Zigbee無線網(wǎng)絡室內(nèi)智能照明系統(tǒng)

長江大學電子信息學院 涂 亮 李 智 孫先松

引言

目前市場上有多種智能家居情景照明的解決方案，其中利用Zigbee技術組網(wǎng)配合MCU控制的方案因為其成本低、功耗低和易于實現(xiàn)等優(yōu)點得到廣泛的應用，本文提出來一種利用Zigbee技術組成無線網(wǎng)絡，利用簡化的Ztack協(xié)議進行通信，結合無線定位技術，可以對家居中多盞燈進行控制，實現(xiàn)高亮度調節(jié)、情景轉換以及同房間實現(xiàn)多個情景的智能控制的目的。

1.無線Zigbee網(wǎng)絡

Zigbee是一種新興的短距離、低速率、低復雜度、低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡技術。它是一種介于無線標簽標記技術和藍牙之間的技術方案，主要用于近距離無線連接，具有自己的無線電標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間互相協(xié)調實現(xiàn)通信，這種傳感器只需要很少的能量，一接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，因此可靠性好、時延段、網(wǎng)絡容量大、安全性高、覆蓋范圍廣、通信效率非常高。Zgibee聯(lián)盟定義了一套燈光無線控制的規(guī)范，這就保證了今后各個生產(chǎn)商的相關產(chǎn)品能夠互聯(lián)互通，使ZigBee用于智能照明系統(tǒng)并廣為推廣，有著巨大的市場。

Zigbee采用自組網(wǎng)方式實現(xiàn)組網(wǎng)，這種架構被稱為無線基礎架構的無線局域網(wǎng)，而且對網(wǎng)絡內(nèi)部的設備數(shù)量不加限制，并隨時建立無線通信鏈路。協(xié)調器一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，新添加的RFD會被及時發(fā)現(xiàn)。

2.系統(tǒng)規(guī)劃

整個組網(wǎng)采用樹狀簇形與網(wǎng)狀結構相結合的拓補結構，每個房間為一個單元，每個單元內(nèi)有一個主控器、幾個用戶控制器和多個節(jié)點，每個節(jié)點由一個LED和終端設備組成。用戶控制器起著收集節(jié)點數(shù)據(jù)和發(fā)送計算后的控制信號。由ARM控制核心組成的總控制器控制著多個房間的總體控制。單房間分布圖和整體結構布局如圖1、2。

在功能設計方面，主要有以下幾個功能：

（1）每個單元的單元控器能實現(xiàn)對房間內(nèi)所以燈進行開啟和關閉以及情景模式亮度控制的功能。

（2）每個單元內(nèi)的用戶控制器能實時收集終端節(jié)點的亮度信息和位置信息，再結合用戶設置的情景模式，通過特定算法對每個終端節(jié)點發(fā)送不同PWM控制信息以實現(xiàn)單房間不同區(qū)域不同情景模式的功能。

（3）總控制器實時顯示和控制某個單元所有單元的照明情況。

3.Zigbee智能照明系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 硬件設計

無線智能照明系統(tǒng)由4個部分組成：總控制器、單元控制器、用戶控制器和普通節(jié)點。普通節(jié)點由CC2431模塊與LED組成，主要是接受用戶控制器發(fā)來的燈光亮度調節(jié)信息。其中CC2431應用電路圖如圖3。

用戶控制器由CC2531模塊、鍵盤輸入模塊、測光模塊和顯示模塊組成，主要功能是利用本身的定位引擎計算出普通節(jié)點到自己的位置，加上用戶設定照度值，結合特定算法計算出發(fā)給每個普通節(jié)點的照度值信息。其功能框圖如圖4。

總控器由ARM模塊、鍵盤輸入模塊、觸摸屏模塊和CC2431模塊組成，主要功能是顯示和控制各個單元的燈照度情況，其功能框圖如圖5。

3.2 軟件設計

軟件設計基于TI公司推出的CC2431芯片配套的Z-Stack協(xié)議棧簡化版和IAR集成開發(fā)環(huán)境。針對Zigbee在家庭網(wǎng)絡方面的應用，Zigbee Alliance制定專門的應用框架，即Zigbee Home Automation Public Application Profile.所謂Profile是對邏輯設備即其接口的描述集合，針對某個特定應用和準則。其目的是讓不同廠家按照一個Profile設計的產(chǎn)品之間可以互相操作、互相交換。Zigbee HomeAutomation Public Application Profile規(guī)定了智能家居中照明設備、采暖通風空調設備、自動窗簾和報警裝置的設計規(guī)范。本文的無線智能照明系統(tǒng)就是在這個Profile上實現(xiàn)的。

