Zigbee技術(shù)的室內照明系統設計研究方案

本文對ZigBee 協(xié)議的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，設計了一種適用于智能家居的室內照明自動(dòng)控制系統。分析了現有室內照明自動(dòng)控制系統中存在的問(wèn)題，把ZigBee 技術(shù)應用到照明自動(dòng)控制系統，在PICDEMZ 平臺上構建了ZigBee 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統，實(shí)現了室內照明系統的無(wú)線(xiàn)控制，提高了系統的靈活性和實(shí)用性。

　　1. 引言

　　隨著(zhù)科技的進(jìn)步，人們對通信技術(shù)的要求也不斷增長(cháng)，短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)也隨之產(chǎn)生。

　　如今，各種短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)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(wú)線(xiàn)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(fǎng)問(wèn)控制層(MAC);ZigBee 聯(lián)盟則定義了ZigBee 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )層(ZWK)、應用層(APL)和安全服務(wù)規范。作為一種新興的低速率無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，ZigBee 技術(shù)擁有著(zhù)速率低、功耗小、成本低、免許可無(wú)線(xiàn)通信頻段、近距離通信、時(shí)延短、數據傳輸可靠和組網(wǎng)方式多樣等多種技術(shù)特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使ZigBee 技術(shù)很適合應用到工業(yè)控制、智能家居、醫療護理、智能農業(yè)、消費類(lèi)電子和遠程控制等領(lǐng)域。目前，藍牙技術(shù)復雜，應用系統費用較高，功耗高，電池供電壽命短，在其無(wú)法突破價(jià)格瓶頸的情況下，ZigBee 技術(shù)將擁有更加廣闊的應用前景。

　　本文按照Z(yǔ)igBee 協(xié)議規范的要求，設計了一套適用于智能家居網(wǎng)絡(luò )的室內照明自動(dòng)控制系統。該系統能夠準確地實(shí)現對室內各照明器件的遠程控制，并可通過(guò)監測室內光線(xiàn)的變化調整電燈的開(kāi)斷，實(shí)現對照明的智能控制，同時(shí)也使控制系統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(dòng)控制系統結構

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

　　Microchip ZigBee 協(xié)議棧是在ZigBee 無(wú)線(xiàn)協(xié)議規范的基礎上定義的，但它不完全符合ZigBee 協(xié)議，不支持群集和點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )，沒(méi)有安全和訪(fǎng)問(wèn)控制功能，沒(méi)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 節點(diǎn)，需要具備的硬件條件至少要包括一個(gè)帶有SPI 串口的PIC18F 單片機，一個(gè)帶有所需外部元件的RF 收發(fā)器，一根天線(xiàn)，可以是PCB 上的引線(xiàn)形成的天線(xiàn)或單極天線(xiàn)。

　　系統構建的是一個(gè)星狀網(wǎng)絡(luò )，即由一個(gè)協(xié)調器節點(diǎn)和若干終端節點(diǎn)構成的主從網(wǎng)絡(luò )。最先啟動(dòng)的FFD(全功能設備)自任PAN 協(xié)調器，并選擇一個(gè)和其覆蓋區域內的其它PAN不同的標識符作為自己的PAN 標識符。通常在其工作區域內不存在其它PAN 時(shí)，PAN 標志符設置為0。協(xié)調器可以允許其它FFD 和RFD(精簡(jiǎn)功能設備)加入網(wǎng)絡(luò )。在星狀網(wǎng)絡(luò )中，協(xié)調器節點(diǎn)和終端節點(diǎn)之間可以相互發(fā)送或者接收數據，但兩個(gè)終端節點(diǎn)之間不能進(jìn)行直接通信，如果一個(gè)終端節點(diǎn)要向另一個(gè)終端節點(diǎn)發(fā)送數據，只能通過(guò)協(xié)調器這個(gè)中間媒介完成。

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

　　其中協(xié)調器節點(diǎn)和所有終端節點(diǎn)共同構成了ZigBee 無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )。協(xié)調器節點(diǎn)的作用是建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò )，并為加人到網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)分派網(wǎng)絡(luò )地址，同時(shí)還負責通過(guò)串口和上位機進(jìn)行通信，各個(gè)終端節點(diǎn)則是為了實(shí)現具體的開(kāi)關(guān)電燈的功能，并將工作的結果反饋給協(xié)調器節點(diǎn)。上位機除了實(shí)時(shí)監控網(wǎng)絡(luò )工作狀況外還起到家庭網(wǎng)關(guān)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(wǎng)絡(luò )和Internet 之間建立起一種連接，使用戶(hù)可以用一臺連接到Internet 上的PC 機控制家里的電器設備。

　　圖1照明控制系統結構示意圖

　　3. 系統節點(diǎn)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?？刂破魍ㄟ^(guò)SPI 總線(xiàn)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?shí)現了IEEE 802.15.4 MAC 層和ZigBee協(xié)議層，射頻模塊CC2420 則實(shí)現了IEEE 802.15.4 物理層和一些MAC 層功能。圖2 為終端節點(diǎn)的結構框圖：圖3 為協(xié)調器節點(diǎn)的結構框圖：

　　圖2 終端節點(diǎn)的結構框圖

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