基于zigbee的家居照明系統研究

王莎莎 郭威娜 程銳涵 孫 林

（河北聯合大學 信息工程學院，河北 唐山 063009）

0 引言

ZigBee是一種新興的專為低速率無線傳輸而設計的低成本、低功耗的短距離無線通信技術。Zigbee技術相對于其他技術而言出現較晚，其規范及應用仍在不斷的完善和發展之中，現今，已經能夠廣泛的應用于軍事、工業、智能家居等領域。

隨著科技的不斷發展，人們在日常生活中應用的電器越來越多，使用的開關也不斷增多。傳統的機械式手動開關已經無法滿足當今人們追求完美生活的需要。因此遠程無線遙控技術必然會一步步取代傳統手動開關，成為今后生活的主流。

1 Zigbee技術概述

ZigBee協議使用IEEE802.15.4規范作為介質訪問層（MAC）和物理層（PHY）。Zigbee聯盟在此基礎上建立網絡層（NWK）和應用層構架。IEEE802.15.4有兩個PHY層，分別運行在不同的頻率范圍:2.4GHz和915/868MHZ，每個頻帶提供固定數量的信道。MAC層使用CSMA-CA機制來控制無線電信道的訪問。

ZigBee無線網絡可采用星型網絡、點對點網絡、群集或網狀等多種類型的網絡配置。

Zigbee傳感器網絡的節點，路由器，網關，都是由一個單片機和zigbee兼容無線收發器構成的硬件為基礎，再加上由語言代碼寫成的協議軟件構成。

Zigbee無線收發芯片采用Chipcon公司開發的CC2430芯片。CC2430采用IEEE802.15.4標準，利用全球共用的的公共頻率2.4GHz，是世界上第一個真正意義上的SoCZigBee一站式產品之一，具有芯片可編程閃存和通過認證的ZigBee TM協議棧。鑒于其具有低成本、低功耗、節點多和傳輸距離遠等優勢，可廣泛的應用于家庭和樓宇自動化、醫療設施、物流和其他終端市場等。

2 家居照明系統設計

此基于Zigbee的家居照明系統構建的是一個星型拓撲結構構成，每盞燈與其各自的燈具控制終端節點相連，無線控制器作為網絡協調器，可實現對控制終端節點進行相關控制，即一個Zigbee無線遙控器控制n個控制終端節點。

無線遙控器是該系統的控制中心，要接收和處理Zigbee網絡中的數據，根據用戶的操作來控制網絡中各個節點的工作，它包含有ZigBee射頻收發模塊和嵌入式控制系統。各控制終端根據無線遙控器發送過來的控制信息進行相應的操作。

2.1 無線遙控器硬件設計

Zigbee無線遙控器作為網絡協調器需要處理較大數據量，因而本文采用嵌入式微處理器AT89S51作為遙控器的核心處理芯片。

AT89S51是ATMEL公司推出的一款體積小，低功耗，高性能的嵌入式微處理器。它由CPU內核、程序存儲器、數據存儲器、IO口、復位與時鐘、定時器與計數器、終端系統、串行通訊接口、看門狗和ISP在線編程接口組成。兼容MCS-51內核單片機，4Kbytes可在線編程Flash存儲器，可有效擦除/讀寫1000次。

Zigbee收發模塊采用CC2430芯片，CC2430是Chipcon公司推出的用來實現嵌入式Zigbee應用的片上系統。它支持2.4GHz IEEE 802.15.4/Zigbee協議。

各節點通過無線信道連接，Zigbee收發模塊與微處理器模塊通過四線連接，實現無線遙控。對于AT89S51單片機其四個管腳VCC、TXD、RXD、GND， 分別于 CC2430芯片的四個管腳 VCC、RXD、TXD、GND連接。

2.2 燈具控制終端節點的硬件設計

Zigbee無線遙控系統終端節點即燈具控制終端節點是嵌入到各燈具開關電路中。

Zigbee網絡組網成功后，該模塊主要負責接收無線遙控器發出的指令信息，進而控制燈具工作，開關燈具或調整燈光亮度等。燈具控制終端與燈具串聯連接，根據可控硅導通與否來控制燈具開關；另外可控制可控硅的觸發角控制流過燈具的等小電流大小，達到改變燈光亮度的目的。

3 Zigbee系統軟件設計

系統軟件設計使用跟CC2430芯片配套的Z-STACK協議棧和IAR集成開發環境。Z-STACK協議棧運行在一個基于任務調度機制的OSAL操作系統上，OSAL通過觸發任務的事件來實現任務調度。

μC/OS-II是一種基于優先級的占先式實時多任務操作系統，包含了實時內核、任務管理、時間管理、任務間通信同步和內存管理等功能。它可以使各個任務獨立工作，很容易實現準時而且無誤執行，使實時應用程序的設計和擴展變得容易，使應用程序的設計過程大為減化。它的絕大部分的代碼采用C語言編寫的，包含一小部分匯編代碼。它已經被成功的移植在DSP、16/32位MCU上。μC/OS-II在硬件平臺上的移植包括與處理器相關的程序修改和應用程序的添加。本移植編譯工具采用IAR，主機通過JTAG接口連接目標板建立交叉開發調試環境。

其主程序設計首先要對各個芯片初始化，如AT89S51的初始化包括對管腳初始化、串口初始化、定時器初始化等；CC2430的初始化包括對管腳的初始化、芯片復位及內部寄存器的初始化。在主程序初始化后，開始于子系統建立Zigbee網絡，進入循環狀態并進行數據的接收和發送，從而實現對整個系統的管理。

4 結論

本設計是基于Zigbee技術的家居照明系統的研究，實現了軟硬件設計。采用AT89S51微控制器設計的Zigbee無線網絡，具有組網簡單、花費少、擴展網絡容易等優點。而操作系統使用μC/OS-II可簡化程序設計，增強了模塊化程度。這種使用高性能微控制器并結合實時操作系統的構架模式已成為一種發展趨勢，在實際中有很好的應用價值。

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