基于zigbee的智能照明系統(tǒng)設(shè)計

【摘 要】本設(shè)計中的智能照明系統(tǒng)，是基于Zigbee技術(shù)，采用嵌入式微處理器AT89S51作為核心處理芯片，并結(jié)合μC/OS-II操作系統(tǒng)實現(xiàn)了對多個燈具的智能控制。

【關(guān)鍵詞】Zigbee、 μC/OS-II、CC2430

1引言

隨著科技的不斷發(fā)展，人們對于家庭裝修的要求越來越多，日常生活中應(yīng)用的照明設(shè)備也越來越多。傳統(tǒng)的機械式手動照明開關(guān)已經(jīng)無法滿足當(dāng)今人們追求完美生活的需要。因此遠(yuǎn)程無線遙控照明系統(tǒng)必然會一步步取代傳統(tǒng)手動開關(guān)，成為今后生活的主流。

ZigBee是一種新興的專為低速率無線傳輸而設(shè)計的低成本、低功耗的短距離無線通信技術(shù)。由于其相對于其他技術(shù)而言出現(xiàn)較晚，因此相應(yīng)的規(guī)范及應(yīng)用仍在不斷的完善和發(fā)展之中，現(xiàn)今，已經(jīng)能夠被廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、智能家居等領(lǐng)域。

2 Zigbee技術(shù)概述

ZigBee協(xié)議使用IEEE802.15.4規(guī)范作為介質(zhì)訪問層（MAC）和物理層（PHY）。Zigbee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上建立網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層構(gòu)架。IEEE802.15.4有兩個PHY層，分別運行在不同的頻率范圍： 2.4GHz和915/868MHZ，每個頻帶提供固定數(shù)量的信道。MAC層使用CSMA-CA機制來控制無線電信道的訪問。

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)可采用星型網(wǎng)絡(luò)、點對點網(wǎng)絡(luò)、群集或網(wǎng)狀等多種類型的網(wǎng)絡(luò)配置。

Zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，路由器，網(wǎng)關(guān)，都是由一個單片機和zigbee兼容無線收發(fā)器構(gòu)成的硬件為基礎(chǔ)，再加上由語言代碼寫成的協(xié)議軟件構(gòu)成。

Zigbee無線收發(fā)芯片采用Chipcon公司開發(fā)的CC2430芯片。CC2430采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，利用全球共用的的公共頻率2.4GHz，是世界上第一個真正意義上的SoCZigBee一站式產(chǎn)品之一，具有芯片可編程閃存和通過認(rèn)證的ZigBee TM協(xié)議棧。鑒于其具有低成本、低功耗、節(jié)點多和傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢，可廣泛的應(yīng)用于家庭和樓宇自動化、醫(yī)療設(shè)施、物流和其他終端市場等。

3無線照明系統(tǒng)設(shè)計

基于Zigbee的智能照明系統(tǒng)整體是由一個星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成，每盞燈與其各自的燈具控制終端節(jié)點相連，無線控制器作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，可實現(xiàn)對控制終端節(jié)點進(jìn)行相關(guān)控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。

無線遙控器是該系統(tǒng)的控制中心，主要用來接收和處理Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶的操作來控制網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的工作。它包含有ZigBee射頻收發(fā)模塊和嵌入式控制系統(tǒng)。各控制終端根據(jù)無線遙控器發(fā)送過來的控制信息進(jìn)行相應(yīng)的操作。

3.1 無線遙控器硬件設(shè)計

智能照明系統(tǒng)中的無線遙控器作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器需要處理較大數(shù)據(jù)量，因此本設(shè)計采用嵌入式微處理器AT89S51作為遙控器的核心處理芯片。

