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基于ZigBee的室内智能照明系统设计
作者：章洁 秦会斌 毛祥根 来源：《物联网技术》2013年第09期
摘 要：为了改进传统室内照明系统存在的布线复杂、节能效果差、不易智能控制等缺点，分析了基于ZigBee技术的室内照明系统的设计和实现方法。该系统的硬件设计基于支持ZigBee的SoC芯片CC2530，软件设计则采用TI公司的Z-Stack协议。系统可以通过PC机上的上位机界面实现对灯节点的单控、组控、全控以及调光控制，并具有耗电小，成本低、无需布线和安装方便简单等特点。
关键词：ZigBee；智能照明系统；CC2530；Z-Stack
中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2013）09-0022-03 0 引 言
随着现代科学技术的发展，人们对生活水平的追求越来越高。智能家居早已为大众所熟知，而智能照明系统作为智能家居的应用之一，越来越受到人们的重视。室内照明系统主要实现对住宅内外的灯光的各种智能控制和管理功能，具体的说主要实现对灯的单控、组控、全控以及无线遥控控制和多时段定时控制。ZigBee技术作为新兴的近距离无线通信技术之一，具有近距离、低速率、低功耗和稳定性高等优点，非常适合在照明系统中应用[1]。本文提出基于ZigBee技术的智能照明系统。该系统由若干个节点以自组网的形式组成，每个节点都可通过感知外部光强信息的变化情况，能够自适应地调节亮度，并可通过PC上的控制界面对每个节点进行智能控制。 1 ZigBee技术简介
ZigBee技术[2]是一种短距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术，它是介于无线标记和蓝牙之间的技术方案，具有自己的无线电标准，即IEEE 802.15.4（ZigBee）技术标准[3]。这是IEEE无线个人区域（Personal Area Network，PAN）工作组所规定的一项标准，主要适用于数据吞吐量小、网络建设投资小、安全要求高、耗电低的场合。从技术性能来看，ZigBee具有低功耗、短延时、短距离、高安全、低速率、覆盖范围广、网络容量大等特点，并且具有廉价的市场定位，非常适合在照明系统中应用[4]。
ZigBee技术网络有三种网络拓扑结构：星型结构、树状结构和网状结构[5]。星型拓扑结构包括一个协调器和多个终端，没有路由；树状拓扑结构就是一个协调器和终端距离比较远，需要加路由的星型网；网状拓扑结构中，协调器、路由、终端都可以通信。在本系统中，采用网状结构。
2 系统的总体框架
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室内智能照明系统由一个协调器、若干个终端设备、多个手持的无线遥控器以及PC上位机界面等四个部分组成。协调器在该系统的作用是启动和配置网络。协调器可以保持间接寻址用的绑定表格，支持关联，同时还能设计信任中心和执行其他活动。一个ZigBee网络只允许有一个ZigBee协调器，终端节点最多可达65 536个[6]。协调器在系统中扮演命令的发送者和数据的收集者。协调器通过串口与PC机相连，在接收到来自PC的控制命令后，通过自己组建的ZigBee网络发送给指定的节点。当指定的节点接收到来自协调器的命令时，就做出指定的动作，并反馈给协调器。当协调器接收到来自终端的数据信息时，就会通过串口传给PC机。无线遥控器可以在室内的任何地方发送控制指令来控制一盏或多盏灯，使得整个照明系统更灵活。协调器主要有CC2530+CC2591模块、串口模块，终端节点主要有CC2530+CC291模块、LED控制模块、温度检测模块以及光强检测模块。图1所示就是系统总体框架。 图1 系统总体框架 3 终端控制节点设计
终端节点模块的硬件框图如图2所示。它包括光强检测模块、继电器控制模块和PWM输出模块。光强检测模块使用的传感器是光敏电阻，选用的是新型单片测光芯片BH1750[7]，较好地解决了传统测光系统的弊端。BH1750是半导体制造商ROHM为适应以移动电话手机为首的便携式机器和液晶要求而开发的具有优良光谱灵敏度特性、16 b串行输出的单片数字照度传感器。BH1750与CC2530之间的通信使用标准的IIC通信协议[8]。BH1750与CC2530的电路连接图如3所示。BH1750的3脚和5脚分别与CC2530的P0_1口和P0_0口相连，R1与R2为上拉电阻。
图 2 终端节点的结构示意图 图3 BH1750电路连接图
终端控制模块包括继电器模块和PWM模块。继电器模块利用三极管来放大驱动能力，通过CC2530上的IO口输出高低电平来控制继电器开合或者断开，从而实现对LED的开关。PWM模块可以控制LED灯的亮度，CC2530芯片可以输出频率为200 Hz，占空比可以从1%～100%的可调的PWM波。
无线遥控模块[9]是基于终端控制节点设计的，它可自动搜寻ZigBee网络，并加入到网络中建立通信关系，使自己成为其中的一个节点，进而对整个照明系统进行遥控。遥控节点模块由PIC16F886单片机读取4×4键盘的值，通过串口发送给CC2530+CC2591模块，然后发送给协调器，协调器发给需要控制的灯的节点。 4 软件设计
软件设计包括上位机的设计和下位机的设计。下位机又包括协调器软件设计和终端节点的软件设计。
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界面包括每个节点灯的状态显示，用户的控制操作。控制操作包括5种模式：整幢楼同时开关，整层楼同时开关，整个房间同时开关，单个灯的开关，单个灯的PWM控制。界面设计的流程如图4所示，图5所示则是上位机的界面图。 图4 界面流程图 图5 上位机界面图
本系统中协调器的两大主要功能是建立网络和进行网络管理。ZigBee协调器主要负责建立ZigBee网络、分配网络地址和维护绑定列表。协调器通过扫描一个空闲信道来创建一个新的网络，维护一个目前连接设备的网络列表，支持独立扫描程序来确保以前的连接设备能够重新加入网络。轮询程序一直扫面串口函数，当串口有数据发送过来时，先判断是控制指令还是数据接收指令。如果是控制指令，则发送给指定的终端节点；如果是数据接收指令，则将数据传给上位机界面。协调器的软件流程图[10]如图6所示。 图6 协调器的软件流程 图7 终端节点的软件流程
终端节点的任务主要是接收来自协调器的指令，并根据这些指令执行相关的操作。它会一直采样光强值，并能够实时根据光强值，改变输出PWM值，每次改变都会反馈给上位机。终端节点会采样电池的电压，当电压低于2.2 V时，发送消息给上位机界面，提醒用户更换电池。终端节点的软件流程图如图7所示。 5 结 语
本文利用ZigBee技术设计的室内照明系统，实现了灯光的单控、组控、全控和自适应调节，提高了照明系统的智能化，大大降低了照明的能耗。测试结果表明，本系统工作稳定，运行效果良好，具有很好的发展前景。 参 考 文 献
[1]熊少义，钟洪生.ZigBee无线自组网的LED节能灯控制系统[J].新器件新技术，2011（6）：46-48.
[2]周晓伟，蔡建平，郑增威，等.新型室内照明智能控制系统的研究与实现[J].计算机应用研究，2009，26（8）： 2977-2981.
[3]ZigBee Alliance. IEEE 802.15.4 [S]. USA： ZigBee Alliance， 2006.
[4]李文仲，段朝玉. ZigBee2007/pRO协议栈实验与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.