基于Zigbee无线通信协议的智能灯光控制系统设计

摘要：文章以楼宇自动化中教室照明系统为对象，介绍了以ZigBee为无线通信协议，以STM32W108为处理器，开发的一种基于ZigBee无线通信协议的智能灯光控制系统。该系统主要由智能灯光节点、网关节点和数据中心(主控制室)三个部分组成，其中智能灯光节点通过光亮度传感器和红外线传感器的数据采集，智能调节一定区域内的灯光(系统判定无人的情况下)，并且可以通过无线传感网络转发给网关节点，最后把数据传输到主控制室，从而达到对教室照明系统的智能控制。
关键词：ZigBee协议；STM32W108微处理器；智能灯光节点；光亮度传感器

0 引言
    照明设备在日常生活中是必不可少的，而对于照明系统的控制，一直是楼宇控制系统中至关重要的部分。然而，随着经济的飞速发展，能源短缺问题日益突出，但是目前，在很多大中专院校、企业办公大楼、政府机关单位及医院等一些公共场所，普遍存在着室内无人却“灯火通明”的现象，这种现象造成了严重的资源浪费，节约照明所用的电能已经成为建筑节能的重点，所以智能照明控制系统变得尤为重要。为此，本设计采用了ZigBee无线通信技术组建网络，以高校中一栋大型教学楼为对象，实现对照明系统的智能控制，从而很好地节约了电能的使用。
    ZigBee技术是一种应用于短距离范围内、低传输速率下的各种电子设备之间的无线网络通信技术。ZigBee技术具有成本低、可靠性好、时延短、网络容量大、覆盖范围广等特点。
    对于无线技术，节点的功耗问题一直是限制无线技术发展的主要问题之一，而本设计的一个显著特点是，节点并不是使用电池供电，而是直接取用原有照明系统的电能，这样既解决了无线节点的功耗问题，又不会过多影响原有的照明系统，从而也降低了成本。

1 系统综述
    图1为本设计的整体框图，教学楼中每间教室均至少分布一个终端节点，处在一定区域的多个节点构成一个网络，整栋教学楼有多个这样的网络组成，当分布在终端节点的光亮度传感器和红外传感器采集到数据后，无线发送到处在本区域的全功能节点，全功能节点(FFD)本身具有终端节点的作用，然后再由全功能节点无线发送的协调器(Coordinator)，最后通过有线传送到主控室上位机。

    在本设计中，每一个节点，包括全功能节点、协调器都具有唯一的地址，这样，协调器具有对本网络的管理功能；同样，也可以通过对主控室上位机进行操作，实现对本网络中任一个节点进行参数设定或控制，以达到对全网的控制。
    对于教室的单个节点，当采集到光亮度信息和红外信息后，经MCU处理后，对本节点继电器进行控制，从而实现对室内灯光的控制。

2 系统硬件设计
    本设计主要涉及节点设计和网关设计，以下分别为节点和网关的硬件设计原理。

    本设计节点和网关MCU均采用STM32W108芯片(如图2所示)，该芯片是一个基于ARM Cortex-M3内核的MCU与无线射频(RF)结合的SoC，内部既有一般的MCU通用资源和外设，也有特殊的射频模块。该芯片集成了符合IEEE 802．15.4标准的2.4GHz收发器，具有很强的处理能力。Zig Bee协议栈封装在EM250芯片中，STM32W108通过全双工UART与EM250进行通信，以实现组建无线网络和无线数据传输。
2．1 节点硬件设计
    由图3可知，节点硬件主要分为五个部分：控制器模块、射频模块、电源模块、传感器电路和继电器模块。其中，一控制器模块上面已经说明，采用STM32W108处理器。射频模块主要有3个部分组成：一个外置50／100阻抗匹配变压器，实现STM32W108最佳负荷；一个由电感、电容组成匹配网络，优化RF性能；一个带通滤波器，处理传导谐波。电源模块中，节点用电取自原灯具用电，为220AC转5VDC。传感器模块包含两个传感器，一个是光亮度传感器DLS305I，另一个是红外线传感器器LHI778。继电器模块由AIKS ARM2F-L继电器组成。

2．2 网关硬件设计
    图4为网关硬件设计，与节点硬件不同的是，网关硬件增加了一个RS232／485接口电路，用于与上位机进行通信，能够把全网信息在组态网上显示；两个按键中，一个用于对STM32W108控制器进行复位，另一个用于对RS232／485接口进行切换；另外，LCD显示单元，用于显示系统工作状态、网络建立状态和无线数据发送状态。

3 系统软件设计
    系统主要有节点软件设计和网关软件设计，本文以节点软件设计为例进行说明，节点软件设计主要分为三部分：系统初始化、建立网络和数据处理，当程序开始运行时，首先进行MCU处理器配置、中断等初始化，然后由EM250协议栈建立树形无线网络，这样处在一定区域的节点便形成了子网落hub。然后程序进循环扫描，程序首先等待无线接收数据中断和定时器中断，如果无线接收数据中断产生，则MCU开始处理接收到的无线数据；如果定时器中断产生，程序开始采集传感器数据，然后发送给MCU进行数据处理，之后进行发送无线数据。

4 系统网络拓扑
    ZigBee以一个个独立的工作节点为依托，通过无线通信可组成星形、串(树)形或网状网络。由于本系统中所有节点均为固定节点，每个节点均属于一个特定的网络，所以本设计选择树形网络，如图6所示。

    在树状网络拓扑结构中，有一个唯一的标识符即网络号(PAN标识符)。利用PAN标识符采用16位的短地址进行网络设备间的通信，并可激活网络设备之间的通信。每个网络中都有唯一的一个协调器(Coordinator)，具有对本网络的管理能力。网络中的全功能节点可作路由器。协调器以终端节点来使用，而半功能节点只能用于终端节点使用。

5 结论
    本设计基于ZigBee无线通信协议，对一定区域内的灯光实现智能管理，从而达到节约电能的目的。
    在本设计的验证阶段，以10间教室为实验对象组成一个ZigBee网络，以一个月为实验时间段，然后对主控室所存储的数据进行处理和分析，得出用电情况和用电量；再以一个月为时间段，在不采用本设计的情况下，仍以相同教室为统计对象，得出用电情况和用电量，通过分析比较，得出使用本设计有效地节约了电能的结论，从而验证了本设计的可行性。