AT89S51是ATMEL公司推出的一款體積小，低功耗，高性能的嵌入式微處理器。它由CPU內(nèi)核、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、I＼O口、復(fù)位與時鐘、定時器與計數(shù)器、終端系統(tǒng)、串行通訊接口、看門狗和ISP在線編程接口組成。兼容MCS-51內(nèi)核單片機，4Kbytes可在線編程Flash存儲器，可有效擦除/讀寫1000次。

無線遙控器中的Zigbee收發(fā)模塊采用CC2430芯片，CC2430是Chipcon公司推出的用來實現(xiàn)嵌入式Zigbee應(yīng)用的片上系統(tǒng)。它支持2.4GHz IEEE 802.15.4/Zigbee 協(xié)議。

各節(jié)點通過無線信道連接，Zigbee收發(fā)模塊與微處理器模塊通過四線連接，實現(xiàn)無線遙控。對于AT89S51單片機其四個管腳VCC、TXD、RXD、GND，分別于CC2430芯片的四個管腳VCC、RXD、TXD、GND連接。

3.2燈具控制終端節(jié)點的硬件設(shè)計

基于Zigbee的無線遙控系統(tǒng)終端節(jié)點即燈具控制終端節(jié)點是嵌入到各燈具開關(guān)電路中。

Zigbee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)成功后，該模塊主要負(fù)責(zé)接收無線遙控器發(fā)出的指令信息，進(jìn)而控制燈具工作，開關(guān)燈具或調(diào)整燈光亮度等。燈具控制終端與燈具串聯(lián)連接，根據(jù)可控硅導(dǎo)通與否來控制燈具開關(guān)；另外可控制可控硅的觸發(fā)角控制流過燈具的等小電流大小，達(dá)到改變燈光亮度的目的。

3.3無線照明系統(tǒng)軟件設(shè)計

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計使用跟CC2430芯片配套的Z-STACK協(xié)議棧和IAR集成開發(fā)環(huán)境。Z-STACK協(xié)議棧運行在一個基于任務(wù)調(diào)度機制的OSAL操作系統(tǒng)上，OSAL通過觸發(fā)任務(wù)的事件來實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。

μC/OS-II 是一種基于優(yōu)先級的占先式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，包含了實時內(nèi)核、任務(wù)管理、時間管理、任務(wù)間通信同步和內(nèi)存管理等功能。它可以使各個任務(wù)獨立工作，很容易實現(xiàn)準(zhǔn)時而且無誤執(zhí)行，使實時應(yīng)用程序的設(shè)計和擴展變得容易，使應(yīng)用程序的設(shè)計過程大為減化。

其主程序設(shè)計首先要對各個芯片初始化，其中有AT89S51的初始化包括對管腳初始化、串口初始化、定時器初始化等；CC2430的初始化包括對管腳的初始化、芯片復(fù)位及內(nèi)部寄存器的初始化。在主程序初始化后，開始于子系統(tǒng)建立Zigbee網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)并進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，從而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的管理。

4總結(jié)

本智能照明系統(tǒng)是基于Zigbee技術(shù)設(shè)計的，其采用嵌入式微處理器AT89S51作為核心處理芯片，并結(jié)合μC/OS-II操作系統(tǒng)實現(xiàn)了對多個燈具的智能控制，具有組網(wǎng)簡單、花費少、擴展網(wǎng)絡(luò)容易等優(yōu)點。隨著智能家居理念越來越深入人心，這種使用高性能微控制器并結(jié)合實時操作系統(tǒng)的構(gòu)架模式必將成為一種發(fā)展趨勢。

參考文獻(xiàn)：

[1]李文仲，段朝玉.PIC單片機與ZIgbee無線網(wǎng)了實戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007：227～229

[2]王瑋，樊則賓.基于CC2430的無線溫度檢測終端的設(shè)計[J ].電子工程師.2007：78～80

[3]邵貝貝等譯.嵌入式實時操作系統(tǒng)uCOS-II.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003

[4]孫秋野，孫凱，馮健編著.ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)典型模塊.北京：人民郵電出版社，2007