基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的無線智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

李 鑫，毛陸虹，王 巍，榮學(xué)娟

(天津大學(xué) 微電子與固體電子學(xué)系，天津 300072)

目前市場上有多種智能家居情景照明的解決方案，其中利用ZigBee技術(shù)組網(wǎng)配合MCU控制的方案因其成本低、功耗低和易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。本文提出了一種利用ZigBee技術(shù)組建無線網(wǎng)絡(luò)配合ARM9內(nèi)核MCU，利用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信，可以對家居中每一盞LED燈進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)亮度控制與情景轉(zhuǎn)換的智能控制系統(tǒng)。

1 無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)

ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)之間的技術(shù)方案，主要用于近距離無線連接，具有自己的無線電標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個微小的傳感器之間互相協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，因此其通信效率非常高[1-2]。

ZigBee采用自組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，這種架構(gòu)被稱為無線基礎(chǔ)構(gòu)架的無線局域網(wǎng)，而且對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的設(shè)備數(shù)量不加限制，并可隨時建立無線通信鏈路。協(xié)調(diào)器一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，新添加的RFD會被及時發(fā)現(xiàn)[3]。

2 系統(tǒng)規(guī)劃

整體組網(wǎng)采用樹狀簇型結(jié)構(gòu)，即以每個房間為1個單元，房間內(nèi)的每盞燈作為一個終端設(shè)備，每個房間設(shè)置1個路由器用以與協(xié)調(diào)器通信并向房間內(nèi)每一個終端設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)[4]。整體結(jié)構(gòu)布局及組網(wǎng)方式如圖1所示。

在功能設(shè)定方面，由于不同的房間所具有的職能不同，所以對每一個房間的終端設(shè)備所具有的功能進(jìn)行分別設(shè)置。總體上，要求房間內(nèi)所有的終端設(shè)備可以對LED進(jìn)行開關(guān)控制及亮度調(diào)節(jié)。

為了方便和快速進(jìn)行調(diào)節(jié)，在遙控面板上還加入了情景和亮度設(shè)定，其中亮度設(shè)定為昏暗程度、明亮程度和超明亮程度。情景模式可以設(shè)置多種顏色模式。還可以具有以下功能：

圖1 整體結(jié)構(gòu)布局及組網(wǎng)方式

(1)智能調(diào)光：開燈時，燈光亮度由暗逐漸變亮；關(guān)燈時燈光亮度逐漸由明變暗。有利于保護(hù)視力及延長燈泡壽命。

(2)延時功能：當(dāng)按下延時按鍵后，所有燈光將在一定時間后全部關(guān)閉。

(3)全開全關(guān)：實(shí)現(xiàn)一鍵控制全部燈光的開關(guān)功能。

3 工作流程

系統(tǒng)的總體軟件流程圖如圖2所示。該流程圖從電路的整體功能上概括地說明了整套系統(tǒng)所能實(shí)現(xiàn)的功能，即通過發(fā)送模塊發(fā)送指令，接收模塊收到指令以后對其進(jìn)行解碼，從而控制LED等的情景變化和亮度變化。

4 功能實(shí)現(xiàn)

4.1 上電啟動

圖2 系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行一系列初始化功能，包括對液晶顯示屏、按鍵、CC2480模塊、定時器及UART接口進(jìn)行初始化。初始化完成后，系統(tǒng)會啟動組建網(wǎng)絡(luò)的功能。對于協(xié)調(diào)器，首先會發(fā)送StartZBNwk(COORDINATOR，NWKpanID)函數(shù)向 CC2480中寫入指令以啟動ZigBee協(xié)議棧。其中，COORDINATOR是器件類型，表示此器件作為協(xié)調(diào)器使用；NWKpanID是此網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)ID。路由器進(jìn)行同樣的操作，不同的是函數(shù)中設(shè)備類型參數(shù)為ROUTER[5]。

協(xié)議棧啟動后，系統(tǒng)會利用GetDeviceInfo(DEVICE_SHORT_ADDR)函數(shù)來獲取 CC2480通過 UART向 ARM核發(fā)送的設(shè)備信息。其中，DEVICE_SHOR_ADDR參數(shù)是CC2480模塊的16位短地址。獲取地址成功后，系統(tǒng)會將信息顯示在液晶屏上，完成上電啟動過程。

