基于ZigBee模块的无线智能照明系统

　ZigBee是一种在无线个人网络领域中新兴的无线网络技术。电子与电气工程师协会IEEE于2000年底成立了802.15.4工作组，规定了ZigBee模块的物理层和媒体接入控制层。2001年8月成立了 ZigBee联盟，负责ZigBee规范的制定和应用推广工作，2004年12月推出ZigBee规范的正式版本ZigBee SpecificationV1.0。目前，ZigBee标准在ZigBee联盟的推动下正日趋增强和完善，其实际工程应用正日益普及。世界各大半导体巨头TI，FreeScale和Ember等各自推出了符合ZigBee标准的芯片及协议栈。其中，TI公司的CC2430加Z-Stack协议栈是业内公认的最佳解决方案。本文的无线智能照明系统就是在这个平台上实现的。

　硬件设计：

　无线智能照明系统的网络节点分为协调器、路由器和终端节点三种。CC2430 芯片是首款符合ZigBee技术标准的系统单芯片，片内集成增强的8051微控制器内核和符合IEEE802.15.4标准的2.4 GHz射频收发器，具有优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性能，处于休眠模式时整个芯片的流耗小于0.9 μA，从硬件上支持CSMA／CA机制，还集成有ADC，AES安全协处理器和USART等片上外设及丰富的I／O口资源。只需添加晶振等少量的元器件即可完成ZigBee模块节点的设计。协调器节点带有44的键盘，用来设置整个系统的参数和发送控制命令，12 864汉字图形点阵液晶模块用于显示网络状态信息。微控制器输出开关量直接完成对照明灯的开关控制，微控制器输出的数字量经过8位的数／模转换器后，可以实现对照明灯的256级调光控制。另外，协调器节点还带有震动感测器和亮度感测器，用于感测现场的震动信息和亮度信息。当震动感测器测得震动较弱，即认为现场人员已经离开，此时可以自动关掉照明灯或者调暗亮度。当亮度感测器测得光线太亮，如晴朗的白天，即可自动调低亮度，当亮度感测器测得光线太暗，如夜晚或者阴雨的白天，即可调高亮度。系统只需在一个节点上集成震动感测器和亮度感测器，即可通过ZigBee网络向各个灯节点传输控制信息，实现对整个照明系统的智能控制、成本低廉。当然也可以将震动感测器和亮度感测器做成一个单独的ZigBee网络节点，用于感测现场不同位置的震动信息和亮度信息。

　软件设计：

　软件设计基于TI公司推出的跟CC2430芯片配套的Z-Stack协议栈和IAR集成开发环境。Z-Stack在业内处于领先水平，目前还在不断完善和增强，其最新版本Z-Stack 1.4.2，通过ZigBee测试机构德国莱茵集团的ZigBee兼容性测试，符合ZigBee 2006 specification，已被全球众多ZigBee应用开发厂家所采用，支持多种硬件平台，包括面向IEEE／ZigBee的CC2430片上系统解决方案，基于CC2420收发器的新平台和MSP430超低功耗微处理器。此外，Z-Stack还支持丰富的新特性，如无线下载，即通过ZigBee网络，下载网络中各节点的升级软件，完成节点的软件升级。Z-Stack还支持具备定位感知功能的CC2431，该特性使用户能够设计出可根据节点当前位置改变节点行为的新型ZigBee应用。

　针对ZigBee模块在家庭网络方面的应用，ZigBee Alliance制定专门的应用框架，即ZigBee Home Automation Public Application Profile。所谓Profile是对逻辑设备及其接口的描述集合，是针对某个特定应用的公约和准则，其目的是使不同厂家按照同一个ProfiIe设计的产品之间可以相互操作、相互替换。ZigBee HomeAutomation Public Application Profile规定了智能家居中的照明设备、采暖通风空调设备、自动窗帘和报警装置的设计规范。本文的无线智能照明系统就是在这个Profile的基础上实现的。

　无线智能照明系统的实验结果

　在一个两室两厅的套房中布置1套基于ZigBee技术实现的无线智能照明系统的实验网络，其网络结构如图2所示。在每盏灯中都集成有ZigBee模块，其中协调器节点是必需的。在其他地方，根据是否需要路由功能，可以配置为路由器或者终端节点。因为协调器节点和路由器节点具有路由功能，协议栈容量较大，所需的FLASH空间较大，芯片的成本也较高，因此只把需要给其他节点路由转发数据报的节点配置为路由器节点，其他节点则都配置为终端节点，以降低成本。室内所有的照明灯组成一个ZigBee网络，由协调器完成对所有照明灯的控制。可以对网络中的照明灯单个分别进行控制，也可以把所有的照明灯作为一个整体，进行同时控制；实现了对照明灯的简单开关控制和256级的调光控制；既可以设置成手动控制模式，也可以设置成自动控制模式，由协调器根据亮度感测器和震动感测器返回的亮度信息和震动信息，自动发送控制命令，完成对所有照明灯的控制。系统设计成本低廉，可靠性高、响应速度快、智能化程度高，是不断发展的电子信息技术在照明领域中的应用，必将带来照明技术的革新。

　随着计算机技术、通信技术、控制技术的发展和人们物质生活水平的提高，家居智能化正成为国内外的一个研究热点。基于ZigBee技术的无线智能照明系统目前主要应用在智能大厦和高档住宅。但是，随着技术水平的不断完善，相关产品的价格会逐步降低，巨大的民用市场将是最终的发展方向。该系统在提高照明系统的信息化、智能化程度的同时，对节约电能的消耗也起到了很大的作用，符合国家节能减排的发展战略。