基于ZigBee技术的无线智能照明系统

1 引  言

随着社会的进步，节能和环保已是大势所趋，在照明领域中，采用新型节能光源、节能电器及高效灯具来达到节约电能的目的，已广泛被人们所接受。但如何通过节能照明设计来达到节约能源的目的才刚被人们重视。基于有线的照明控制系统，具有布线麻烦，增减设备需要重新布线、系统可扩展性差、系统安装和维护成本高以及移动性能差等缺点，因此无线通信技术，是实现智能照明系统的理想选择。近年来，近距离无线通信技术获得了迅猛的发展。其中主流技术包括红外技术、蓝牙(Blue-tooth)、Wi-Fi、UWB(Ultra-Wideband)和ZigBee技术等。它们都有各自的标准、特点和相应的应用领域，另外还有Z-Wave和MiWi等专有无线技术。智能照明系统自身的要求和ZigBee技术具有的特点，决定了ZigBee是实现无线智能照明系统的最佳解决方案。

无线智能照明系统的控制器与照明灯节点之间只需传输开关信号和调光信号等开光量，且数据发送频率不高，而ZigBee的最大传输速率可以达到250 kb／s，这对于实现无线智能照明系统来说已经足够；无线智能照明系统的各个灯节点往往需要组成一个星型网、簇状网或者网状网，节点数量在几十到几千个之间，ZigBee对以上拓扑结构都做了很好的支持，且网络最大节点数可达65 535，很好地满足了无线智能照明系统对网络结构及容量的要求，而这是蓝牙和红外技术所无法满足的；不同厂家生产的无线智能照明系统的各种节点之间要求具有互操作性，ZigBee是一个开放式全球标准，世界各大ZigBee方案提供商都通过ZigBee Alliance的兼容性测试，并且ZigBee Allianee针对照明系统，专门制定了相应的Profile，因此不同厂家基于ZigBee技术开发的灯节点之间可以进行互操作和相互替换，从而保障生产商和用户的利益和成本投入，这是Z-Wave和MiWi等专有的无线技术所无法满足的；智能照明系统，比如智能家居，需要所有房间和楼层间的通信，这就需要系统具有穿墙的信号传递功能和网络功能，ZigBee工作在2.4 GHz的ISM频段，节点之间的最大通信距离可达100 m，信号具有一定的穿墙能力，并且ZigBee支持路由节点，只要合理布局，可以保证建筑物内没有无线通信的盲区，这是红外技术所无法提供的；ZigBee具备较快的响应特性，2个节点之间的一次数据发送过程在5 ms之内即可完成，满足照明系统对实时性的要求；照明系统对成本非常敏感，这将决定它能否实用化和产业化，ZigBee是一种低速率、低成本的无线通信技术，相比于Wi-Fi和UWB等这些适用于无线局域网和多媒体应用的高速率无线标准而言，成本非常低廉。本文主要讨论基于ZigBee技术的无线智能照明系统的软硬件设计。

2 基于ZigBee的智能照明系统的实现

ZigBee是一种在无线个人网络领域中新兴的无线网络技术。电子与电气工程师协会IEEE于2000年底成立了802.15.4工作组，规定了ZigBee的物理层和媒体接入控制层。2001年8月成立了ZigBee联盟，负责ZigBee规范的制定和应用推广工作，2004年12月推出ZigBee规范的正式版本ZigBee SpecificationV1.0。目前，ZigBee标准在ZigBee联盟的推动下正日趋增强和完善，其实际工程应用正日益普及。世界各大半导体巨头TI，FreeScale和Ember等各自推出了符合ZigBee标准的芯片及协议栈。其中，TI公司的CC2430加Z-Stack协议栈是业内公认的最佳解决方案。本文的无线智能照明系统就是在这个平台上实现的。