4.2 組網(wǎng)綁定

上電啟動完成后，系統(tǒng)進(jìn)入組網(wǎng)綁定狀態(tài)。首先系統(tǒng)會調(diào)用ZB_APP_REGISTER_REQUEST()函數(shù)對ZigBee寄存器寫入配置， 命令代碼為 Cmd 0：0x26、Cmd1：0x0a；然后會調(diào)用 ZgBeeAllowBind()函數(shù)發(fā)出允許綁定的命令，命令代碼為 Cmd 0：0x26、Cmd1：0x02。

允許綁定后，路由器會調(diào)用menudis()函數(shù)進(jìn)行綁定。此函數(shù)進(jìn)行的操作如下：首先掃描按鍵以獲取用戶輸入的所要綁定的協(xié)調(diào)器的地址，然后調(diào)用ZgBeeZDOFindIEEE(bindAddr，0，2)函數(shù)來尋找網(wǎng)絡(luò)中的物理地址。其中，bindAddr就是所要綁定得到的協(xié)調(diào)器的地址，參數(shù)0代表獲取1個地址，參數(shù)2代表索引個數(shù)。

獲得地址后，系統(tǒng)調(diào)用 ZgBeeBind(1，add)函數(shù)進(jìn)行綁定并將綁定結(jié)果顯示在液晶顯示屏上，從而完成組網(wǎng)綁定的功能[6-10]。其中命令代碼為 Cmd 0：0x66、Cmd1：0x01。

4.3 數(shù)據(jù)傳輸及調(diào)光

系統(tǒng)完成組網(wǎng)后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和調(diào)光。系統(tǒng)采用ZgBeeSendData()函數(shù)來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，此函數(shù)包含的主要參數(shù)有目的地址、命令類型和數(shù)據(jù)，命令代碼為Cmd 0：0x66、Cmd1：0x03。而目的地址與數(shù)據(jù)均通過鍵盤掃描用戶輸入來寫入寄存器。

對于調(diào)光功能的實(shí)現(xiàn)，本文采用PWM調(diào)制方式，即通過輸出不同占空比的方波進(jìn)行不同情景模式的調(diào)光。具體實(shí)現(xiàn)方式：采用while循環(huán)中內(nèi)嵌1個case語句實(shí)現(xiàn)。while循環(huán)負(fù)責(zé)檢查是否有外部命令到來，每一個case分支對應(yīng)1個情景模式，當(dāng)設(shè)備接收到調(diào)光命令后，根據(jù)命令中的有關(guān)情景模式的數(shù)據(jù)進(jìn)入到相關(guān)的case分支中產(chǎn)生相應(yīng)的PWM信號，當(dāng)檢查到外部命令來臨時，則跳出該分支進(jìn)入相應(yīng)的分支產(chǎn)生新的情景模式。對于PWM信號的產(chǎn)生有多種方式，本文利用循環(huán)計(jì)時的實(shí)現(xiàn)方法，即通過利用不同長短的延時來輸出0和1實(shí)現(xiàn)不同占空比的方波。基本計(jì)算方法如下：單位延時為晶振的1/12，則系統(tǒng)在進(jìn)行[(方波周期/單位延時)×占空比]個延時后輸出1，在進(jìn)行[(方波周期/單位延時)×(1-占空比)]個延時后輸出0，如此進(jìn)行反復(fù)循環(huán)即可實(shí)現(xiàn)PWM功能。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

ZigBee模塊對LED的調(diào)光控制采用PWM調(diào)制方式，即通過輸出3路不同占空比的方波實(shí)現(xiàn)對LED的RGB分量的調(diào)節(jié)，形成不同顏色的光。在本實(shí)驗(yàn)中采用事先設(shè)定好情景模式，根據(jù)用戶按下不同的情景按鍵輸出不同的PWM波形來實(shí)現(xiàn)LED的情景照明。實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸出占空比分別為25%、57%、70%的方波，如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文針對目前智能家居照明發(fā)展趨勢，提出了一種基于ZigBee和ARM處理器的智能家居照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)控制和智能調(diào)光功能，為以后的研究打下了一定的基礎(chǔ)。

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