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)，短距離無線通信技術(shù)也隨之產(chǎn)生。

　　如今，各種短距離無線通信技術(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、無線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線通信技術(shù)，ZigBee 技術(shù)擁有著速率低、功耗小、成本低、免許可無線通信頻段、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ZigBee 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，并可通過監(jiān)測(cè)室內(nèi)光線的變化調(diào)整電燈的開斷，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 無線協(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)，沒有安全和訪問控制功能，沒有路由器功能，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，可以是PCB 上的引線形成的天線或單極天線。

　　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)，只能通過協(xié)調(diào)器這個(gè)中間媒介完成。

　　依照Microchip ZigBee 協(xié)議棧的開發(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 無線通信網(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。控制器通過SPI 總線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CC2420 射頻模塊接收來自協(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)電燈開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

　　終端節(jié)點(diǎn)可以通過光敏電阻監(jiān)視室內(nèi)光線的變化，當(dāng)光線亮度超過某一特定值時(shí)，控制器將檢測(cè)到來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)電燈的開關(guān)動(dòng)作。這種設(shè)計(jì)適用于墻角落地?zé)簟?/FONT>

　　協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過鍵盤上的按鍵發(fā)送控制信號(hào)，開斷相應(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)。液晶顯示屏用來顯示各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。

　　4. 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

　　這里涉及到一個(gè)端點(diǎn)綁定的概念。一個(gè)ZigBee 節(jié)點(diǎn)最多可以支持32 個(gè)端點(diǎn)（編號(hào)0~31）和8 個(gè)接口（編號(hào)0~7）。端點(diǎn)0 被保留用于設(shè)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(yīng)用。每個(gè)端點(diǎn)總共有8 個(gè)接口，這樣應(yīng)用在一個(gè)物理信道中最多能有240 條虛擬信道。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)建立并維護(hù)一個(gè)描述各個(gè)端點(diǎn)之間邏輯鏈路的綁定表，并通過源端點(diǎn)和群集ID 來唯一定義一條數(shù)據(jù)鏈路。在本照明系統(tǒng)中，我們給每一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)上的繼電器和協(xié)調(diào)器上的按鍵都分配一個(gè)在節(jié)點(diǎn)內(nèi)唯一的端點(diǎn)號(hào)，并用這個(gè)端點(diǎn)號(hào)來對(duì)這些應(yīng)用對(duì)象進(jìn)行標(biāo)記，通過端點(diǎn)綁定的方法在終端節(jié)點(diǎn)中的繼電器和協(xié)調(diào)器上的不同按鍵之間建立聯(lián)系，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將各個(gè)開關(guān)端點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包發(fā)送到相應(yīng)的端點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)對(duì)分布在室內(nèi)的各個(gè)電燈的控制。

　　4.1 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

　　終端節(jié)點(diǎn)的任務(wù)主要是接收來自協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)并根據(jù)這些數(shù)據(jù)對(duì)相應(yīng)的電燈執(zhí)行開關(guān)操作，并將操作的結(jié)果反饋給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)上點(diǎn)電后掃描所有可用信道來尋找臨近協(xié)調(diào)器，申請(qǐng)加入此網(wǎng)絡(luò)。由于選用電池供電，因此要保證終端節(jié)點(diǎn)的低功耗，設(shè)計(jì)中采用定時(shí)喚醒的方式連接服務(wù)器，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，其它時(shí)間則進(jìn)入休眠模式，以達(dá)到終端節(jié)點(diǎn)的功耗最低。終端節(jié)點(diǎn)的程序流程圖如圖5 所示。

圖5 終端節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)流程圖

　　4.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

　　作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)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(diào)器主要負(fù)責(zé)建立ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，分配網(wǎng)絡(luò)地址和維護(hù)綁定列表。協(xié)調(diào)器通過掃描一個(gè)空閑信道來創(chuàng)建一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)，維護(hù)一個(gè)目前連接設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)列表，支持獨(dú)立掃描程序來確保以前的連接設(shè)備能夠重新加入網(wǎng)絡(luò)