBee CC2530F149芯片模塊、溫度傳感器DS18B20、熱紅外傳感器、光敏傳感器、白熾燈、RS232串口通信線、電源、下載器、導(dǎo)線和 PC機(jī)。
3 軟件設(shè)計
網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器初始化網(wǎng)絡(luò)后，子節(jié)點與協(xié)調(diào)器完成網(wǎng)絡(luò)連接的過程，成功組建ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)。光敏電阻對室內(nèi)光照強(qiáng)度進(jìn)行實時采集，并將采集的光強(qiáng)信號傳送給ZigBee終端設(shè)備；ZigBee終端設(shè)備將此信號傳送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口將數(shù)據(jù)傳送給主機(jī)進(jìn)行顯示；同時，協(xié)調(diào)器對此照明數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，設(shè)定光強(qiáng)閾值并進(jìn)行判斷，若光照強(qiáng)度大于閾值，燈亮；小于則燈滅。此系統(tǒng)的紅外模塊在光強(qiáng)優(yōu)先的情況下，將會判斷是否有人的影響，如果有人來，則燈亮；否則燈滅。與節(jié)點連接的溫度傳感器等也可以對周邊參數(shù)進(jìn)行采集，通過節(jié)點傳給協(xié)調(diào)器，再由主機(jī)進(jìn)行顯示。智能照明系統(tǒng)的具體工作過程如下。
?、艆f(xié)調(diào)器:初始化后，接收組網(wǎng)請求，判斷是否有節(jié)點加入，如果有節(jié)點加入，則分配網(wǎng)絡(luò)地址，接收數(shù)據(jù)；如果沒有節(jié)點加入，繼續(xù)接收組網(wǎng)請求。工作流程如圖2所示。
?、乒?jié)點：初始化后，發(fā)送組網(wǎng)請求，判斷加入是否成功，如果成功則把接收到的光照強(qiáng)度、有無紅外、溫度等參數(shù)傳給協(xié)調(diào)器，以便控制燈的亮滅；否則重新發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)的信號。工作流程如圖3所示。
?、枪?jié)點接收外界的光強(qiáng)變化并與設(shè)定的閾值(上限為180 cd，下限為140 cd)作比較，若光強(qiáng)大于180 cd，則燈滅；若小于140 cd，則燈亮。若人來，先判斷光強(qiáng)：若光強(qiáng)大于180 cd，燈仍然滅；在光強(qiáng)低于140 cd時，若有人來時，燈亮；無人時，燈滅。具體的工作流程如圖4所示。
部分相應(yīng)的程序如下：
if(theMessageData[5]<=0x28)
HalLedSet ( HAL_LED_3, HAL_LED_MODE_OFF );
if(theMessageData[5]>=0x3c)
{
if(theMessageData[7]==1)
{
HalLedSet ( HAL_LED_3, HAL_LED_MODE_ON );
}
}
4 系統(tǒng)測試
在不同光強(qiáng)下，將本系統(tǒng)分別在室內(nèi)和走廊進(jìn)行了測試。室內(nèi)光強(qiáng)大于180 cd時，燈處于關(guān)閉狀態(tài)。室內(nèi)光強(qiáng)小于140 cd時，如有人靠近，燈自動打開。
走廊光強(qiáng)大于180 cd時，燈處于關(guān)閉狀態(tài)。走廊光強(qiáng)小于140 cd時，如有人靠近，燈自動打開 。
5 結(jié)束語
本系統(tǒng)將ZigBee技術(shù)與照明結(jié)合，實現(xiàn)了室內(nèi)無線照明系統(tǒng)的智能控制。主控室的協(xié)調(diào)器與分布在不同場合的節(jié)點進(jìn)行通信。傳感器采集的實時光強(qiáng)信號由ZigBee終端設(shè)備傳到協(xié)調(diào)器后，與設(shè)定的光強(qiáng)閾值進(jìn)行比較，并在光強(qiáng)優(yōu)先的情況下，實現(xiàn)室內(nèi)智能照明。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以通過串口將數(shù)據(jù)傳送給主監(jiān)控機(jī)進(jìn)行顯示；同時，主監(jiān)控機(jī)也可以對此照明系統(tǒng)進(jìn)行控制，打開或者關(guān)閉燈。本系統(tǒng)采用ZigBee 無線通信技術(shù)組建網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)使用者對照明的不同需求，充分利用自然光，以最小的能耗實現(xiàn)智能控制。本系統(tǒng)具有操作簡單、反應(yīng)靈敏、可靠性高等特點。同時，合理設(shè)置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以簡化電路并降低成本。
參考文獻(xiàn)
[1] 蔣挺，趙成林. 紫峰技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006.
[2] Lavric A, Popa V, Males C,et al. A performance study of ZigBee wireless sensors network topologies for street lighting control systems[C].2012 International Conference on Selected Topics in Mobile and Wireless Networking, Avignon:IEEE, 2012: 130-133.
[3] Hung C H, Bai Y W, Tsai R Y. Digital control for home lighting system with ZigBee communication[C].2011 IEEE International Conference on Consumer Electronics, Las Vegas: IEEE, 2011: 763-764.
[4] Yin Jun, Wang Wei. LED lighting control system based on the ZigBee wireless network[C].2010 International Conference on Digital Manufacturing and Automation, Guilin: IEEE, 2010 (1): 892-895.
[5] ZIGBEE ALLIANCE. ZigBee specification version 1.0 [EB/OL]. (2004-12-14) [2014-2-17]. http://www.zigbee.org.
[6] ZIGBEE ALLIANCE. ZigBee specification version 1.1 [EB/OL]. (2006-12-1) [2014-2-17]. http://www.zigbee.org.
[7] ZIGBEE ALLIANCE. ZigBee-specification 2007 [EB/OL].(2008-1-17) [2014-2-17].http://www.zigbee.org.
[8] ZIGBEE ALLIANCE. ZigBee: RF4CE specification [EB/OL].(2010-1) [2014-2-17].http://www.zigbee.org.
[9] IEEE: IEEE 802.15.4 Part 15.4-2003.Wireless sedium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications for Low-Rate wireless personal area networks (LR-WPANs)[S].
[10] 劉丹. 基于網(wǎng)絡(luò)層的低速無線個域網(wǎng)節(jié)能方法研究[D]. 長春：吉林大學(xué)，2010.