基于ZigBee通信的大型灯光控制系统设计

娄海峰, 王亚刚, 王　凯

(1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2.上海出版印刷高等专科学校，上海 200093)



基于ZigBee通信的大型灯光控制系统设计

娄海峰1, 王亚刚1, 王凯2

(1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2.上海出版印刷高等专科学校，上海 200093)

针对于当前复杂灯光控制系统安装布线以及后期管理维护的不便的问题，提出了一种基于ZigBee无线通信技术的大型灯光智能控制系统设计方案。该设计主要由ZigBee无线驱动设备、网关设备和上位机界面组成，驱动设备与网关设备使用ZigBee通信，实现设备组网。其中上位机界面是基于Niagara平台实现的，提供了Web接口，通过浏览器可以访问系统控制界面，实现了物联网与互联网的联通。

ZigBee；灯光控制；Niagara；物联网；互联网

传统的灯光控制系统，大多是依赖离线的控制装置通过有线传输方式将控制信息传送至驱动设备，实现部分控制功能。这种方法存在诸多缺点：(1)有线传输方式布线的过程繁杂，尤其是在大型的灯光控制系统中，如仓库、楼宇等；(2)在对原有系统进行调整时，有线设备不灵活；(3)离线控制装置导致管理人员对系统监控的时间和地点都是固定的，这会导致不便。而采用本系统提供的解决方案将大幅提高灯控系统部署的灵活性，方便了整个系统的管理与维护，实现了移动式的管理策略。

1　ZigBee无线通信协议研究

ZigBee协议栈是在IEEE802.15.4标准基础上建立的，IEEE802.15.4只定义了协议的MAC和PHY层[1]。ZigBee设备应包括IEEE802.15.4(该标准定义了RF射频以及与相邻设备之间的通信)的PHY和MAC层，以及ZigBee堆栈层：网络层(NWK)、应用层和安全服务提供层。

ZigBee网络中有3种不同的设备类型：协调器(C)，路由器(R)和终端设备(E)[2]。在ZigBee网络中，协调器必须选择一个网络ID(PANID，64bit和16bit)和一个信道启动起一个网络，之后它的功能与路由器一样。协调器设备和路由器设备可以设置入网权限，欲加入网络的设备必须经过权限验证。终端设备加入网络后，只能连接在唯一的路由器或协调器上，所连接的设备称为其父节点，父节点是唯一的，终端设备发送和接收数据必须通过父节点。当终端设备进入睡眠状态前，会将一些需保存的信息存放至父节点，直到终端设备脱离睡眠状态。

ZigBee网络层支持3种网络拓扑结构：星型，树型和网状网络[3]。在网状网中，每个设备在网络中的位置是对等的，任何两个设备间都可以相互传输数据。这种网络拓扑结构中，数据从源设备到目的设备的过程是可以经过多个路由设备转发进行一步步传输的，这种传输通常称为多跳式传输[4]。多跳式传输的优点在于增加了网络规模，从而扩大了覆盖范围。因为ZigBee联盟没有给出网络层的路由协议，所以用户可以根据自身需要灵活使用的组网方式。

图1　ZigBee网络拓扑图

本设计中需要网络覆盖的面积较大，所以使用网状网。其中网关设备的ZigBee节点担任协调器的功能，终端设备中的ZigBee节点担任路由器的功能，可作为传输数据的中间介质，以扩大网络的覆盖面积，没有使用终端节点。

2　系统总体设计

系统运用ZigBee技术实现了LED驱动联网的功能。网关设备组建网络，并管理所有加网的终端设备，利用ZigBee网络的能够扩展的特性增大网络的覆盖范围。同时提供Modbus通信功能，可以将各个终端设备的信息存储在Modbus寄存器中，供上位机实时查询。

图2　系统结构图

终端设备主要提供两种功能，一种是LED驱动终端，接收控制信号，实现驱动可调；另一种是传感器终端，用来采集亮度信息。上位机使用Niagara平台，包括硬件Jace和软件平台，在其软件平台上实现Web开发，管理者通过浏览器可监测灯控系统。

3　终端设备设计

ZigBee模块采用Ember公司的EM250芯片，在该芯片中下载了完整的ZigBee协议栈，并且提供了一些外围资源，合并称为XBeeZBfirmware。对XBee模块进行配置或者对其固件升级、修改，Digi公司提供免费的软件X-CTU，将XBee模块插入接口板，通过USB转串口连接线连接电脑和接口板，就可以在X-CTU中查找到XBee设备，然后进行相应的参数配置和固件升级。使用通用的串口调试助手也可以对XBee模块进行配置，但没有X-CTU的可视和批量化配置特性。

当配置好XBee的固件后，只需要将VCC，GND，DOUT，DIN引脚与主机设备Arduino的电源和串口进行连接，可以使用Arduino来操作XBee模块[5]。具体硬件设计结构图如图3所示。

图3　终端设备硬件结构图

Arduino核心控制板与XBee通过UART通信，包括透传模式和API模式。API模式下，数据以帧的形式进入和输出模块，大幅减小了主设备与网络中其他设备的交互的复杂度。本方案采用API模式操作XBee模块。Arduino从串口读到网关发送来的控制指令，在设置好的的引脚输出模拟信号，控制LED驱动输出电压从而调节灯光亮度[6-7]。

