《電子技術(shù)應(yīng)用》
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Zigbee技術(shù)的室內(nèi)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究方案
摘要: 本文對(duì)ZigBee 協(xié)議的特點(diǎn)進(jìn)行了分析,設(shè)計(jì)了一種適用于智能家居的室內(nèi)照明自動(dòng)控制系統(tǒng)。分析了現(xiàn)有室內(nèi)照明自動(dòng)控制系統(tǒng)中存在的問題,,把ZigBee 技術(shù)應(yīng)用到照明自動(dòng)控制系統(tǒng),,在PICDEMZ 平臺(tái)上構(gòu)建了ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)照明系統(tǒng)的無線控制,,提高了系統(tǒng)的靈活性和實(shí)用性,。
Abstract:
Key words :

本文對(duì)ZigBee 協(xié)議的特點(diǎn)進(jìn)行了分析,設(shè)計(jì)了一種適用于智能家居的室內(nèi)照明自動(dòng)控制系統(tǒng),。分析了現(xiàn)有室內(nèi)照明自動(dòng)控制系統(tǒng)中存在的問題,,把ZigBee 技術(shù)應(yīng)用到照明自動(dòng)控制系統(tǒng),在PICDEMZ 平臺(tái)上構(gòu)建了ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),,實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)照明系統(tǒng)的無線控制,,提高了系統(tǒng)的靈活性和實(shí)用性。

  1. 引言

  隨著科技的進(jìn)步,,人們對(duì)通信技術(shù)的要求也不斷增長(zhǎng),,短距離無線通信技術(shù)也隨之產(chǎn)生。

  如今,,各種短距離無線通信技術(shù)層出不窮,,其中較為成功并且應(yīng)用比較廣泛的有Bluetooth(藍(lán)牙)、ZigBee,、Wi-Fi,、WiMAX、無線USB 和UWB 等,。

  ZigBee 的協(xié)議構(gòu)架是建立在IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上的,。IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)定義了ZigBee 物理層(PHY)和媒體訪問控制層(MAC);ZigBee 聯(lián)盟則定義了ZigBee 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層(ZWK)、應(yīng)用層(APL)和安全服務(wù)規(guī)范,。作為一種新興的低速率無線通信技術(shù),,ZigBee 技術(shù)擁有著速率低,、功耗小、成本低,、免許可無線通信頻段,、近距離通信、時(shí)延短,、數(shù)據(jù)傳輸可靠和組網(wǎng)方式多樣等多種技術(shù)特點(diǎn),,這些特點(diǎn)使ZigBee 技術(shù)很適合應(yīng)用到工業(yè)控制、智能家居,、醫(yī)療護(hù)理,、智能農(nóng)業(yè)、消費(fèi)類電子和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域,。目前,,藍(lán)牙技術(shù)復(fù)雜,應(yīng)用系統(tǒng)費(fèi)用較高,,功耗高,,電池供電壽命短,在其無法突破價(jià)格瓶頸的情況下,,ZigBee 技術(shù)將擁有更加廣闊的應(yīng)用前景,。

  本文按照Z(yǔ)igBee 協(xié)議規(guī)范的要求,設(shè)計(jì)了一套適用于智能家居網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)照明自動(dòng)控制系統(tǒng),。該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)各照明器件的遠(yuǎn)程控制,,并可通過監(jiān)測(cè)室內(nèi)光線的變化調(diào)整電燈的開斷,實(shí)現(xiàn)對(duì)照明的智能控制,,同時(shí)也使控制系統(tǒng)的可靠性和靈活性得到提高,。

  2. 基于Microchip ZigBee 協(xié)議棧的室內(nèi)照明自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

  本文所介紹的室內(nèi)照明自動(dòng)控制系統(tǒng)是 ZigBee 技術(shù)在智能家居中的一種典型應(yīng)用。

  Microchip ZigBee 協(xié)議棧是在ZigBee 無線協(xié)議規(guī)范的基礎(chǔ)上定義的,,但它不完全符合ZigBee 協(xié)議,,不支持群集和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò),沒有安全和訪問控制功能,,沒有路由器功能,,也不支持一對(duì)多綁定。使用Microchip ZigBee 協(xié)議棧設(shè)計(jì)ZigBee 節(jié)點(diǎn),,需要具備的硬件條件至少要包括一個(gè)帶有SPI 串口的PIC18F 單片機(jī),,一個(gè)帶有所需外部元件的RF 收發(fā)器,一根天線,,可以是PCB 上的引線形成的天線或單極天線,。

