摘  要： 介紹了ZigBee技術，提出了一種基于ARM9芯片與ZigBeeCC2480芯片控制的、應用于家居中的智能無線照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有上電自組網(wǎng)的功能，用戶可以控制協(xié)調(diào)器通過路由器向該路由器節(jié)點上的任意一個終端設備發(fā)送信號，終端設備接收到命令并產(chǎn)生PWM信號，實現(xiàn)了對每一盞LED的多級調(diào)光及情景模式控制功能。闡述了實現(xiàn)該系統(tǒng)的幾個關鍵問題并給出了實驗結(jié)果。
關鍵詞： ZigBee；ARM；無線控制系統(tǒng)；PWM

    目前市場上有多種智能家居情景照明的解決方案，其中利用ZigBee技術組網(wǎng)配合MCU控制的方案因其成本低、功耗低和易于實現(xiàn)等優(yōu)點得到廣泛應用。本文提出了一種利用ZigBee技術組建無線網(wǎng)絡配合ARM9內(nèi)核MCU，利用TCP/IP協(xié)議進行通信，可以對家居中每一盞LED燈進行控制，實現(xiàn)亮度控制與情景轉(zhuǎn)換的智能控制系統(tǒng)。
1 無線ZigBee網(wǎng)絡
    ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡技術，它是一種介于無線標記技術和藍牙技術之間的技術方案，主要用于近距離無線連接，具有自己的無線電標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間互相協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，因此其通信效率非常高[1-2]。
    ZigBee采用自組網(wǎng)方式實現(xiàn)組網(wǎng)，這種架構(gòu)被稱為無線基礎構(gòu)架的無線局域網(wǎng)，而且對網(wǎng)絡內(nèi)部的設備數(shù)量不加限制，并可隨時建立無線通信鏈路。協(xié)調(diào)器一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，新添加的RFD會被及時發(fā)現(xiàn)[3]。
2 系統(tǒng)規(guī)劃
    整體組網(wǎng)采用樹狀簇型結(jié)構(gòu)，即以每個房間為1個單元，房間內(nèi)的每盞燈作為一個終端設備，每個房間設置1個路由器用以與協(xié)調(diào)器通信并向房間內(nèi)每一個終端設備轉(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。

    在功能設定方面，由于不同的房間所具有的職能不同，所以對每一個房間的終端設備所具有的功能進行分別設置?？傮w上，要求房間內(nèi)所有的終端設備可以對LED進行開關控制及亮度調(diào)節(jié)。
    為了方便和快速進行調(diào)節(jié)，在遙控面板上還加入了情景和亮度設定，其中亮度設定為昏暗程度、明亮程度和超明亮程度。情景模式可以設置多種顏色模式。還可以具有以下功能：
    (1)智能調(diào)光：開燈時，燈光亮度由暗逐漸變亮；關燈時燈光亮度逐漸由明變暗。有利于保護視力及延長燈泡壽命。
    (2)延時功能：當按下延時按鍵后，所有燈光將在一定時間后全部關閉。
    (3)全開全關：實現(xiàn)一鍵控制全部燈光的開關功能。
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明了整套系統(tǒng)所能實現(xiàn)的功能，即通過發(fā)送模塊發(fā)送指令，接收模塊收到指令以后對其進行解碼，從而控制LED等的情景變化和亮度變化。

4 功能實現(xiàn)
4.1 上電啟動
    系統(tǒng)上電后，首先進行一系列初始化功能，包括對液晶顯示屏、按鍵、CC2480模塊、定時器及UART接口進行初始化。初始化完成后，系統(tǒng)會啟動組建網(wǎng)絡的功能。對于協(xié)調(diào)器，首先會發(fā)送StartZBNwk(COORDINATOR，NWKpanID)函數(shù)向CC2480中寫入指令以啟動ZigBee協(xié)議棧。其中，COORDINATOR是器件類型，表示此器件作為協(xié)調(diào)器使用；NWKpanID是此網(wǎng)絡的網(wǎng)絡ID。路由器進行同樣的操作，不同的是函數(shù)中設備類型參數(shù)為ROUTER[5]。
    協(xié)議棧啟動后，系統(tǒng)會利用GetDeviceInfo(DEVICE_
SHORT_ADDR)函數(shù)來獲取CC2480通過UART向ARM核發(fā)送的設備信息。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)會將信息顯示在液晶屏上，完成上電啟動過程。
4.2 組網(wǎng)綁定
    上電啟動完成后，系統(tǒng)進入組網(wǎng)綁定狀態(tài)。首先系統(tǒng)會調(diào)用ZB_APP_REGISTER_REQUEST()函數(shù)對ZigBee寄存器寫入配置，命令代碼為Cmd 0：0x26、Cmd1：0x0a；然后會調(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，路由器會調(diào)用menudis()函數(shù)進行綁定。此函數(shù)進行的操作如下：首先掃描按鍵以獲取用戶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)來尋找網(wǎng)絡中的物理地址。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個地址，參數(shù)2代表索引個數(shù)。
    獲得地址后，系統(tǒng)調(diào)用ZgBeeBind(1，add)函數(shù)進行綁定并將綁定結(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)后即可進行數(shù)據(jù)傳輸和調(diào)光。系統(tǒng)采用ZgBeeSendData()函數(shù)來進行數(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)均通過鍵盤掃描用戶輸入來寫入寄存器。
    對于調(diào)光功能的實現(xiàn)，本文采用PWM調(diào)制方式，即通過輸出不同占空比的方波進行不同情景模式的調(diào)光。具體實現(xiàn)方式：采用while循環(huán)中內(nèi)嵌1個case語句實現(xiàn)。while循環(huán)負責檢查是否有外部命令到來，每一個case分支對應1個情景模式，當設備接收到調(diào)光命令后，根據(jù)命令中的有關情景模式的數(shù)據(jù)進入到相關的case分支中產(chǎn)生相應的PWM信號，當檢查到外部命令來臨時，則跳出該分支進入相應的分支產(chǎn)生新的情景模式。對于PWM信號的產(chǎn)生有多種方式，本文利用循環(huán)計時的實現(xiàn)方法，即通過利用不同長短的延時來輸出0和1實現(xiàn)不同占空比的方波?；居嬎惴椒ㄈ缦拢簡挝谎訒r為晶振的1/12，則系統(tǒng)在進行[(方波周期/單位延時)×占空比]個延時后輸出1，在進行[(方波周期/單位延時)×(1-占空比)]個延時后輸出0，如此進行反復循環(huán)即可實現(xiàn)PWM功能。
5 實驗結(jié)果
    ZigBee模塊對LED的調(diào)光控制采用PWM調(diào)制方式，即通過輸出3路不同占空比的方波實現(xiàn)對LED的RGB分量的調(diào)節(jié)，形成不同顏色的光。在本實驗中采用事先設定好情景模式，根據(jù)用戶按下不同的情景按鍵輸出不同的PWM波形來實現(xiàn)LED的情景照明。實驗結(jié)果輸出占空比分別為25%、57%、70%的方波，如圖3所示。

    本文針對目前智能家居照明發(fā)展趨勢，提出了一種基于ZigBee和ARM處理器的智能家居照明系統(tǒng)設計方案，實現(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。
參考文獻
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