基于zigbee的家居照明系統(tǒng)研究

王莎莎 郭威娜 程銳涵 孫 林

（河北聯(lián)合大學(xué) 信息工程學(xué)院，河北 唐山 063009）

0 引言

ZigBee是一種新興的專為低速率無線傳輸而設(shè)計的低成本、低功耗的短距離無線通信技術(shù)。Zigbee技術(shù)相對于其他技術(shù)而言出現(xiàn)較晚，其規(guī)范及應(yīng)用仍在不斷的完善和發(fā)展之中，現(xiàn)今，已經(jīng)能夠廣泛的應(yīng)用于軍事、工業(yè)、智能家居等領(lǐng)域。

隨著科技的不斷發(fā)展，人們在日常生活中應(yīng)用的電器越來越多，使用的開關(guān)也不斷增多。傳統(tǒng)的機械式手動開關(guān)已經(jīng)無法滿足當(dāng)今人們追求完美生活的需要。因此遠(yuǎn)程無線遙控技術(shù)必然會一步步取代傳統(tǒng)手動開關(guān)，成為今后生活的主流。

1 Zigbee技術(shù)概述

ZigBee協(xié)議使用IEEE802.15.4規(guī)范作為介質(zhì)訪問層（MAC）和物理層（PHY）。Zigbee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上建立網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層構(gòu)架。IEEE802.15.4有兩個PHY層，分別運行在不同的頻率范圍:2.4GHz和915/868MHZ，每個頻帶提供固定數(shù)量的信道。MAC層使用CSMA-CA機制來控制無線電信道的訪問。

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)可采用星型網(wǎng)絡(luò)、點對點網(wǎng)絡(luò)、群集或網(wǎng)狀等多種類型的網(wǎng)絡(luò)配置。

Zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，路由器，網(wǎng)關(guān)，都是由一個單片機和zigbee兼容無線收發(fā)器構(gòu)成的硬件為基礎(chǔ)，再加上由語言代碼寫成的協(xié)議軟件構(gòu)成。

Zigbee無線收發(fā)芯片采用Chipcon公司開發(fā)的CC2430芯片。CC2430采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，利用全球共用的的公共頻率2.4GHz，是世界上第一個真正意義上的SoCZigBee一站式產(chǎn)品之一，具有芯片可編程閃存和通過認(rèn)證的ZigBee TM協(xié)議棧。鑒于其具有低成本、低功耗、節(jié)點多和傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢，可廣泛的應(yīng)用于家庭和樓宇自動化、醫(yī)療設(shè)施、物流和其他終端市場等。

2 家居照明系統(tǒng)設(shè)計

此基于Zigbee的家居照明系統(tǒng)構(gòu)建的是一個星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成，每盞燈與其各自的燈具控制終端節(jié)點相連，無線控制器作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，可實現(xiàn)對控制終端節(jié)點進(jìn)行相關(guān)控制，即一個Zigbee無線遙控器控制n個控制終端節(jié)點。

無線遙控器是該系統(tǒng)的控制中心，要接收和處理Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶的操作來控制網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的工作，它包含有ZigBee射頻收發(fā)模塊和嵌入式控制系統(tǒng)。各控制終端根據(jù)無線遙控器發(fā)送過來的控制信息進(jìn)行相應(yīng)的操作。

2.1 無線遙控器硬件設(shè)計

Zigbee無線遙控器作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器需要處理較大數(shù)據(jù)量，因而本文采用嵌入式微處理器AT89S51作為遙控器的核心處理芯片。

AT89S51是ATMEL公司推出的一款體積小，低功耗，高性能的嵌入式微處理器。它由CPU內(nèi)核、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、IO口、復(fù)位與時鐘、定時器與計數(shù)器、終端系統(tǒng)、串行通訊接口、看門狗和ISP在線編程接口組成。兼容MCS-51內(nèi)核單片機，4Kbytes可在線編程Flash存儲器，可有效擦除/讀寫1000次。

Zigbee收發(fā)模塊采用CC2430芯片，CC2430是Chipcon公司推出的用來實現(xiàn)嵌入式Zigbee應(yīng)用的片上系統(tǒng)。它支持2.4GHz IEEE 802.15.4/Zigbee協(xié)議。

各節(jié)點通過無線信道連接，Zigbee收發(fā)模塊與微處理器模塊通過四線連接，實現(xiàn)無線遙控。對于AT89S51單片機其四個管腳VCC、TXD、RXD、GND， 分別于 CC2430芯片的四個管腳 VCC、RXD、TXD、GND連接。

2.2 燈具控制終端節(jié)點的硬件設(shè)計

Zigbee無線遙控系統(tǒng)終端節(jié)點即燈具控制終端節(jié)點是嵌入到各燈具開關(guān)電路中。

Zigbee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)成功后，該模塊主要負(fù)責(zé)接收無線遙控器發(fā)出的指令信息，進(jìn)而控制燈具工作，開關(guān)燈具或調(diào)整燈光亮度等。燈具控制終端與燈具串聯(lián)連接，根據(jù)可控硅導(dǎo)通與否來控制燈具開關(guān)；另外可控制可控硅的觸發(fā)角控制流過燈具的等小電流大小，達(dá)到改變燈光亮度的目的。

3 Zigbee系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計使用跟CC2430芯片配套的Z-STACK協(xié)議棧和IAR集成開發(fā)環(huán)境。Z-STACK協(xié)議棧運行在一個基于任務(wù)調(diào)度機制的OSAL操作系統(tǒng)上，OSAL通過觸發(fā)任務(wù)的事件來實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。

μC/OS-II是一種基于優(yōu)先級的占先式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，包含了實時內(nèi)核、任務(wù)管理、時間管理、任務(wù)間通信同步和內(nèi)存管理等功能。它可以使各個任務(wù)獨立工作，很容易實現(xiàn)準(zhǔn)時而且無誤執(zhí)行，使實時應(yīng)用程序的設(shè)計和擴(kuò)展變得容易，使應(yīng)用程序的設(shè)計過程大為減化。它的絕大部分的代碼采用C語言編寫的，包含一小部分匯編代碼。它已經(jīng)被成功的移植在DSP、16/32位MCU上。μC/OS-II在硬件平臺上的移植包括與處理器相關(guān)的程序修改和應(yīng)用程序的添加。本移植編譯工具采用IAR，主機通過JTAG接口連接目標(biāo)板建立交叉開發(fā)調(diào)試環(huán)境。

其主程序設(shè)計首先要對各個芯片初始化，如AT89S51的初始化包括對管腳初始化、串口初始化、定時器初始化等；CC2430的初始化包括對管腳的初始化、芯片復(fù)位及內(nèi)部寄存器的初始化。在主程序初始化后，開始于子系統(tǒng)建立Zigbee網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)并進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，從而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的管理。

4 結(jié)論

本設(shè)計是基于Zigbee技術(shù)的家居照明系統(tǒng)的研究，實現(xiàn)了軟硬件設(shè)計。采用AT89S51微控制器設(shè)計的Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)，具有組網(wǎng)簡單、花費少、擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)容易等優(yōu)點。而操作系統(tǒng)使用μC/OS-II可簡化程序設(shè)計，增強了模塊化程度。這種使用高性能微控制器并結(jié)合實時操作系統(tǒng)的構(gòu)架模式已成為一種發(fā)展趨勢，在實際中有很好的應(yīng)用價值。

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