基于ZigBee的室內智能照明系統設計

　　為了改進傳統室內照明系統存在的布線復雜、節能效果差、不易智能控制等缺點，分析了基于ZigBee技術的室內照明系統的設計和實現方法。

　　該系統的硬件設計基于支持ZigBee的SoC芯片CC2530，軟件設計則采用TI公司的Z-Stack協議。系統可以通過PC機上的上位機界面實現對燈節點的單控、組控、全控以及調光控制，并具有耗電小，成本低、無需布線和安裝方便簡單等特點。

　　0 引言

　　隨著現代科學技術的發展，人們對生活水平的追求越來越高。智能家居早已為大眾所熟知，而智能照明系統作為智能家居的應用之一，越來越受到人們的重視。室內照明系統主要實現對住宅內外的燈光的各種智能控制和管理功能，具體的說主要實現對燈的單控、組控、全控以及無線遙控控制和多時段定時控制。ZigBee 技術作為新興的近距離無線通信技術之一，具有近距離、低速率、低功耗和穩定性高等優點，非常適合在照明系統中應用。本文提出基于ZigBee 技術的智能照明系統。該系統由若干個節點以自組網的形式組成，每個節點都可通過感知外部光強信息的變化情況，能夠自適應地調節亮度，并可通過PC上的控制界面對每個節點進行智能控制。

　　1 ZigBee 技術簡介

　　ZigBee 技術 是一種短距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術，它是介于無線標記和藍牙之間的技術方案，具有自己的無線電標準，即IEEE 802.15.4（ZigBee） 技術標準。這是IEEE 無線個人區域（PersonalArea Network，PAN）工作組所規定的一項標準，主要適用于數據吞吐量小、網絡建設投資小、安全要求高、耗電低的場合。

　　從技術性能來看，ZigBee 具有低功耗、短延時、短距離、高安全、低速率、覆蓋范圍廣、網絡容量大等特點，并且具有廉價的市場定位，非常適合在照明系統中應用。

　　ZigBee 技術網絡有三種網絡拓撲結構：星型結構、樹狀結構和網狀結構［5］。星型拓撲結構包括一個協調器和多個終端，沒有路由；樹狀拓撲結構就是一個協調器和終端距離比較遠，需要加路由的星型網；網狀拓撲結構中，協調器、路由、終端都可以通信。在本系統中，采用網狀結構。

　　2 系統的總體框架

　　室內智能照明系統由一個協調器、若干個終端設備、多個手持的無線遙控器以及PC上位機界面等四個部分組成。協調器在該系統的作用是啟動和配置網絡。協調器可以保持間接尋址用的綁定表格，支持關聯，同時還能設計信任中心和執行其他活動。一個ZigBee 網絡只允許有一個ZigBee 協調器，終端節點最多可達65 536 個。協調器在系統中扮演命令的發送者和數據的收集者。協調器通過串口與PC 機相連，在接收到來自PC 的控制命令后，通過自己組建的ZigBee 網絡發送給指定的節點。當指定的節點接收到來自協調器的命令時，就做出指定的動作，并反饋給協調器。當協調器接收到來自終端的數據信息時，就會通過串口傳給PC 機。無線遙控器可以在室內的任何地方發送控制指令來控制一盞或多盞燈，使得整個照明系統更靈活。協調器主要有CC2530+CC2591 模塊、串口模塊，終端節點主要有CC2530+CC291 模塊、LED 控制模塊、溫度檢測模塊以及光強檢測模塊。圖1所示就是系統總體框架。

　　3 終端控制節點設計

　　終端節點模塊的硬件框圖如圖2 所示。它包括光強檢測模塊、繼電器控制模塊和PWM 輸出模塊。光強檢測模塊使用的傳感器是光敏電阻，選用的是新型單片測光芯片BH1750，較好地解決了傳統測光系統的弊端。BH1750 是半導體制造商ROHM為適應以移動電話手機為首的便攜式機器和液晶要求而開發的具有優良光譜靈敏度特性、16 b 串行輸出的單片數字照度傳感器。BH1750 與CC2530 之間的通信使用標準的IIC 通信協議。BH1750 與CC2530 的電路連接圖如3 所示。BH1750 的3 腳和5 腳分別與CC2530 的P0_1 口和P0_0 口相連，R1 與R2 為上拉電阻。

　　終端控制模塊包括繼電器模塊和PWM 模塊。繼電器模塊利用三極管來放大驅動能力，通過CC2530上的IO 口輸出高低電平來控制繼電器開合或者斷開，從而實現對LED 的開關。PWM 模塊可以控制LED 燈的亮度，CC2530 芯片可以輸出頻率為200 Hz，占空比可以從1%~100%的可調的PWM波。

　　無線遙控模塊是基于終端控制節點設計的，它可自動搜尋ZigBee 網絡，并加入到網絡中建立通信關系，使自己成為其中的一個節點，進而對整個照明系統進行遙控。遙控節點模塊由PIC16F886 單片機讀取4×4 鍵盤的值，通過串口發送給CC2530+CC2591 模塊，然后發送給協調器，協調器發給需要控制的燈的節點。

　　4 軟件設計

　　軟件設計包括上位機的設計和下位機的設計。下位機又包括協調器軟件設計和終端節點的軟件設計。

　　界面包括每個節點燈的狀態顯示，用戶的控制操作。控制操作包括5 種模式：整幢樓同時開關，整層樓同時開關，整個房間同時開關，單個燈的開關，單個燈的PWM 控制。界面設計的流程如圖4 所示，圖5 所示則是上位機的界面圖。

　　本系統中協調器的兩大主要功能是建立網絡和進行網絡管理。ZigBee 協調器主要負責建立ZigBee 網絡、分配網絡地址和維護綁定列表。協調器通過掃描一個空閑信道來創建一個新的網絡，維護一個目前連接設備的網絡列表，支持獨立掃描程序來確保以前的連接設備能夠重新加入網絡。輪詢程序一直掃面串口函數，當串口有數據發送過來時，先判斷是控制指令還是數據接收指令。如果是控制指令，則發送給指定的終端節點；如果是數據接收指令，則將數據傳給上位機界面。

　　協調器的軟件流程圖如圖6 所示。

　　終端節點的任務主要是接收來自協調器的指令，并根據這些指令執行相關的操作。它會一直采樣光強值，并能夠實時根據光強值，改變輸出PWM 值，每次改變都會反饋給上位機。終端節點會采樣電池的電壓，當電壓低于2.2 V 時，發送消息給上位機界面，提醒用戶更換電池。終端節點的軟件流程圖如圖7 所示。

　　5 結語

　　本文利用ZigBee 技術設計的室內照明系統，實現了燈光的單控、組控、全控和自適應調節，提高了照明系統的智能化，大大降低了照明的能耗。測試結果表明，本系統工作穩定，運行效果良好，具有很好的發展前景。