基于ZigBee的无线智能照明系统设计

杨立宏，袁夫全

（中山火炬职业技术学院，广东中山，528436）

关键字：智能照明；无线通信；ZigBee

0 引言

随着科技发展和人们对生活品质的追求越来越高，人们对建筑照明系统提出了新的要求，在满足基本照明需求基础上，还要求控制智能化、操作简单化、节能高效化的要求，传统的灯具照明已经无法满足人们的需求，智能照明由此应运而生。目前智能照明领域主流的通信技术包括KNX、DALI、C-bus、电力载波等有线通信技术，Wifi、ZigBee、Bluetooth、Z-wave、LoRa等无线通信技术。有限通信技术比无线通信技术更可靠和安全，但是布线繁琐、施工困难，一小部分模块损坏可能影响系统的整体运转，扩展移动性也比较差。而无线通信技术具有全自动组网、连接方便、随身控制、操作方便、拓展性强等诸多优点。在智能家居照明中，WiFi、ZigBee、LoRa等无线通信技术成为主角。

1 三种无线通信技术比较

Wifi在智能照明发展初期，因为普及率较高，又有无需网关的优点，但其功耗高、节点少，比较适用于单品和少数灯具，并不适用于大范围的智能照明，后期增长乏力。Lora无线传输具有低功耗，传输距离远等优势，LoRa模块成本低，易于建设和部署，但随着LoRa设备和网络部署的增多，其相互之间会出现一定的频谱干扰。ZigBee具有高保密性、强稳定性、低功耗、强大的组网能力，低成本的优势，是目前风头最劲、最受关注的无线通信技术，它适用于商业、工业、家居、道路照明等众多领域。

2 ZigBee无线智能照明系统组成

本文介绍以ZigBee无线传输组网的智能照明系统，智能照明系统由移动控制端、无线路由器、ZigBee网关和终端节点组成，如图1所示。

图1 智能照明系统组成

ZigBee网络有三种网络拓扑结构：星型结构、树状结构和网状结构，星型拓扑网络结构包括一个协调器和多个终端，没有路由。本项目主要针对家庭智能照明，距离比较近，终端节点比较少，所以采用星型网络。图1中右侧有多个ZigBee终端节点，每个ZigBee终端节点通过LED驱动和调光电路可以接入若干个LED灯，并可实现独立控制。ZigBee终端节点通过ZigBee网关接入到局域网或者互联网，可以通过手机或者PC机对终端节点的LED灯进行控制。由于ZigBee网络不能直接接入到互联网，ZigBee网关则是将ZigBee的数据协议转换成以太网协议，从而能够接入到互联网。如果要实现远程控制，则家庭网关还需要通过无线路由器接入因特网，这样在任何有网络的地方就可以控制LED灯了。

3 ZigBee网关设计

网关中的ZigBee也是ZigBee网络的协调器，是整个智能照明系统的核心，协调器除了负责无线网络的组网及配置，同时还接收各终端节点所发送的数据以及下发控制命令。ZigBee网关具有连接容量大、功耗低等优点。本文ZigBee模块核心芯片为CC2530，由于CC2530本身也是一个单片机，带有USART、SPI等通信功能，因此直接用CC2530芯片通过USART控制以ESP8266为核心的WiFi模块。这样网关主要包含以CC2530为核心的ZigBee和以ESP8266为核心的WiFi，可以大大降低网关的成本。ZigBee网关结构图如图2所示：

图2 ZigBee网关

图2中ZigBee和ESP8266的WiFi模块通过串口的RX和TX进行连接，实现数据的交互，CH_PD管脚为ESP8266的选通管脚，当该脚为高电平时，WiFi模块正常工作，当该脚为低电平时，WiFi模块关机。ZigBee协调器程序流程图如图3所示。

图3 ZigBee协调器程序流程图

图3中，系统初始化在协议栈的ZMain.c文件中完成，主要完成时钟初始化、系统定时器配置，芯片各硬件初始化，Flash存储初始化，形成节点MAC地址、初始化mac层、应用框架层以及初始化操作系统等操作。组建网络由协调器发起。在Zstack中，网络组网是从ZDApp_Init函数开始的，具体的执行流程为：Main()->osal_init_system()->osalInitTasks()->ZDApp_Init()。初始化完成后进行信道扫描，以递增的方式对所测量的能量值进行信道排序，选择可允许能量水平的信道并标注这些信道是可用信道。最后设置网络ID，在找到合适的信道后，协调器将为网络选定一个网络标识，这个标识ID在所使用的的信道中必须是唯一的，不能和其他ZigBee网络冲突。组网完成后ZigBee网关如果接收到终端节点发来的信息，判断数据是否有效，如果无效则重新等待接收，如果有效则通过串口发送给WiFi模块，数据通过路由器传输到手机终端及云平台，从而完成数据的上传。手机下发的指令则通过WiFi模块传输给协调器，协调器接收将该信息下发到ZigBee终端节点，完成对LED灯的开关及调光控制。

4 移动端APP设计

移动端APP可以通过Wifi实现和网关的通信，APP主要实现网络连接、LED控制以及状态显示等。APP控制端各界面如4图所示。

图4 手机APP各页面设计

如图4为APP各控制界面，在APP首页登录路由器的IP和端口号，连接到路由器。第1张图为主页面，主页面显示了所有终端节点，点击对应的图标进入到第2张图和第3张图等的页面进行对应控制，在该页面点击灯的图标可以打开或者关闭LED灯，在打开状态下可以拖动亮度调节下的滑块调节亮度，拖动色温调节下的滑块调节色温。另外如果手动开关对灯进行控制时，灯图标的状态也会随着开关的变化而变亮或者灭。

5 结束语

随着近几年智能照明系统的普及，ZigBee以其具有高保密性、强稳定性、低功耗、强大的组网能力而在无线智能照明系统中异军突起。本文利用ZigBee技术设计了室内智能照明系统，提高了照明智能化，也节省了电能。测试表明，本系统工作稳定，具有良好的发展前景。