基于ZigBee的無線智能照明系統設計

楊立宏，袁夫全

（中山火炬職業技術學院，廣東中山，528436）

關鍵字：智能照明；無線通信；ZigBee

0 引言

隨著科技發展和人們對生活品質的追求越來越高，人們對建筑照明系統提出了新的要求，在滿足基本照明需求基礎上，還要求控制智能化、操作簡單化、節能高效化的要求，傳統的燈具照明已經無法滿足人們的需求，智能照明由此應運而生。目前智能照明領域主流的通信技術包括KNX、DALI、C-bus、電力載波等有線通信技術，Wifi、ZigBee、Bluetooth、Z-wave、LoRa等無線通信技術。有限通信技術比無線通信技術更可靠和安全，但是布線繁瑣、施工困難，一小部分模塊損壞可能影響系統的整體運轉，擴展移動性也比較差。而無線通信技術具有全自動組網、連接方便、隨身控制、操作方便、拓展性強等諸多優點。在智能家居照明中，WiFi、ZigBee、LoRa等無線通信技術成為主角。

1 三種無線通信技術比較

Wifi在智能照明發展初期，因為普及率較高，又有無需網關的優點，但其功耗高、節點少，比較適用于單品和少數燈具，并不適用于大范圍的智能照明，后期增長乏力。Lora無線傳輸具有低功耗，傳輸距離遠等優勢，LoRa模塊成本低，易于建設和部署，但隨著LoRa設備和網絡部署的增多，其相互之間會出現一定的頻譜干擾。ZigBee具有高保密性、強穩定性、低功耗、強大的組網能力，低成本的優勢，是目前風頭最勁、最受關注的無線通信技術，它適用于商業、工業、家居、道路照明等眾多領域。

2 ZigBee無線智能照明系統組成

本文介紹以ZigBee無線傳輸組網的智能照明系統，智能照明系統由移動控制端、無線路由器、ZigBee網關和終端節點組成，如圖1所示。

圖1 智能照明系統組成

ZigBee網絡有三種網絡拓撲結構：星型結構、樹狀結構和網狀結構，星型拓撲網絡結構包括一個協調器和多個終端，沒有路由。本項目主要針對家庭智能照明，距離比較近，終端節點比較少，所以采用星型網絡。圖1中右側有多個ZigBee終端節點，每個ZigBee終端節點通過LED驅動和調光電路可以接入若干個LED燈，并可實現獨立控制。ZigBee終端節點通過ZigBee網關接入到局域網或者互聯網，可以通過手機或者PC機對終端節點的LED燈進行控制。由于ZigBee網絡不能直接接入到互聯網，ZigBee網關則是將ZigBee的數據協議轉換成以太網協議，從而能夠接入到互聯網。如果要實現遠程控制，則家庭網關還需要通過無線路由器接入因特網，這樣在任何有網絡的地方就可以控制LED燈了。

3 ZigBee網關設計

網關中的ZigBee也是ZigBee網絡的協調器，是整個智能照明系統的核心，協調器除了負責無線網絡的組網及配置，同時還接收各終端節點所發送的數據以及下發控制命令。ZigBee網關具有連接容量大、功耗低等優點。本文ZigBee模塊核心芯片為CC2530，由于CC2530本身也是一個單片機，帶有USART、SPI等通信功能，因此直接用CC2530芯片通過USART控制以ESP8266為核心的WiFi模塊。這樣網關主要包含以CC2530為核心的ZigBee和以ESP8266為核心的WiFi，可以大大降低網關的成本。ZigBee網關結構圖如圖2所示：

圖2 ZigBee網關

圖2中ZigBee和ESP8266的WiFi模塊通過串口的RX和TX進行連接，實現數據的交互，CH_PD管腳為ESP8266的選通管腳，當該腳為高電平時，WiFi模塊正常工作，當該腳為低電平時，WiFi模塊關機。ZigBee協調器程序流程圖如圖3所示。

圖3 ZigBee協調器程序流程圖

圖3中，系統初始化在協議棧的ZMain.c文件中完成，主要完成時鐘初始化、系統定時器配置，芯片各硬件初始化，Flash存儲初始化，形成節點MAC地址、初始化mac層、應用框架層以及初始化操作系統等操作。組建網絡由協調器發起。在Zstack中，網絡組網是從ZDApp_Init函數開始的，具體的執行流程為：Main()->osal_init_system()->osalInitTasks()->ZDApp_Init()。初始化完成后進行信道掃描，以遞增的方式對所測量的能量值進行信道排序，選擇可允許能量水平的信道并標注這些信道是可用信道。最后設置網絡ID，在找到合適的信道后，協調器將為網絡選定一個網絡標識，這個標識ID在所使用的的信道中必須是唯一的，不能和其他ZigBee網絡沖突。組網完成后ZigBee網關如果接收到終端節點發來的信息，判斷數據是否有效，如果無效則重新等待接收，如果有效則通過串口發送給WiFi模塊，數據通過路由器傳輸到手機終端及云平臺，從而完成數據的上傳。手機下發的指令則通過WiFi模塊傳輸給協調器，協調器接收將該信息下發到ZigBee終端節點，完成對LED燈的開關及調光控制。

4 移動端APP設計

移動端APP可以通過Wifi實現和網關的通信，APP主要實現網絡連接、LED控制以及狀態顯示等。APP控制端各界面如4圖所示。

圖4 手機APP各頁面設計

如圖4為APP各控制界面，在APP首頁登錄路由器的IP和端口號，連接到路由器。第1張圖為主頁面，主頁面顯示了所有終端節點，點擊對應的圖標進入到第2張圖和第3張圖等的頁面進行對應控制，在該頁面點擊燈的圖標可以打開或者關閉LED燈，在打開狀態下可以拖動亮度調節下的滑塊調節亮度，拖動色溫調節下的滑塊調節色溫。另外如果手動開關對燈進行控制時，燈圖標的狀態也會隨著開關的變化而變亮或者滅。

5 結束語

隨著近幾年智能照明系統的普及，ZigBee以其具有高保密性、強穩定性、低功耗、強大的組網能力而在無線智能照明系統中異軍突起。本文利用ZigBee技術設計了室內智能照明系統，提高了照明智能化，也節省了電能。測試表明，本系統工作穩定，具有良好的發展前景。