  系統(tǒng)構(gòu)建的是一個(gè)星狀網(wǎng)絡(luò),即由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和若干終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的主從網(wǎng)絡(luò),。最先啟動(dòng)的FFD(全功能設(shè)備)自任PAN 協(xié)調(diào)器,,并選擇一個(gè)和其覆蓋區(qū)域內(nèi)的其它PAN不同的標(biāo)識(shí)符作為自己的PAN 標(biāo)識(shí)符,。通常在其工作區(qū)域內(nèi)不存在其它PAN 時(shí),PAN 標(biāo)志符設(shè)置為0,。協(xié)調(diào)器可以允許其它FFD 和RFD(精簡(jiǎn)功能設(shè)備)加入網(wǎng)絡(luò),。在星狀網(wǎng)絡(luò)中,協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)之間可以相互發(fā)送或者接收數(shù)據(jù),,但兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)之間不能進(jìn)行直接通信,,如果一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)要向另一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù),只能通過協(xié)調(diào)器這個(gè)中間媒介完成,。

  依照Microchip ZigBee 協(xié)議棧的開發(fā)要求,,我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)可以移植Microchip ZigBee協(xié)議棧的室內(nèi)照明自動(dòng)控制系統(tǒng),系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示,。

  其中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和所有終端節(jié)點(diǎn)共同構(gòu)成了ZigBee 無線通信網(wǎng)絡(luò),。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的作用是建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò),并為加人到網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分派網(wǎng)絡(luò)地址,,同時(shí)還負(fù)責(zé)通過串口和上位機(jī)進(jìn)行通信,,各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)則是為了實(shí)現(xiàn)具體的開關(guān)電燈的功能,并將工作的結(jié)果反饋給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),。上位機(jī)除了實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)工作狀況外還起到家庭網(wǎng)關(guān)的作用,,即可以提供各種遠(yuǎn)程智能控制接口,,在家庭內(nèi)部的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)和Internet 之間建立起一種連接,,使用戶可以用一臺(tái)連接到Internet 上的PC 機(jī)控制家里的電器設(shè)備。
 

  

圖1照明控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

 

  圖1照明控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

  3. 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

  設(shè)計(jì)選用 Microchip 公司的PIC18LF4620 單片機(jī)作為控制器,,射頻收發(fā)器部分采用TI公司的CC2420 射頻模塊,。控制器通過SPI 總線和一些離散控制信號(hào)與射頻模塊相連,,控制器充當(dāng)SPI 主器件,,而射頻模塊充當(dāng)從器件??刂破鲗?shí)現(xiàn)了IEEE 802.15.4 MAC 層和ZigBee協(xié)議層,,射頻模塊CC2420 則實(shí)現(xiàn)了IEEE 802.15.4 物理層和一些MAC 層功能。圖2 為終端節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖:圖3 為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖:

  

圖2 終端節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖

 

  圖2 終端節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖

  

圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

 

  PIC18LF4620 單片機(jī)和CC2420 射頻模塊的接口電路如圖4 所示:

  

圖4 PIC 單片機(jī)與射頻模塊接口電路

 

  圖4 PIC 單片機(jī)與射頻模塊接口電路

  終端節(jié)點(diǎn)控制器通過CC2420 射頻模塊接收來自協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),,并按照協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的指示,,完成對(duì)繼電器控制,從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)各個(gè)電燈開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換,。

  終端節(jié)點(diǎn)可以通過光敏電阻監(jiān)視室內(nèi)光線的變化,,當(dāng)光線亮度超過某一特定值時(shí),控制器將檢測(cè)到來自于光敏電阻的輸出信號(hào)的變化,,并將這種變化告訴協(xié)調(diào)器,。協(xié)調(diào)器收到信號(hào)后會(huì)重復(fù)前面的操作完成對(duì)電燈的開關(guān)動(dòng)作,。這種設(shè)計(jì)適用于墻角落地?zé)簟?/p>

