基于Zigbee技術(shù)的室內(nèi)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

　　1. 引言

　　隨著科技的進(jìn)步，人們對(duì)通信技術(shù)的要求也不斷增長(zhǎng)，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(yīng)用比較廣泛的有Bluetooth（藍(lán)牙）、ZigBee、Wi-Fi、WiMAX、無(wú)線(xiàn)USB 和UWB 等。

　　ZigBee 的協(xié)議構(gòu)架是建立在IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上的。IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)定義了ZigBee 物理層（PHY）和媒體訪問(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(yīng)用層（APL）和安全服務(wù)規(guī)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(shù)據(jù)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(yīng)用到工業(yè)控制、智能家居、醫(yī)療護(hù)理、智能農(nóng)業(yè)、消費(fèi)類(lèi)電子和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域。目前，藍(lán)牙技術(shù)復(fù)雜，應(yīng)用系統(tǒng)費(fèi)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(yīng)用前景。

　　本文按照Z(yǔ)igBee 協(xié)議規(guī)范的要求，設(shè)計(jì)了一套適用于智能家居網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)照明自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)各照明器件的遠(yuǎn)程控制，并可通過(guò)監(jiān)測(cè)室內(nèi)光線(xiàn)的變化調(diào)整電燈的開(kāi)斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)照明的智能控制，同時(shí)也使控制系統(tǒng)的可靠性和靈活性得到提高。

　　2. 基于Microchip ZigBee 協(xié)議棧的室內(nèi)照明自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本文所介紹的室內(nèi)照明自動(dòng)控制系統(tǒng)是 ZigBee 技術(shù)在智能家居中的一種典型應(yīng)用。

　　Microchip ZigBee 協(xié)議棧是在ZigBee 無(wú)線(xiàn)協(xié)議規(guī)范的基礎(chǔ)上定義的，但它不完全符合ZigBee 協(xié)議，不支持群集和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，沒(méi)有安全和訪問(wèn)控制功能，沒(méi)有路由器功能，也不支持一對(duì)多綁定。使用Microchip ZigBee 協(xié)議棧設(shè)計(jì)ZigBee 節(jié)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(jī)，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(tǒng)構(gòu)建的是一個(gè)星狀網(wǎng)絡(luò)，即由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和若干終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的主從網(wǎng)絡(luò)。最先啟動(dòng)的 FFD（全功能設(shè)備）自任PAN 協(xié)調(diào)器，并選擇一個(gè)和其覆蓋區(qū)域內(nèi)的其它PAN不同的標(biāo)識(shí)符作為自己的PAN 標(biāo)識(shí)符。通常在其工作區(qū)域內(nèi)不存在其它PAN 時(shí)，PAN 標(biāo)志符設(shè)置為0。協(xié)調(diào)器可以允許其它FFD 和RFD（精簡(jiǎn)功能設(shè)備）加入網(wǎng)絡(luò)。在星狀網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)之間可以相互發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)，但兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)之間不能進(jìn)行直接通信，如果一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)要向另一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，只能通過(guò)協(xié)調(diào)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?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)可以移植Microchip ZigBee協(xié)議棧的室內(nèi)照明自動(dòng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

　　其中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和所有終端節(jié)點(diǎn)共同構(gòu)成了ZigBee 無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器節(jié)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(jié)點(diǎn)分派網(wǎng)絡(luò)地址，同時(shí)還負(fù)責(zé)通過(guò)串口和上位機(jī)進(jìn)行通信，各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)則是為了實(shí)現(xiàn)具體的開(kāi)關(guān)電燈的功能，并將工作的結(jié)果反饋給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。上位機(jī)除了實(shí)時(shí)監(jiān)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(yuǎn)程智能控制接口，在家庭內(nèi)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(tái)連接到Internet 上的PC 機(jī)控制家里的電器設(shè)備。

　　圖1照明控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

　　3. 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)選用 Microchip 公司的PIC18LF4620 單片機(jī)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(hào)與射頻模塊相連，控制器充當(dāng)SPI 主器件，而射頻模塊充當(dāng)從器件?？刂破鲗?shí)現(xiàn)了IEEE 802.15.4 MAC 層和ZigBee協(xié)議層，射頻模塊CC2420 則實(shí)現(xiàn)了IEEE 802.15.4 物理層和一些MAC 層功能。圖2 為終端節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖：圖3 為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖：

　　圖2 終端節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖

　　圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

　　PIC18LF4620 單片機(jī)和CC2420 射頻模塊的接口電路如圖4 所示：

　　圖4 PIC 單片機(jī)與射頻模塊接口電路

　　終端節(jié)點(diǎn)控制器通過(guò)CC2420 射頻模塊接收來(lái)自協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并按照協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的指示，完成對(duì)繼電器控制，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)各個(gè)電燈開(kāi)關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

　　終端節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)光敏電阻監(jiān)視室內(nèi)光線(xiàn)的變化，當(dāng)光線(xiàn)亮度超過(guò)某一特定值時(shí)，控制器將檢測(cè)到來(lái)自于光敏電阻的輸出信號(hào)的變化，并將這種變化告訴協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器收到信號(hào)后會(huì)重復(fù)前面的操作完成對(duì)電燈的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。這種設(shè)計(jì)適用于墻角落地?zé)簟?/p>

　　協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)鍵盤(pán)上的按鍵發(fā)送控制信號(hào)，開(kāi)斷相應(yīng)終端節(jié)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(jié)點(diǎn)信號(hào)反饋給主節(jié)點(diǎn)。液晶顯示屏用來(lái)顯示各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。