基于ZigBee技術的無線智能照明系統

1 引 言

隨著社會的進步，節能和環保已是大勢所趨，在照明領域中，采用新型節能光源、節能電器及高效燈具來達到節約電能的目的，已廣泛被人們所接受。但如何通過節能照明設計來達到節約能源的目的才剛被人們重視。基于有線的照明控制系統，具有布線麻煩，增減設備需要重新布線、系統可擴展性差、系統安裝和維護成本高以及移動性能差等缺點，因此無線通信技術，是實現智能照明系統的理想選擇。近年來，近距離無線通信技術獲得了迅猛的發展。其中主流技術包括紅外技術、藍牙(Blue-tooth)、Wi-Fi、UWB(Ultra-Wideband)和ZigBee技術等。它們都有各自的標準、特點和相應的應用領域，另外還有Z-Wave和MiWi等專有無線技術。智能照明系統自身的要求和ZigBee技術具有的特點，決定了ZigBee是實現無線智能照明系統的最佳解決方案。

無線智能照明系統的控制器與照明燈節點之間只需傳輸開關信號和調光信號等開光量，且數據發送頻率不高，而ZigBee的最大傳輸速率可以達到250 kb／s，這對于實現無線智能照明系統來說已經足夠；無線智能照明系統的各個燈節點往往需要組成一個星型網、簇狀網或者網狀網，節點數量在幾十到幾千個之間，ZigBee對以上拓撲結構都做了很好的支持，且網絡最大節點數可達65 535，很好地滿足了無線智能照明系統對網絡結構及容量的要求，而這是藍牙和紅外技術所無法滿足的；不同廠家生產的無線智能照明系統的各種節點之間要求具有互操作性，ZigBee是一個開放式全球標準，世界各大ZigBee方案提供商都通過ZigBee Alliance的兼容性測試，并且ZigBee Allianee針對照明系統，專門制定了相應的Profile，因此不同廠家基于ZigBee技術開發的燈節點之間可以進行互操作和相互替換，從而保障生產商和用戶的利益和成本投入，這是Z-Wave和MiWi等專有的無線技術所無法滿足的；智能照明系統，比如智能家居，需要所有房間和樓層間的通信，這就需要系統具有穿墻的信號傳遞功能和網絡功能，ZigBee工作在2.4 GHz的ISM頻段，節點之間的最大通信距離可達100 m，信號具有一定的穿墻能力，并且ZigBee支持路由節點，只要合理布局，可以保證建筑物內沒有無線通信的盲區，這是紅外技術所無法提供的；ZigBee具備較快的響應特性，2個節點之間的一次數據發送過程在5 ms之內即可完成，滿足照明系統對實時性的要求；照明系統對成本非常敏感，這將決定它能否實用化和產業化，ZigBee是一種低速率、低成本的無線通信技術，相比于Wi-Fi和UWB等這些適用于無線局域網和多媒體應用的高速率無線標準而言，成本非常低廉。本文主要討論基于ZigBee技術的無線智能照明系統的軟硬件設計。

2 基于ZigBee的智能照明系統的實現

ZigBee是一種在無線個人網絡領域中新興的無線網絡技術。電子與電氣工程師協會IEEE于2000年底成立了802.15.4工作組，規定了ZigBee的物理層和媒體接入控制層。2001年8月成立了ZigBee聯盟，負責ZigBee規范的制定和應用推廣工作，2004年12月推出ZigBee規范的正式版本ZigBee SpecificationV1.0。目前，ZigBee標準在ZigBee聯盟的推動下正日趨增強和完善，其實際工程應用正日益普及。世界各大半導體巨頭TI，FreeScale和Ember等各自推出了符合ZigBee標準的芯片及協議棧。其中，TI公司的CC2430加Z-Stack協議棧是業內公認的最佳解決方案。本文的無線智能照明系統就是在這個平臺上實現的。