  協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過鍵盤上的按鍵發(fā)送控制信號(hào),開斷相應(yīng)終端節(jié)點(diǎn)上的繼電器從而控制電燈的亮滅,,并通過RS232 串口將收到的從節(jié)點(diǎn)信號(hào)反饋給主節(jié)點(diǎn),。液晶顯示屏用來顯示各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。

  4. 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

  這里涉及到一個(gè)端點(diǎn)綁定的概念,。一個(gè)ZigBee 節(jié)點(diǎn)最多可以支持32 個(gè)端點(diǎn)(編號(hào)0~31)和8 個(gè)接口(編號(hào)0~7),。端點(diǎn)0 被保留用于設(shè)備配置,而端點(diǎn)31 被保留僅用于廣播,。剩下的30 個(gè)端點(diǎn)被用于應(yīng)用,。每個(gè)端點(diǎn)總共有8 個(gè)接口,這樣應(yīng)用在一個(gè)物理信道中最多能有240 條虛擬信道,。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)建立并維護(hù)一個(gè)描述各個(gè)端點(diǎn)之間邏輯鏈路的綁定表,,并通過源端點(diǎn)和群集ID 來唯一定義一條數(shù)據(jù)鏈路。在本照明系統(tǒng)中,,我們給每一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)上的繼電器和協(xié)調(diào)器上的按鍵都分配一個(gè)在節(jié)點(diǎn)內(nèi)唯一的端點(diǎn)號(hào),,并用這個(gè)端點(diǎn)號(hào)來對(duì)這些應(yīng)用對(duì)象進(jìn)行標(biāo)記,通過端點(diǎn)綁定的方法在終端節(jié)點(diǎn)中的繼電器和協(xié)調(diào)器上的不同按鍵之間建立聯(lián)系,,協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將各個(gè)開關(guān)端點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包發(fā)送到相應(yīng)的端點(diǎn),,從而實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)對(duì)分布在室內(nèi)的各個(gè)電燈的控制。

  4.1 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

  終端節(jié)點(diǎn)的任務(wù)主要是接收來自協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)并根據(jù)這些數(shù)據(jù)對(duì)相應(yīng)的電燈執(zhí)行開關(guān)操作,,并將操作的結(jié)果反饋給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),。終端節(jié)點(diǎn)上點(diǎn)電后掃描所有可用信道來尋找臨近協(xié)調(diào)器,申請(qǐng)加入此網(wǎng)絡(luò),。由于選用電池供電,,因此要保證終端節(jié)點(diǎn)的低功耗,設(shè)計(jì)中采用定時(shí)喚醒的方式連接服務(wù)器,,接收和發(fā)送數(shù)據(jù),,其它時(shí)間則進(jìn)入休眠模式,以達(dá)到終端節(jié)點(diǎn)的功耗最低,。終端節(jié)點(diǎn)的程序流程圖如圖5 所示,。

  

圖5 終端節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)流程圖

 

  圖5 終端節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)流程圖4.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

 

  作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器,其功能主要分為兩個(gè)部分,,即建立網(wǎng)絡(luò)和進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理,。ZigBee 協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)建立ZigBee 網(wǎng)絡(luò),分配網(wǎng)絡(luò)地址和維護(hù)綁定列表,。協(xié)調(diào)器通過掃描一個(gè)空閑信道來創(chuàng)建一個(gè)新網(wǎng)絡(luò),,維護(hù)一個(gè)目前連接設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)列表,支持獨(dú)立掃描程序來確保以前的連接設(shè)備能夠重新加入網(wǎng)絡(luò),。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的程序流程圖如圖6 所示,。

  

圖6 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)流程圖

 

  圖6 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)流程圖

  5: 結(jié)論

  把 ZigBee 技術(shù)應(yīng)用到室內(nèi)照明自動(dòng)控制系統(tǒng),,不僅能夠可靠地實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)照明設(shè)備的自動(dòng)控制,而且還減少了現(xiàn)場(chǎng)布線帶來的各種問題,。采用此項(xiàng)技術(shù)設(shè)計(jì)的無線控制系統(tǒng)具有成本低廉,,耗電量小和安放方便等突出優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)已在實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)成功應(yīng)用,。利用ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)的室內(nèi)照明自動(dòng)控制系統(tǒng)必將成為未來智能家居系統(tǒng)中重要的組成部分,。

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