基于Zigbee技術(shù)的室內照明系統設計研究

　　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

圖3 協(xié)調器節點(diǎn)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

　　終端節點(diǎn)控制器通過(guò)CC2420 射頻模塊接收來(lái)自協(xié)調器節點(diǎn)的數據，并按照協(xié)調器節點(diǎn)的指示，完成對繼電器控制，從而實(shí)現室內各個(gè)電燈開(kāi)關(guān)狀態(tài)的轉換。

　　終端節點(diǎn)可以通過(guò)光敏電阻監視室內光線(xiàn)的變化，當光線(xiàn)亮度超過(guò)某一特定值時(shí)，控制器將檢測到來(lái)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(huì )重復前面的操作完成對電燈的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。這種設計適用于墻角落地燈。

　　協(xié)調器節點(diǎn)通過(guò)鍵盤(pán)上的按鍵發(fā)送控制信號，開(kāi)斷相應終端節點(diǎn)上的繼電器從而控制電燈的亮滅，并通過(guò)RS232 串口將收到的從節點(diǎn)信號反饋給主節點(diǎn)。液晶顯示屏用來(lái)顯示各個(gè)終端節點(diǎn)的工作狀態(tài)。

　　4. 系統節點(diǎn)的軟件設計

　　這里涉及到一個(gè)端點(diǎn)綁定的概念。一個(gè)ZigBee 節點(diǎn)最多可以支持32 個(gè)端點(diǎn)（編號0~31）和8 個(gè)接口（編號0~7）。端點(diǎn)0 被保留用于設備配置，而端點(diǎn)31 被保留僅用于廣播。剩下的30 個(gè)端點(diǎn)被用于應用。每個(gè)端點(diǎn)總共有8 個(gè)接口，這樣應用在一個(gè)物理信道中最多能有240 條虛擬信道。協(xié)調器節點(diǎn)負責建立并維護一個(gè)描述各個(gè)端點(diǎn)之間邏輯鏈路的綁定表，并通過(guò)源端點(diǎn)和群集ID 來(lái)唯一定義一條數據鏈路。在本照明系統中，我們給每一個(gè)終端節點(diǎn)上的繼電器和協(xié)調器上的按鍵都分配一個(gè)在節點(diǎn)內唯一的端點(diǎn)號，并用這個(gè)端點(diǎn)號來(lái)對這些應用對象進(jìn)行標記，通過(guò)端點(diǎn)綁定的方法在終端節點(diǎn)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)調器節點(diǎn)將各個(gè)開(kāi)關(guān)端點(diǎn)發(fā)送的數據包發(fā)送到相應的端點(diǎn)，從而實(shí)現協(xié)調器節點(diǎn)對分布在室內的各個(gè)電燈的控制。

　　4.1 終端節點(diǎn)軟件設計

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

圖5 終端節點(diǎn)系統流程圖

　　4.2 協(xié)調器節點(diǎn)軟件設計

　　作為網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器，其功能主要分為兩個(gè)部分，即建立網(wǎng)絡(luò )和進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )管理。ZigBee 協(xié)調器主要負責建立ZigBee 網(wǎng)絡(luò )，分配網(wǎng)絡(luò )地址和維護綁定列表。協(xié)調器通過(guò)掃描一個(gè)空閑信道來(lái)創(chuàng )建一個(gè)新網(wǎng)絡(luò )，維護一個(gè)目前連接設備的網(wǎng)絡(luò )列表，支持獨立掃描程序來(lái)確保以前的連接設備能夠重新加入網(wǎng)絡(luò )