Zigbee無線網絡室內智能照明系統

長江大學電子信息學院 涂 亮 李 智 孫先松

引言

目前市場上有多種智能家居情景照明的解決方案，其中利用Zigbee技術組網配合MCU控制的方案因為其成本低、功耗低和易于實現等優點得到廣泛的應用，本文提出來一種利用Zigbee技術組成無線網絡，利用簡化的Ztack協議進行通信，結合無線定位技術，可以對家居中多盞燈進行控制，實現高亮度調節、情景轉換以及同房間實現多個情景的智能控制的目的。

1.無線Zigbee網絡

Zigbee是一種新興的短距離、低速率、低復雜度、低功耗、低成本的無線網絡技術。它是一種介于無線標簽標記技術和藍牙之間的技術方案，主要用于近距離無線連接，具有自己的無線電標準，在數千個微小的傳感器之間互相協調實現通信，這種傳感器只需要很少的能量，一接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，因此可靠性好、時延段、網絡容量大、安全性高、覆蓋范圍廣、通信效率非常高。Zgibee聯盟定義了一套燈光無線控制的規范，這就保證了今后各個生產商的相關產品能夠互聯互通，使ZigBee用于智能照明系統并廣為推廣，有著巨大的市場。

Zigbee采用自組網方式實現組網，這種架構被稱為無線基礎架構的無線局域網，而且對網絡內部的設備數量不加限制，并隨時建立無線通信鏈路。協調器一直處于監聽狀態，新添加的RFD會被及時發現。

2.系統規劃

整個組網采用樹狀簇形與網狀結構相結合的拓補結構，每個房間為一個單元，每個單元內有一個主控器、幾個用戶控制器和多個節點，每個節點由一個LED和終端設備組成。用戶控制器起著收集節點數據和發送計算后的控制信號。由ARM控制核心組成的總控制器控制著多個房間的總體控制。單房間分布圖和整體結構布局如圖1、2。

在功能設計方面，主要有以下幾個功能：

（1）每個單元的單元控器能實現對房間內所以燈進行開啟和關閉以及情景模式亮度控制的功能。

（2）每個單元內的用戶控制器能實時收集終端節點的亮度信息和位置信息，再結合用戶設置的情景模式，通過特定算法對每個終端節點發送不同PWM控制信息以實現單房間不同區域不同情景模式的功能。

（3）總控制器實時顯示和控制某個單元所有單元的照明情況。

3.Zigbee智能照明系統的實現

3.1 硬件設計

無線智能照明系統由4個部分組成：總控制器、單元控制器、用戶控制器和普通節點。普通節點由CC2431模塊與LED組成，主要是接受用戶控制器發來的燈光亮度調節信息。其中CC2431應用電路圖如圖3。

用戶控制器由CC2531模塊、鍵盤輸入模塊、測光模塊和顯示模塊組成，主要功能是利用本身的定位引擎計算出普通節點到自己的位置，加上用戶設定照度值，結合特定算法計算出發給每個普通節點的照度值信息。其功能框圖如圖4。

總控器由ARM模塊、鍵盤輸入模塊、觸摸屏模塊和CC2431模塊組成，主要功能是顯示和控制各個單元的燈照度情況，其功能框圖如圖5。

3.2 軟件設計

軟件設計基于TI公司推出的CC2431芯片配套的Z-Stack協議棧簡化版和IAR集成開發環境。針對Zigbee在家庭網絡方面的應用，Zigbee Alliance制定專門的應用框架，即Zigbee Home Automation Public Application Profile.所謂Profile是對邏輯設備即其接口的描述集合，針對某個特定應用和準則。其目的是讓不同廠家按照一個Profile設計的產品之間可以互相操作、互相交換。Zigbee HomeAutomation Public Application Profile規定了智能家居中照明設備、采暖通風空調設備、自動窗簾和報警裝置的設計規范。本文的無線智能照明系統就是在這個Profile上實現的。

3.2.1 定位技術

CC2431無線定位引擎基于RSSI技術,定位系統由參考節點和盲節點組成。參考節點是一個位于已知位置的靜態節點,這個節點知道自己的位置并可以將其位置通過發送數據包通知其他節點。盲節點從參考節點處接收數據包信號,獲得參考節點位置坐標及相應的RSSI值并將其送入定位引擎,然后可以讀出由定位引擎計算得到的自身位置。由參考節點發送給盲節點的數據包至少包含參考節點的坐標參數水平位置X和豎直位置Y,而RSSI值可由接收節點計算獲得。CC2431用一個定位引擎，定位引擎運行時需要輸入3～8個參考坐標，調用定位函數就可以計算出其他節點距離次節點的距離，下面給出一個定位函數和定位引擎操作流程圖6：

3.2.2 組網與加網

圖1 單房間布局

圖2 網絡分布圖

圖4 用戶節點功能框圖

圖3 CC2431應用電路圖

圖5 總控制器功能框圖

圖6 定位引擎操作流程圖

圖7 單元控制器的軟件流程圖

圖8 普通節點的軟件流程圖

圖9 普通節點照度信息

圖10 系統仿真效果圖

單元控制器扮演路由器或協調器的角色，主要是傳遞總控器的信息或組建網絡。網絡協調器具有建立一個網絡、維護鄰居的設備表、對邏輯網絡地址進行分配、允許設備MAC層/應用層的鏈接或斷開網絡的功能。其軟件流程圖如圖7。

網絡協調器作為中心控制平臺，其任務是首先建立新的網絡，完成組建網絡的工作，接收各網絡節點發送的數據，對數據進行處理，并發送相應的控制信號。在網絡協調器中，先初始化硬件，再初始化協議棧，用于建立新網絡，其網絡新建的程序段如下所示：

普通終端設備作為無限局域網的節點，與用戶控制和單元控制器互相傳遞信息和接受其命令，其軟件流程圖如左圖：

當一個網絡建立成功后，便要考慮路由節點和普通節點如何加入到網絡中去。路由節點和普通節點通過調用aplJoinNetwork()函數加入到協調器建立的網絡中。路由節點和普通節點掃描信道找到協調器并申請加入網絡獲取協調器的地址的同時將自己的地址發送給協調器。網絡加入成功后普通節點則進入休眠狀態，直到有命令或數據發送時才被喚醒。網絡加入程序如圖8：

下面給出普通節點加入網絡的主程序：

4.實驗結果

在網絡組建前，首先要測量普通節點（無線局域網終端設備與LED燈）的照度數據，本系統的普通節點實際測量數據如圖9。

根據實測的普通節點照度數據，將其模型化，結合本系統特定的算法，進行系統級仿真，器效果如圖10。

結語

隨著計算機技術、通信技術、控制技術的發展和人民物質生活水平的提高，家居智能化正成為國內外的一個熱點。基于Zigbee技術的無線智能照明系統目前主要應用在智能大廈和高檔住宅。但是隨著技術水平的不斷完善，相關產品會逐步降低，巨大的民用市場將是最終的發展方向。該系統提高照相系統的信息化、智能化程度的同時，對節約電能的消耗也起到了很大作用，符合國家節能減排的發展戰略。

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