摘 要： 設計了一種基于ZigBee技術的室內無線智能照明系統(tǒng),。該系統(tǒng)采用了集射頻與微控制器于一體的片上系統(tǒng)CC2530作為核心器件，實時采集照明現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù),，充分利用自然光,，在光強優(yōu)先的情況下，實現(xiàn)室內智能照明,。同時在PC上顯示溫度,、光強、有無紅外感應等相關參數(shù),。實驗測試表明，該系統(tǒng)具有操作簡單,、反應靈敏,、更加人性化和節(jié)省能量等特點。

　　關鍵詞： 無線網絡,；ZigBee,；智能照明；CC2530,；節(jié)能

0 引言

　　目前,，室內過度照明等電力浪費現(xiàn)象隨處可見。不科學的照明工程極大地浪費了能源,。隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展和人們生活水平的提高,，傳統(tǒng)照明已不能滿足現(xiàn)代社會對高效、自動化和節(jié)能照明技術的需求。作為發(fā)展最快的無線個域網的唯一載體ZigBee技術是一種新興的無線組網通信技術,，具有省電節(jié)能,、網絡簡單、安全性高,、速率低,、覆蓋范圍廣和網絡容量大等特點，并且具有廉價的市場定位,，非常適合在照明系統(tǒng)中應用[1-4],。為此，本文設計了一種基于ZigBee技術的室內無線智能照明系統(tǒng),。

1 IEEE802.15.4/ZigBee技術

　　ZigBee技術是一種面向工業(yè)和家庭監(jiān)控,、安全系統(tǒng)等領域的低速率、低功耗和低成本的無線網絡協(xié)議,。自2004年12月ZigBee聯(lián)盟[5-8]推出ZigBee 1.0版本規(guī)范以來,，ZigBee協(xié)議的各種修訂版本相繼發(fā)布，它們始終致力于ZigBee網絡更加安全可靠,、靈活簡單,、可擴展性更強的規(guī)范修改，使其特點充分發(fā)揮,。IEEE802.15.4[9]和ZigBee聯(lián)盟共同負責這種無線網絡協(xié)議的制定,。 IEEE802.15.4負責協(xié)議底部的兩層：物理層和媒體接入控制層；ZigBee聯(lián)盟負責提供協(xié)議上層的部分：網絡層和應用層[10],。

　　IEEE802.15.4標準定義了27個物理信道,，編號為0~26，編號0的信道分配給868 MHz頻段,；編號1~10共10個信道分配給915 MHz頻段,；編號11~26信道分配給2.4 GHz頻段。信道接入方式采用避免沖突的載波檢測多址接入(CSMA-CA)機制,。IEEE802.15.4標準定義了兩種設備類型：全功能設備(Full Function Device,，F(xiàn)FD)與精簡功能設備(Reduced Function Device，RFD),。

　　ZigBee網絡中定義了3種基本的網絡拓撲結構：星型,、網狀和簇樹型。ZigBee網絡層中對設備在網絡中的角色進行了分類：ZigBee協(xié)調器(ZigBee Coordinator,，ZC),、ZigBee路由器(ZigBee Router，ZR)與ZigBee終端設備(ZigBee End Device,，ZED),。ZC啟動和控制整個網絡,，存儲網絡相關信息，負責整個網絡協(xié)調器的所有工作,，它只能由FFD來擔當,；ZR負責傳送信息與提供連接，它可以連接協(xié)調器或者其他路由器,，同時也可以接納子節(jié)點的加入,，ZR也需要FFD來擔當；ZED可以發(fā)送或者接收信息,，但是不能參與路由過程,，不能連接任何子節(jié)點，只能作為子節(jié)點連接協(xié)調器或者路由器,，ZED可以由FFD或者RFD來擔當,。

　　星型拓撲以ZC為中心控制器，其余各個節(jié)點設備與ZC連接,，所有數(shù)據(jù)的傳輸都需要經由ZC來發(fā)送,，其他各個節(jié)點之間不能互相通信。本文是基于星型拓撲結構進行設計的,。

2 硬件設計

　　2.4 GHz IEEE802.15.4/RF4CE/ZigBee的片上系統(tǒng)CC2530芯片將加強版8051MCU和RF射頻芯片集為一體,，更好地提供遠程照明控制。該系統(tǒng)主要分為發(fā)送模塊和接收模塊,。發(fā)送模塊由ZigBee模塊和PC組成,，接收模塊包括ZigBee模塊、傳感器和照明終端,?？刂撇呗圆捎肸igBee技術，結合ZigBee2007協(xié)議（本系統(tǒng)采用星型拓撲結構）,，實時采集照明現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù),，經過CC2530芯片的邏輯判斷與智能分析后，實現(xiàn)無線通信,。PC上位機實時顯示環(huán)境參數(shù)變化,，也可以對智能照明系統(tǒng)進行集中控制與管理。該系統(tǒng)具有近距離,、低速、低耗和高集成度等諸多優(yōu)勢,。硬件原理圖如圖1所示,。

　　其中，硬件包括ZigBee CC2530F149芯片模塊,、溫度傳感器DS18B20,、熱紅外傳感器,、光敏傳感器、白熾燈,、RS232串口通信線,、電源、下載器,、導線和 PC機,。