3.2.1 定位技術

CC2431無線定位引擎基于RSSI技術,定位系統(tǒng)由參考節(jié)點和盲節(jié)點組成。參考節(jié)點是一個位于已知位置的靜態(tài)節(jié)點,這個節(jié)點知道自己的位置并可以將其位置通過發(fā)送數(shù)據(jù)包通知其他節(jié)點。盲節(jié)點從參考節(jié)點處接收數(shù)據(jù)包信號,獲得參考節(jié)點位置坐標及相應的RSSI值并將其送入定位引擎,然后可以讀出由定位引擎計算得到的自身位置。由參考節(jié)點發(fā)送給盲節(jié)點的數(shù)據(jù)包至少包含參考節(jié)點的坐標參數(shù)水平位置X和豎直位置Y,而RSSI值可由接收節(jié)點計算獲得。CC2431用一個定位引擎，定位引擎運行時需要輸入3～8個參考坐標，調用定位函數(shù)就可以計算出其他節(jié)點距離次節(jié)點的距離，下面給出一個定位函數(shù)和定位引擎操作流程圖6：

3.2.2 組網(wǎng)與加網(wǎng)

圖1 單房間布局

圖2 網(wǎng)絡分布圖

圖4 用戶節(jié)點功能框圖

圖3 CC2431應用電路圖

圖5 總控制器功能框圖

圖6 定位引擎操作流程圖

圖7 單元控制器的軟件流程圖

圖8 普通節(jié)點的軟件流程圖

圖9 普通節(jié)點照度信息

圖10 系統(tǒng)仿真效果圖

單元控制器扮演路由器或協(xié)調器的角色，主要是傳遞總控器的信息或組建網(wǎng)絡。網(wǎng)絡協(xié)調器具有建立一個網(wǎng)絡、維護鄰居的設備表、對邏輯網(wǎng)絡地址進行分配、允許設備MAC層/應用層的鏈接或斷開網(wǎng)絡的功能。其軟件流程圖如圖7。

網(wǎng)絡協(xié)調器作為中心控制平臺，其任務是首先建立新的網(wǎng)絡，完成組建網(wǎng)絡的工作，接收各網(wǎng)絡節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理，并發(fā)送相應的控制信號。在網(wǎng)絡協(xié)調器中，先初始化硬件，再初始化協(xié)議棧，用于建立新網(wǎng)絡，其網(wǎng)絡新建的程序段如下所示：

普通終端設備作為無限局域網(wǎng)的節(jié)點，與用戶控制和單元控制器互相傳遞信息和接受其命令，其軟件流程圖如左圖：

當一個網(wǎng)絡建立成功后，便要考慮路由節(jié)點和普通節(jié)點如何加入到網(wǎng)絡中去。路由節(jié)點和普通節(jié)點通過調用aplJoinNetwork()函數(shù)加入到協(xié)調器建立的網(wǎng)絡中。路由節(jié)點和普通節(jié)點掃描信道找到協(xié)調器并申請加入網(wǎng)絡獲取協(xié)調器的地址的同時將自己的地址發(fā)送給協(xié)調器。網(wǎng)絡加入成功后普通節(jié)點則進入休眠狀態(tài)，直到有命令或數(shù)據(jù)發(fā)送時才被喚醒。網(wǎng)絡加入程序如圖8：

下面給出普通節(jié)點加入網(wǎng)絡的主程序：

4.實驗結果

在網(wǎng)絡組建前，首先要測量普通節(jié)點（無線局域網(wǎng)終端設備與LED燈）的照度數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)的普通節(jié)點實際測量數(shù)據(jù)如圖9。

根據(jù)實測的普通節(jié)點照度數(shù)據(jù)，將其模型化，結合本系統(tǒng)特定的算法，進行系統(tǒng)級仿真，器效果如圖10。

結語

隨著計算機技術、通信技術、控制技術的發(fā)展和人民物質生活水平的提高，家居智能化正成為國內(nèi)外的一個熱點。基于Zigbee技術的無線智能照明系統(tǒng)目前主要應用在智能大廈和高檔住宅。但是隨著技術水平的不斷完善，相關產(chǎn)品會逐步降低，巨大的民用市場將是最終的發(fā)展方向。該系統(tǒng)提高照相系統(tǒng)的信息化、智能化程度的同時，對節(jié)約電能的消耗也起到了很大作用，符合國家節(jié)能減排的發(fā)展戰(zhàn)略。

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