一種融合WiFi和ZigBee技術的智能照明系統

徐建林

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一種融合WiFi和ZigBee技術的智能照明系統

徐建林

飛利浦照明（中國）投資有限公司，上海 200233

當前無線照明系統為智能照明系統發展的主要方向之一。文中從WiFi和ZigBee技術概述入手，分析了基于WiFi和ZigBee無線照明系統的功能，并針對性地對基于WiFi和ZigBee無線照明系統的硬件和軟件進行了設計。

WiFi；ZigBee；無線照明系統；智能照明系統；系統設計

有線通訊為當前照明系統常用的控制方式，面臨的主要問題有移動性較差、布線較繁瑣、成本相對較高及調試安裝困難等。針對當前有線照明系統存在的弊端，考慮在進行照明系統的設計時采用無線通訊的方式。其中，ZigBee為當前新型的通信技術，在低速度、短距離傳輸方面有著較大的優勢，其總體造價也較低，非常適合使用在無線照明系統的設計中。另外，加入WiFi模塊，使WiFi模塊和ZigBee模塊進行配合使用，使整個照明系統能夠通過多終端、無線網絡的形式進行控制，更好地提升照明系統的娛樂性和便捷性，從而更好地實現人民生活水平的提升[1]。

1 WiFi和ZigBee技術概述

1.1 WiFi技術

WiFi是一種可以將個人電腦、手持設備（如iPad、手機）等終端以無線方式互相連接的技術，事實上它是一個高頻無線電信號。無線保真是一個無線網絡通信技術的品牌，由Wi-Fi聯盟所持有，目前其采用的頻段有2.4G和5G兩種。2.4G頻段的WiFi主要用于入門級消費電子，而5G頻段的WiFi主要用于要求更穩定、更高傳輸速率的場合如高清傳輸及大數據傳輸，為了增加WiFi傳輸的適應性和穩定性，也可以組建成雙頻WiFi，同時支持2.4GHz和5.0GHz。WiFi通訊的目的是改善基于IEEE 802.11標準的無線網路產品之間的互通性。

WiFi技術當前使用非常普遍，廣泛應用于家用和商用場所，由于其應用便利性，可以將手機、筆記本電腦、臺式電腦、iPad等移動終端有效地連接到一起，組合一個智能網絡，在網絡中的所有設備都能相互通信，共享資源。WiFi的優點主要為：互聯互通方便，構建非常便捷、傳輸速度快以及覆蓋范圍廣等。

1.2 ZigBee技術

ZigBee技術為一種新型的低能耗、低速率、低成本、近距離的雙向無線通訊技術，在傳輸速度較低、能耗較小、距離較短、抗干擾性強的電子設備中使用較為廣泛，能夠保證這些電子設備的數據傳輸。另外，ZigBee技術所含的網絡容量非常大，其網絡容量可以達到65536個節點，其通信方式往往采用自組網的形式，在ZigBee技術通信范圍內若出現了新ZigBee模塊，這兩個ZigBee模塊可以自動搜尋連接，使各個節點組成有效的連接方式，從而形成一個完整的ZigBee技術無線通信網絡。無線照明系統中包含有較多的照明終端，因此，全面考慮無線照明系統構建的成本、通信方式、控制器設計等方面的因素，ZigBee技術為一種相對于較好的選擇，同時也是無線照明系統設計發展的主要趨勢之一。

2 基于WiFi和ZigBee無線照明系統功能分析

整個無線照明系統包含有多個照明終端、人機交互界面（手機、筆記本電腦、臺式電腦、iPad等移動終端）及網關等3大部分，其中整個無線照明系統的核心部件為網關，其將從人機交互界面接受到的相關信息傳送到制定的終端設備上，實現對終端照明設備工作狀態的查詢并及時重新反饋到人機交互界面，根據網關的查詢結果，人機交互界面可以針對性地發出相關的指令，選擇性地實現對照明終端調節。也可以實現對照明終端工作狀態的調整，例如燈光開關、照明亮度調節，色溫和顏色調節等[2]。

2.1 無線照明系統終端

無線照明系統終端為整個無線照明系統的最終表現者，其主要的組成部分有溫度傳感器、ZigBee模塊、LED光源、LED驅動電源、光照傳感器、電壓電流傳感器等相關的部分。電流電壓、溫度、光照傳感器是用來檢測LED燈具的工作狀態及工作環境，可以讓用戶更好地了解LED燈具的信息，便于進行控制。燈具的ZigBee模塊功能與網關的ZigBee模塊類似，用來接收網關發出的控制指令和返回查詢信息。

2.2 網關

網關為本系統設計的關鍵部分，具有核心作用，其組成部分主要包含電源模塊、WiFi模塊、顯示模塊、ZigBee模塊等相關的部件，如圖1所示。

圖1 網關組成模塊

其中，WiFi模塊的主要作用為實現對筆記本、手機等相關人機交互終端控制信息的接受，當其接受到數據信息之后將其通過串口傳遞到ZigBee模塊中，若其接受到的為查詢信息，則等待ZigBee模塊反饋查詢信息之后，將接受到的信息傳送回筆記本電腦和手機等人機交互終端[3]。