3 軟件設計

　　網絡協(xié)調器初始化網絡后，子節(jié)點與協(xié)調器完成網絡連接的過程,，成功組建ZigBee星型網絡,。光敏電阻對室內光照強度進行實時采集，并將采集的光強信號傳送給ZigBee終端設備,；ZigBee終端設備將此信號傳送給協(xié)調器,，協(xié)調器通過串口將數(shù)據(jù)傳送給主機進行顯示；同時,，協(xié)調器對此照明數(shù)據(jù)進行控制,，設定光強閾值并進行判斷，若光照強度大于閾值,，燈亮,；小于則燈滅。此系統(tǒng)的紅外模塊在光強優(yōu)先的情況下,，將會判斷是否有人的影響,，如果有人來，則燈亮,；否則燈滅,。與節(jié)點連接的溫度傳感器等也可以對周邊參數(shù)進行采集，通過節(jié)點傳給協(xié)調器,，再由主機進行顯示,。智能照明系統(tǒng)的具體工作過程如下。

　?、艆f(xié)調器:初始化后,，接收組網請求，判斷是否有節(jié)點加入,，如果有節(jié)點加入,，則分配網絡地址，接收數(shù)據(jù),；如果沒有節(jié)點加入,，繼續(xù)接收組網請求。工作流程如圖2所示,。

　?、乒?jié)點：初始化后,，發(fā)送組網請求，判斷加入是否成功,，如果成功則把接收到的光照強度,、有無紅外、溫度等參數(shù)傳給協(xié)調器,，以便控制燈的亮滅,；否則重新發(fā)送加入網絡的信號。工作流程如圖3所示,。

　?、枪?jié)點接收外界的光強變化并與設定的閾值(上限為180 cd，下限為140 cd)作比較,，若光強大于180 cd,，則燈滅；若小于140 cd,，則燈亮,。若人來，先判斷光強：若光強大于180 cd,，燈仍然滅,；在光強低于140 cd時，若有人來時,，燈亮,；無人時，燈滅,。具體的工作流程如圖4所示,。

　　部分相應的程序如下：

　　if(theMessageData[5]<=0x28)

　　HalLedSet ( HAL_LED_3, HAL_LED_MODE_OFF );

　　if(theMessageData[5]>=0x3c)

　　{

　　if(theMessageData[7]==1)

　　{

　　HalLedSet ( HAL_LED_3, HAL_LED_MODE_ON );

　　}

　　}

4 系統(tǒng)測試

　　在不同光強下，將本系統(tǒng)分別在室內和走廊進行了測試,。室內光強大于180 cd時,，燈處于關閉狀態(tài)。室內光強小于140 cd時,，如有人靠近,，燈自動打開。

　　走廊光強大于180 cd時,，燈處于關閉狀態(tài),。走廊光強小于140 cd時，如有人靠近,，燈自動打開 ,。

5 結束語

　　本系統(tǒng)將ZigBee技術與照明結合，實現(xiàn)了室內無線照明系統(tǒng)的智能控制,。主控室的協(xié)調器與分布在不同場合的節(jié)點進行通信,。傳感器采集的實時光強信號由ZigBee終端設備傳到協(xié)調器后，與設定的光強閾值進行比較,，并在光強優(yōu)先的情況下,，實現(xiàn)室內智能照明。網絡協(xié)調器可以通過串口將數(shù)據(jù)傳送給主監(jiān)控機進行顯示,；同時,，主監(jiān)控機也可以對此照明系統(tǒng)進行控制，打開或者關閉燈,。本系統(tǒng)采用ZigBee 無線通信技術組建網絡,，根據(jù)使用者對照明的不同需求，充分利用自然光,，以最小的能耗實現(xiàn)智能控制,。本系統(tǒng)具有操作簡單、反應靈敏,、可靠性高等特點,。同時，合理設置網絡節(jié)點可以簡化電路并降低成本,。

參考文獻

　　[1] 蔣挺,，趙成林. 紫峰技術及其應用[M]. 北京：北京郵電大學出版社，2006.

　　[2] Lavric A, Popa V, Males C,et al. A performance study of ZigBee wireless sensors network topologies for street lighting control systems[C].2012 International Conference on Selected Topics in Mobile and Wireless Networking, Avignon:IEEE, 2012: 130-133.

　　[3] Hung C H, Bai Y W, Tsai R Y. Digital control for home lighting system with ZigBee communication[C].2011 IEEE International Conference on Consumer Electronics, Las Vegas: IEEE, 2011: 763-764.

　　[4] Yin Jun, Wang Wei. LED lighting control system based on the ZigBee wireless network[C].2010 International Conference on Digital Manufacturing and Automation, Guilin: IEEE, 2010 (1): 892-895.

　　[5] ZIGBEE ALLIANCE. ZigBee specification version 1.0 [EB/OL]. (2004-12-14) [2014-2-17]. http://www.zigbee.org.

　　[6] ZIGBEE ALLIANCE. ZigBee specification version 1.1 [EB/OL]. (2006-12-1) [2014-2-17]. http://www.zigbee.org.

　　[7] ZIGBEE ALLIANCE. ZigBee-specification 2007 [EB/OL].(2008-1-17) [2014-2-17].http://www.zigbee.org.

　　[8] ZIGBEE ALLIANCE. ZigBee: RF4CE specification [EB/OL].(2010-1) [2014-2-17].http://www.zigbee.org.

　　[9] IEEE: IEEE 802.15.4 Part 15.4-2003.Wireless sedium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications for Low-Rate wireless personal area networks (LR-WPANs)[S].

　　[10] 劉丹. 基于網絡層的低速無線個域網節(jié)能方法研究[D]. 長春：吉林大學,，2010.