图4　终端设备的软件流程图

4　网关设备

网关主要由MCU(Arduino)模块、XBee无线模块和电源电路模块构成。在Arduino中设计了Modbus通信协议[8]，上位机可通过此协议访问Modbus寄存器。

图5　网关硬件结构图

网关中的Arduino的处理器选用ATmega2560，其中串口0作为程序下载和Modbus通信口，使用ATmega16U2访问串口0实现USB上的虚拟串口。其中电源模块可以使用USB直接供电，或者使用5V电源，并且使用LP2985-33DBVR电源芯片输出3.3V供XBee模块使用。另外，Arduino通过I2C接口与液晶通信，控制液晶显示Modbus通信相关的提示信息，方便用户对网关进行配置。网关设备的软件程序流程如图6所示。

图6　网关软件流程图

5　上位机软件设计

系统采用Niagara平台设计上位机控制界面。Niagara框架采用基于Baja标准发[9-10]。其拥有的Web功能使得Niagara框架具有良好的前瞻性。图7是在Niagara平台上开发设计的一种灯光控制界面。首先要加入Modbus驱动设备，选择相应的硬件接口，按照Modbus寄存器定义表来绑定每一盏灯，实现界面上灯与实际设备的一一对应。同时按照区域划分，分成两块实现批量控制。

此界面通过PC端的浏览器和移动端的浏览器都可以访问，从而实现了物联网和互联网的连接，管理人员可通过此界面来监控整个灯控系统。

系统运行前将网关设备连接至电脑，通过上位机软件发送设备加网命令，终端设备分别加入已启动的网络中，并获取各自的逻辑地址。此逻辑地址与上位机界面中各个灯的编号一一对应。图8是设备加网的整个过程。

图7　上位机界面

图8　设备加网

6　结束语

ZigBee通信技术在物联网上的应用优势明显。首先，在物联网中传输的信号大多是控制信号或传感器采集的数据信号，这些信号要求的带宽和传输速率并不太高；其次，ZigBee通信距离可扩展性是可适应实际项目的需求，本文设计的灯控网络覆盖面积达一万余平米，传感器数据信息需要经过多次路由才可到达数据采集中心；最后，采用ZigBee通信技术的成本相对于WiFi和Bluetooth还是相对低的。

本文从实际应用出发，在了解到现有灯光控制系统的缺点后，运用ZigBee无线通信技术完成LED灯光驱动的联网功能，实现了控制信号无线传输，同时设计了网关设备，实现了ZigBee通信协议至Modbus通信协议的转换，利用Niagara平台将上位机控制界面移动到网页上，实现Web访问，在此系统上稍加改动便可适应多种物联网系统的设计与开发。

[1]王静霞. 一种与ZigBee/802.15.4协议兼容的RF模块XBee/XBeePro及其应用[J]. 电子工程师, 2007, 33(3):24-27.

[2]赵淳臣,王亚刚,王凯. 基于ZigBee协议的工业无线网关的设计[J].自动化仪表，2013，34(2)：89-91.

[3]彭瑜. 低功耗、低成本、高可靠性、低复杂度的无线电通信协议—ZigBee[J]. 自动化仪表, 2005, 26(5):1-4.

[4]王希娟.LED照明智能控制系统设计[J].制造业自动化装置, 2012, 33(12): 128-131.

[5]蔡睿妍.Arduino的原理及应用[J].电子设计工程, 2012, 20(16):155-157.

[6]程安宁，王晋，尚相荣. 白光LED的PWM驱动方式分析[J]. 电子设计工程,2010, 18(2): 109-11

[7]缑新科,王娟.基于单片机的LED室内照明控制系统[J].工业仪表与自动化装置, 2013(1):36-38.

[8]王昊辰.高校教学楼智能灯光控制系统设计[D]. 石家庄：河北科技大学,2014.

[9]顾重阳,王亚刚.物联网技术在楼宇空调系统中的应用[J].系统仿真技术,2015,11(1):69-74.

[10]蔡杰杰,王亚刚,沈进. 基于Niagara平台的太阳能热水器智能控制系统[J].电子科技, 2015，28(11)：110-112.

Design of a Large-scale Lighting Control System Based on ZigBee

LOUHaifeng1,WANGYagang1,WangKai2

(1.SchoolofOptical-ElectricalandComputerEngineering,UniversityofShanghaiforScience&Technology,Shanghai200093,China;2.ShanghaiPublishingandPrintingCollege,Shanghai20093,China)

Theexitingsolutionofcomplicatedlightingcontrolsystemisinflexible.Thispaperprovidesasolutionofalarge-scalelightingcontrolsystembasedonZigBeecommunication.Thesolutionincludesthedesignofend-device,thegateway,andtheuserinterface.Theend-devicesandthegatewayjointheZigBeenetworktocommunicatewitheachotherovertheair.TheuserinterfaceisdesignedontheNiagaraplatformwhichprovidestheWebinterface.Thus,thisuserinterfaceisavailableinbrowserbothonPCandmobilephone.

ZigBee;lightingcontrol;Niagaraplatform;internetofthings;internet

2015- 12- 27

娄海峰(1991-)，男，硕士研究生。研究方向：无线传感器网络。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.09.035

TN926+.23;TP273

A

1007-7820(2016)09-129-04