2.1 硬件设计

无线智能照明系统的网络节点分为协调器、路由器和终端节点三种。其中，协调器的硬件结构框图如图1所示。

CC2430芯片是首款符合ZigBee技术标准的系统单芯片，片内集成增强的8051微控制器内核和符合IEEE802.15.4标准的2.4 GHz射频收发器，具有优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性能，处于休眠模式时整个芯片的流耗小于0.9 μA，从硬件上支持CSMA／CA机制，还集成有ADC，AES安全协处理器和USART等片上外设及丰富的I／O口资源。只需添加晶振等少量的元器件即可完成ZigBee节点的设计。协调器节点带有44的键盘，用来设置整个系统的参数和发送控制命令，12 864汉字图形点阵液晶模块用于显示网络状态信息。微控制器输出开关量直接完成对照明灯的开关控制，微控制器输出的数字量经过8位的数／模转换器后，可以实现对照明灯的256级调光控制。另外，协调器节点还带有震动感测器和亮度感测器，用于感测现场的震动信息和亮度信息。当震动感测器测得震动较弱，即认为现场人员已经离开，此时可以自动关掉照明灯或者调暗亮度。当亮度感测器测得光线太亮，如晴朗的白天，即可自动调低亮度，当亮度感测器测得光线太暗，如夜晚或者阴雨的白天，即可调高亮度。系统只需在一个节点上集成震动感测器和亮度感测器，即可通过ZigBee网络向各个灯节点传输控制信息，实现对整个照明系统的智能控制、成本低廉。当然也可以将震动感测器和亮度感测器做成一个单独的ZigBee网络节点，用于感测现场不同位置的震动信息和亮度信息。

2.2 软件设计

软件设计基于TI公司推出的跟CC2430芯片配套的Z-Stack协议栈和IAR集成开发环境。Z-Stack在业内处于领先水平，目前还在不断完善和增强，其最新版本Z-Stack 1.4.2，通过ZigBee测试机构德国莱茵集团的ZigBee兼容性测试，符合ZigBee 2006 specification，已被全球众多ZigBee应用开发厂家所采用，支持多种硬件平台，包括面向IEEE／ZigBee的CC2430片上系统解决方案，基于CC2420收发器的新平台和MSP430超低功耗微处理器。此外，Z-Stack还支持丰富的新特性，如无线下载，即通过ZigBee网络，下载网络中各节点的升级软件，完成节点的软件升级。Z-Stack还支持具备定位感知功能的CC2431，该特性使用户能够设计出可根据节点当前位置改变节点行为的新型ZigBee应用。

针对ZigBee在家庭网络方面的应用，ZigBee Alliance制定专门的应用框架，即ZigBee Home Automation Public Application Profile。所谓Profile是对逻辑设备及其接口的描述集合，是针对某个特定应用的公约和准则，其目的是使不同厂家按照同一个ProfiIe设计的产品之间可以相互操作、相互替换。ZigBee HomeAutomation Public Application Profile规定了智能家居中的照明设备、采暖通风空调设备、自动窗帘和报警装置的设计规范。本文的无线智能照明系统就是在这个Profile的基础上实现的。

Z-Stack提供了丰富的函数调用接口，其中用于发送数据报的函数如下：

其他具体的程序设计在这里不做一一阐述。

3 无线智能照明系统的实验结果

在一个两室两厅的套房中布置1套基于ZigBee技术实现的无线智能照明系统的实验网络，其网络结构如图2所示。

在每盏灯中都集成有ZigBee模块，其中协调器节点是必需的。在其他地方，根据是否需要路由功能，可以配置为路由器或者终端节点。因为协调器节点和路由器节点具有路由功能，协议栈容量较大，所需的FLASH空间较大，芯片的成本也较高，因此只把需要给其他节点路由转发数据报的节点配置为路由器节点，其他节点则都配置为终端节点，以降低成本。室内所有的照明灯组成一个ZigBee网络，由协调器完成对所有照明灯的控制。可以对网络中的照明灯单个分别进行控制，也可以把所有的照明灯作为一个整体，进行同时控制；实现了对照明灯的简单开关控制和256级的调光控制；既可以设置成手动控制模式，也可以设置成自动控制模式，由协调器根据亮度感测器和震动感测器返回的亮度信息和震动信息，自动发送控制命令，完成对所有照明灯的控制。系统设计成本低廉，可靠性高、响应速度快、智能化程度高，是不断发展的电子信息技术在照明领域中的应用，必将带来照明技术的革新。

4 结语

随着计算机技术、通信技术、控制技术的发展和人们物质生活水平的提高，家居智能化正成为国内外的一个研究热点。基于ZigBee技术的无线智能照明系统目前主要应用在智能大厦和高档住宅。但是，随着技术水平的不断完善，相关产品的价格会逐步降低，巨大的民用市场将是最终的发展方向。该系统在提高照明系统的信息化、智能化程度的同时，对节约电能的消耗也起到了很大的作用，符合国家节能减排的发展战略。