基于ZigBee技术的智能照明系统设计

引言

随着现代科学技术的发展和人们生活水平的提高，智能 家居、家庭自动化等早已为大众所熟知，而智能照明系统作为 家庭自动化的应用之一，具有广阔的应用前景。目前，传统照 明存在着一系列缺点,如发光效率低、使用寿命短、布线麻烦、 系统可扩展性差,远远不能满足现代社会对高效、自动化和节 能照明技术的现实需求。针对传统照明系统的不足，采用无线 通信技术是实现智能照明系统的理想选择。ZigBee技术作为 一种新兴的近距离无线通信技术，具有短距离、低功耗、低 速率和高可靠性等特点，因而是无线智能照明系统的最佳解决 方案。为此，本文设计了一种基于ZigBee无线网络技术的智 能照明系统，该系统采用ZigBee无线网络定位技术，房间内 的每个照明设备就是一个无线节点，系统可实现自组网，无线 遥控节点可以整体对室内照度设置几种默认的工作模式和整体任意调节亮度，也可以选择任何单个灯节点进行照度调节 以及开关控制；将遥控节点放在室内某一位置，并设置一定 的照度值，该位置就能达到相应的照度值，而不影响其他区 域的照度，从而实现对室内照明的智能控制。

1  ZigBee 技术

ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据率的无线 组网通信技术，ZigBee技术是介于无线标记和蓝牙之间的技 术方案工作组，主要用于近距离无线连接，而且具有自己的无 线电标准，即IEEE 802.15.4 (ZigBee)技术标准，这是IEEE 无线个人区域(Personal Area Network，PAN)工作组所规 定的一项标准。ZigBee技术主要具有低功耗、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。一个基于 ZigBee的无线个域网(WPAN)能支持高达254个节点。如 果外加一个全功能器件，也可实现双向通信。ZigBee采用自 组网方式实现组网，在整个网络范围内，节点之间以接力的方 式通过无线电波来实现通信，通信效率非常高。

2  系统硬件设计

2.1  无线节点模块

本系统中的无线节点模块采用的微控制器为CC2431。 CC2431是TI公司推出的带硬件定位引擎的片上系统(SoC) 解决方案，能满足低功耗ZigBee/IEEE 802.15.4无线网络应用 需要。CC2431内部集成有增强型8051和2.4 GHz DSSS (直 接序列扩频)RF射频收发器核心，因而所需要的外围元件 很少，具有优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性能。处 于休眠模式时，整个芯片的流耗小于0.9卩A,可从硬件上支 持CSMA/CA机制，还集成有ADC、AES安全协处理器和 USART等片上外设及丰富的I/O 口资源。无线节点模块的硬 件结构框图如图1所示，图中，微控制器输出的PWM控制信 号经过光耦隔离控制接口后，再通过调光模块或继电器，就 可以实现LED照明灯的开关、256级调光等功能控制。

图1     无线节点硬件框图

2.2  LED调光模块

系统中的LED驱动电路原理图如图2所示，其中的 HV9910是一个高效PWM LED驱动控制集成电路，它使用 高压隔离连接工艺，能经受高达450 V的浪涌输入电压的冲 击，它在输入电压从直流8~450 V范围内，都能有效驱动高亮 LED。该芯片能以高达300 kHz的固定频率驱动外部MOSFET， 其频率由外部电阻设置决定。为了保证亮度恒定并增强LED的 可靠性，外部高亮LED串采用恒流控制方式，其恒流值由外部 取样电阻值决定，变化范围可以从几毫安到1 A。一个LED串 的输出电流可以被设定在0到它的最大值之间的任何值，且由 输入到HV9910的线性调光器的外部控制电压所控制。另外, HV9910也提供有一个低频的PWM调光功能，能接收外部几千 赫兹的控制信号，以便在0〜100%的占空比下进行调光。

图2     LED驱动电路原理图

2.3   无线遥控模块

遥控模块是ZigBee网络中所需要的无线手持设备，可自 动捜寻ZigBee设备，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 点硬件框图如图3所示，遥控节点将键盘信息传至网络协调器 后，网络协调器将响应相应的控制状态，并发送至终端无线 节点，最后由终端节点通过调光单元改变照明设备的状态。另 外，遥控器还带有亮度感测模块，可用于感测现场的亮度信息。 系统中的12864液晶模块用于显示网络状态信息，电源部分 采用电池供电。

