Zigbee无线网络室内智能照明系统

长江大学电子信息学院 涂 亮 李 智 孙先松

引言

目前市场上有多种智能家居情景照明的解决方案，其中利用Zigbee技术组网配合MCU控制的方案因为其成本低、功耗低和易于实现等优点得到广泛的应用，本文提出来一种利用Zigbee技术组成无线网络，利用简化的Ztack协议进行通信，结合无线定位技术，可以对家居中多盏灯进行控制，实现高亮度调节、情景转换以及同房间实现多个情景的智能控制的目的。

1.无线Zigbee网络

Zigbee是一种新兴的短距离、低速率、低复杂度、低功耗、低成本的无线网络技术。它是一种介于无线标签标记技术和蓝牙之间的技术方案，主要用于近距离无线连接，具有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间互相协调实现通信，这种传感器只需要很少的能量，一接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，因此可靠性好、时延段、网络容量大、安全性高、覆盖范围广、通信效率非常高。Zgibee联盟定义了一套灯光无线控制的规范，这就保证了今后各个生产商的相关产品能够互联互通，使ZigBee用于智能照明系统并广为推广，有着巨大的市场。

Zigbee采用自组网方式实现组网，这种架构被称为无线基础架构的无线局域网，而且对网络内部的设备数量不加限制，并随时建立无线通信链路。协调器一直处于监听状态，新添加的RFD会被及时发现。

2.系统规划

整个组网采用树状簇形与网状结构相结合的拓补结构，每个房间为一个单元，每个单元内有一个主控器、几个用户控制器和多个节点，每个节点由一个LED和终端设备组成。用户控制器起着收集节点数据和发送计算后的控制信号。由ARM控制核心组成的总控制器控制着多个房间的总体控制。单房间分布图和整体结构布局如图1、2。

在功能设计方面，主要有以下几个功能：

（1）每个单元的单元控器能实现对房间内所以灯进行开启和关闭以及情景模式亮度控制的功能。

（2）每个单元内的用户控制器能实时收集终端节点的亮度信息和位置信息，再结合用户设置的情景模式，通过特定算法对每个终端节点发送不同PWM控制信息以实现单房间不同区域不同情景模式的功能。

（3）总控制器实时显示和控制某个单元所有单元的照明情况。

3.Zigbee智能照明系统的实现

3.1 硬件设计

无线智能照明系统由4个部分组成：总控制器、单元控制器、用户控制器和普通节点。普通节点由CC2431模块与LED组成，主要是接受用户控制器发来的灯光亮度调节信息。其中CC2431应用电路图如图3。

用户控制器由CC2531模块、键盘输入模块、测光模块和显示模块组成，主要功能是利用本身的定位引擎计算出普通节点到自己的位置，加上用户设定照度值，结合特定算法计算出发给每个普通节点的照度值信息。其功能框图如图4。

总控器由ARM模块、键盘输入模块、触摸屏模块和CC2431模块组成，主要功能是显示和控制各个单元的灯照度情况，其功能框图如图5。

3.2 软件设计

软件设计基于TI公司推出的CC2431芯片配套的Z-Stack协议栈简化版和IAR集成开发环境。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是对逻辑设备即其接口的描述集合，针对某个特定应用和准则。其目的是让不同厂家按照一个Profile设计的产品之间可以互相操作、互相交换。Zigbee HomeAutomation Public Application Profile规定了智能家居中照明设备、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上实现的。

3.2.1 定位技术

CC2431无线定位引擎基于RSSI技术,定位系统由参考节点和盲节点组成。参考节点是一个位于已知位置的静态节点,这个节点知道自己的位置并可以将其位置通过发送数据包通知其他节点。盲节点从参考节点处接收数据包信号,获得参考节点位置坐标及相应的RSSI值并将其送入定位引擎,然后可以读出由定位引擎计算得到的自身位置。由参考节点发送给盲节点的数据包至少包含参考节点的坐标参数水平位置X和竖直位置Y,而RSSI值可由接收节点计算获得。CC2431用一个定位引擎，定位引擎运行时需要输入3～8个参考坐标，调用定位函数就可以计算出其他节点距离次节点的距离，下面给出一个定位函数和定位引擎操作流程图6：

3.2.2 组网与加网

图1 单房间布局

图2 网络分布图

图4 用户节点功能框图

图3 CC2431应用电路图

图5 总控制器功能框图

图6 定位引擎操作流程图

图7 单元控制器的软件流程图

图8 普通节点的软件流程图

图9 普通节点照度信息

图10 系统仿真效果图

单元控制器扮演路由器或协调器的角色，主要是传递总控器的信息或组建网络。网络协调器具有建立一个网络、维护邻居的设备表、对逻辑网络地址进行分配、允许设备MAC层/应用层的链接或断开网络的功能。其软件流程图如图7。

网络协调器作为中心控制平台，其任务是首先建立新的网络，完成组建网络的工作，接收各网络节点发送的数据，对数据进行处理，并发送相应的控制信号。在网络协调器中，先初始化硬件，再初始化协议栈，用于建立新网络，其网络新建的程序段如下所示：

普通终端设备作为无限局域网的节点，与用户控制和单元控制器互相传递信息和接受其命令，其软件流程图如左图：

当一个网络建立成功后，便要考虑路由节点和普通节点如何加入到网络中去。路由节点和普通节点通过调用aplJoinNetwork()函数加入到协调器建立的网络中。路由节点和普通节点扫描信道找到协调器并申请加入网络获取协调器的地址的同时将自己的地址发送给协调器。网络加入成功后普通节点则进入休眠状态，直到有命令或数据发送时才被唤醒。网络加入程序如图8：

下面给出普通节点加入网络的主程序：

4.实验结果

在网络组建前，首先要测量普通节点（无线局域网终端设备与LED灯）的照度数据，本系统的普通节点实际测量数据如图9。

根据实测的普通节点照度数据，将其模型化，结合本系统特定的算法，进行系统级仿真，器效果如图10。

结语

随着计算机技术、通信技术、控制技术的发展和人民物质生活水平的提高，家居智能化正成为国内外的一个热点。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，相关产品会逐步降低，巨大的民用市场将是最终的发展方向。该系统提高照相系统的信息化、智能化程度的同时，对节约电能的消耗也起到了很大作用，符合国家节能减排的发展战略。

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