網關中的ZigBee模塊在ZigBee系統中承擔協調器的作用，ZigBee模塊上電之后，可自行對自身通訊范圍之內的其他ZigBee模塊進行搜尋，然后采用自組網的方式進行通訊，構成一個ZigBee網絡，當ZigBee模塊接受到來自于WiFi模塊的信息之后，根據具體的數據信息的要求，將對應的信息發送到ZigBee模塊上。電源模塊主要的作用為供電，其可以向顯示模塊、ZigBee模塊、WiFi模塊供電，電源模塊是通過220VAC轉12VDC的適配器，然后轉成3.3V，來提供給WiFi模塊、ZigBee模塊等使用。顯示模塊為網關的顯示屏，能夠將網關當前的工作狀態及操縱界面顯示出來[4]。

2.3 人機交互界面

本次設計的無線照明系統的人機交互界面主要為手機和筆記本電腦，當網關內WiFi模塊啟動之后，手機和筆記本電腦能夠通過連接無線網的方式連接到WiFi網絡，當成功連接之后，打開對應的軟件就能夠實現控制信息的發送，達到對無線照明終端的控制。

3 基于WiFi和ZigBee無線照明系統設計

硬件設計：首先為WiFi模塊的設計，本次采用HF-LPB100作為WiFi模塊，HF-LPB100為一種能夠將串口數據轉變為IP數據，也能夠將IP數據轉變為串口數據，無線網絡為HF-LPB100傳播數據的通道。該模塊設計采用雙排插針接口，可以選擇5V和3.3V供電方式，其支持的波特范圍在1200bps到115200bps。在無線網絡進行連接時，可分為點對點連接和基礎網絡連接方式，本次選用點對點連接，系統使用人員可以通過手機和筆記本電腦與WiFi直接連接后進行系統控制。在其中的網絡類型選擇欄中可以選擇網絡的連接方式，數據發送格式和波特率可以在通信設置欄中進行設置。其次為Zigbee模塊，本次無線照明系統中使用的Zigbee模塊選用了CC2530 SoC芯片，其發送的最大功率為4.5dBm，接收靈敏度為-97dBm，有著充足的鏈接余量（link budget），本身支持30m以上傳輸距離。供電的電壓為3.3V，通訊方式選用TTL串口進行通訊，可將節點模式調整為單播模式和廣播模式，若出現了數據發送失敗，則數據可進行自動重發，由于無線照明系統中所含的數據較少，因此，在進行本次系統設計時，針對性的增加了數據發送失敗的重試次數，從而更好地提升系統數據發放的有效性。在使用ZigBee模塊前，需要對其參數進行針對性的配置，設置對應的物理地址和數據發送模式。將手機或筆記本電腦和網關的WiFi成功連接后，點擊獲取數據信息，能夠顯示出當前系統模式狀態，根據需要對相關的參數進行修改，達到使用的效果，則就能夠進入正常龔總狀態。

CC2530 ZigBee芯片與CC2590功放配合，網關與ZigBee終端設備間支持50m以上傳輸距離，另外各個ZigBee終端設備通過全網絡連接，可以組成一個覆蓋整個商場，節點最大可達65536個的智能照明大網絡。ZigBee模塊電路圖如圖2所示：

圖2 ZigBee模塊電路圖

第三為無線照明終端驅動電源模塊。本次系統設計的無線照明終端驅動電源模塊的管理芯片采用了LM3406，其使用的電壓范圍較寬，電壓基準較低，并能夠較快的實現電壓的穩定，能夠作為本次無線照明系統的電源控制。時間控制引腳選擇使用Ron，實現VIN腳與電阻的連接。光信號的輸入腳設計為DIM腳，無線照明終端的工作狀態采用PWM調光信號進行控制，無線照明終端工作原理如圖3所示。

當系統通電后，首先為ZigBee模塊和WiFi模塊進行初始化，然后程序開始構建一個全新的網絡，等到所有的節點加入完畢之后，系統開始采用循環的方式進行有無收到數據信息的檢測，當檢測到相關的數據信息之后，將其轉發到無線照明終端和人機交互界面。

當上電進行全面的初始化之后，發出入網申請信號，然后獲取分配的網絡地址，加入到整個網絡中，當加入網絡之后，開始執行網關轉發過來的數據指令，實現對無線照明終端的調節，或者實現對傳感器數據的采集。

圖3 無線照明終端工作原理

軟件設計：

圖4 網關工作流程圖

4 結語

針對當前有線照明系統存在的弊端，基于WiFi和ZigBee技術設計了智能無線照明系統，整個工作過程非?？煽?、不用進行布線，組網靈活及系統可靠性高，能夠實現對無線照明終端的全面控制和單個控制，可以廣泛應用在家庭、酒店、商場等場所，提升人民生活的便捷性。WiFi技術和ZigBee技術相結合有著非常好的發展前景，特別是在ZigBee3.0推出后，ZigBee系統的兼容性越來越高，應用也越來越廣，目前，多種無線通信技術的融合為智能控制的一大發展方向。

[1]趙春花，謝志祥.基于數字電視機頂盒和ZigBee無線協議的智能家庭網關[J].電子制作，2014（11）：161-162.

[2]陳雨青，沈承舒，彭曉珊，孫健，楊波.基于ZigBee無線傳感器網絡的樓宇電力節能管理系統設計與實現[J].貴陽學院學報（自然科學版），2013（4）：52-55，58.

[3]楊超，魏東，莊俊華.基于ZigBee無線網絡技術的地下車庫照明節能控制系統研發[J].電工技術學報，2015（S1）：490-495.

TU855；TN92

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1009-6434（2016）02-0052-02