3  系统软件设计

3.1节点程序设计

本系统采用的ZigBee协议栈位于IEEE 802.15.4物理 层及数据链路层规范之上，这种协议能够确保无线设备在 低成本、低功耗和低数据速率网络中的互通作用，ZigBee 协议栈的体系结构包括ZigBee应用层、ZigBee网络层、 IEEE.802.15.4 MAC层和PHY层。节点类型规定有协调器、 路由器和终端设备三种，NWK支持的网络拓扑有星型、树型 和网格型，系统采用网状拓扑结构。网络协调器作为中心控制 平台，其流程图如图4所示。

图4     网络协调器流程图

首先应初始化协议栈，建立新的网络，完成组建网络的 工作，然后就可接收各网络节点发送的数据，并对数据进行处 理，再将相应的控制信号发送至终端设备。

在终端设备上，程序首先初始化CC2431 ；之后，初始化 协议栈，并开始发送加入网络的信号，等待给自己分配网络地 址;节点加入成功后，接收到协调器的数据便执行相应的操作。 通过继电器或调光模块等完成对光源的控制流程图如图5所 示。终端节点在接收到不同的占空比值后，PWM控制信号将 在回调函数中产生。室内整体照度的多级调节设置有几种默认 的工作模式，对应的占空比值分别为：高亮对应于0x5F ；亮 对应于0x50 ；普通对应于0x4B ；柔和对应于0x3C ；暗对应 于0x1E。由于采用光耦隔离控制，要求PWM信号的频率不 能太高，因此，之前要对定时器T4及时钟频率进行配置。

图5所示为终端设备程序流程图。

图5     终端设备程序流程图

另外，遥控节点可以通过键盘来控制整个网络的照明状 态，还可根据亮度感测器实时监测遥控器所在区域的照度值, 然后将实际测量值返回到协调器，进而实现定点调光。应用 程序一般通过调用aplSendMSG。函数发送消息包。其函数的 定义如下：

aplSendMSG（

BYTE dstMode,//目标地址的地址模式LADDR_UNION * dstADDR,

//目的地址的指针

BYTE dstEP,//目标端点

BYTE cluster,// 簇号

BYTE scrEP, 〃消息源端点

YTE* pload,//用户数据缓冲区指针

BYTE plen,//缓冲区字节数

BYTE tsn,//消息的事务队列数

BYTE reqack//如果非0则要求确认

）

3.2  节点定位调光

由于室内灯往往节点数较少，且分布均匀，系统定位精度 要求比较低，定位调光采用基于接收信号强度指示的距离定位 算法。其原理是假设已知发射节点的发射信号强度，接收节点 根据接收信号的强度，计算出信号的传播损耗，然后利用信 号传播理论和信道经验模型计算出距离。接收信号强度RSSI 理论值可表示为：

RSSI=-(10nlgd+A)

其中，”代表信号传播常量，也叫做传播指数；代表距离发射 器之间的距离:;代表距离1 m时的接收信号强度。

当系统处于定点调光模式时，室内所有灯节点同时给遥 控节点发送相同强度的指示信号，遥控节点根据接收信号强 度RSSI值计算出与发射节点之间的距离，最后由距离最小的 三个节点根据遥控模块的亮度感测器反馈值来完成定点精确 调光功能。

4  系统测试

在室内布置一套简单的演示系统，可对系统进行测试。 本文的测试系统包括1个遥控节点、1个主控协调器、4个终 端设备，所有的节点组成一个网状的WSN，网络拓扑如图6 所示，LED灯连接在终端设备上，均匀分布在房间内。

图6     网络拓扑结构图

通过实际测试，遥控器可以完成室内灯光的整体多级调 光以及开关控制。测试系统对室内照度整体设置了几种常用的 工作模式：高亮、亮、普通、柔和、暗，当然，也可以整体任 意调节亮度，并可对选中的任意单个LED灯进行调光，而且 具有灯光渐变的效果。在定点调光模式时，将遥控器放在房 间内任意区域，并用键盘输入需要的照度值，实验结果是距 离较近的LED灯能迅速完成调光操作。表1所列是亮度感测 器实际监测的照度值，该照度值还可在液晶上显示出来。测 试表明，定点精确调光精度能达到98.5%,演示系统的各项 功能均满足设计要求。

表1  实际测试照度值

5  结 语

为了克服传统照明系统具有布线麻烦、可扩展性差、节 能效率低等缺点，本文设计了一种智能照明系统，该系统通过采用 ZigBee 无线技术实现了室内灯光的无线控制、分组控制、 情景模式以及定点调光等功能。测试结果表明，该系统工作稳定，运行效果良好，具有一定的应用价值。

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