淺談Zigbee在LED亮度調節(jié)方面的應用

袁聰

摘 要：能源是二十一世紀的主體，就目前大多數(shù)高校而言雖然照明設備可以按作息時間自動關停，但照明亮度無法隨光強自動調節(jié)；；學校整個照明系統(tǒng)開關控制需要人位操作，不能上位機操作沒法統(tǒng)一管理?；诖吮尘?，智能照明系統(tǒng)應運而生。LED與無線傳感網絡技術給照明系“智能化”的數(shù)字家園帶來了廣闊的應用空間。

本文著重對學校教室內的智能照明控制系統(tǒng)進行了研究，控制對象采用白光LED燈，并集成恒流驅動與PWM脈沖調光技術，完成根據(jù)光強變化PWM線性調光。采用CC2530芯片與Zigbee無線傳感網絡技術完成控制，并與網狀拓撲結構的Zigbee2007協(xié)議棧結合而，采集LED照明現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)點對點通信， 通過CC2530芯片邏輯判斷與智能分析，實現(xiàn)根據(jù)外界光強變化智能調節(jié)LED光照強度等功能。對完成這些功能的所需的關鍵技術Zigbee的組建以及實現(xiàn)進行了探討。

關鍵詞：學校照明， ZigBee，無線傳感網絡，白光LED，智能照明，CC2530

1 ZigBee節(jié)點主控芯片的選取

本課題無線通信網絡節(jié)點硬件電路選取了CC2530為核心芯片，其是由挪威的Chipcon公司生產的符合2.4GHz射頻系統(tǒng)的ZigBee技術的單芯片，用于各類 ZigBee 無線網絡節(jié)點，包括協(xié)調器、路由器和終端設備等。CC2530 芯片內部集成了 ZigBee 射頻（RF）前端、存儲器和微處理器。它內部集成了1個8位8051處理器，還含有1個16位和2個8位定時器（Timer）、模數(shù)轉換器（ADC）、看門狗（Watchdog-timer）、AES-128 協(xié)同處理器、上電復位電路、掉電檢測電路及21個可編程的輸入/輸出（I/O）口等。其中的RF無線收發(fā)電路符合IEEE802.15.4標準協(xié)議的2.4GHz頻段，其具有高靈敏度無線接收能力和強抗干擾能力。

2 ZigBee節(jié)點收發(fā)電路

CC2530 芯片只要外接很少的部件就可以實現(xiàn)信號的收發(fā)功能，如圖3—2所示。電路采用了一個非平衡天線，連接一個非平衡變壓器目的是為了讓天線性能更好。電路中的電感、電容及一根PCB微波傳輸線組成了非平衡變壓器，整個電路滿足 RF 輸入/輸出匹配電阻（50Ω）的要求。內部 T/R交換電路任務是完成 LNA 和 PA 間的交換。偏置電阻主要用來提供一個合適的工作電流給 32MHz 的晶振。32MHz 的石英諧振器（XTAL2），電容 C331 和 C321 組成了 32MHz 晶振電路。32.768 kHz 的石英諧振器（XTAL1），電容 C221 和 C231 構成了 32.768 kHz 的晶振電路。所有 1.8 V 電壓引腳和內部電源均有電壓調節(jié)器供電，電容 C401為去藕合電容，用作電源濾波以穩(wěn)定電壓，提高芯片工作的穩(wěn)定性。

3 Zigbee協(xié)議棧

ZigBee協(xié)議棧由物理層（Physical layer，PHY）、媒體接入控制層（Media AccessControl，MAC）、網絡層（Network layer，NWK）和應用層（Application layer，APL）構成。協(xié)議棧每層都是為其上層提供服務接口，上層調用下層函數(shù)時很方便。ZigBee技術符合無線個人區(qū)域網IEEE 802.15.4協(xié)議標準，PHY層和MAC層都符合IEEE 80.15.4協(xié)議標準，這些標準都是由IEEE協(xié)會制定的。網絡層、安全層和API是由ZigBee聯(lián)盟制定的，應用層可由用戶自定義。

ZigBee標準協(xié)議定義了868/915MHz和2.4 GHz兩個物理層標準。物理層定義了物理無線信道和 MAC 層之間的接口，由兩個服務點（SAP）提供 PHY 數(shù)據(jù)服務與 PHY 管理服務：a.為 PHY 層提供數(shù)據(jù)服務，是通過 PHY 數(shù)據(jù)服務接入點（PD-SAP）來實現(xiàn)的；b.為 PHY 管理提供服務，這是通過 PHY 管理實體（PLME）服務接入點（PLME-SAP）來實現(xiàn)的。所以物理層有開關收發(fā)器、鏈路質量指示、信道能量檢測、信道空閑評估、信道選擇及通過物理介質收發(fā)數(shù)據(jù)包等六大功能。

MAC 層經兩個服務訪問點提供了兩種服務，即 MAC 數(shù)據(jù)服務和 MAC 管理服務，分別通過 MAC子層公共部分的服務訪問點（MCPS-SAP）和 MAC 子層管理實體服務訪問點（MLME-SAP）實現(xiàn)。MAC數(shù)據(jù)服務的 MAC 協(xié)議數(shù)據(jù)單元（MPDU）的收發(fā)通過使用 PHY 數(shù)據(jù)服務來實現(xiàn)，MAC層的管理服務即維護MAC層信息數(shù)據(jù)庫。MAC層處理所有PHY層無線信道的接入，主要實現(xiàn)信道訪問機制的維護、數(shù)據(jù)通信、網絡管理及安全機制四類功能。

網絡層（NWK）主要功能為提供一些必要的函數(shù)，確保ZigBee的 MAC 層正常工作，且為應用層提供合適的接口。網絡層需有 NWK層數(shù)據(jù)實體（NLDE）和 NWK 層管理實體（NLME） 兩個功能服務實體。MAC 層公共子層服務接入點（MCPS-SAP） 與 MAC 層管理實體服務接入點（NLME-SAP）都是為 MAC 層提供接口的，NWK數(shù)據(jù)實體服務接入點（NLDE-SAP）和 NWK 管理實體服務接入點則為應用層提供接口。

4 ZigBee網絡拓撲結構

在 ZigBee無線網絡中，設備角色可定義為協(xié)調器（Coordinator）、路由器（Router）和終端節(jié)點（End Device）三種。三種設備的硬件電路結構相同，主要區(qū)別為 ZigBee協(xié)議棧應用層對其定義的不同。ZigBee 協(xié)議從能力上還定義了全功能設備（Full Function Device，F(xiàn)FD）和精簡功能設備（Reduce Function Device，RFD）兩種。FFD 可擔任網絡中三種角色的任一種，而 RFD 只能為終端設備。

ZigBee協(xié)議棧網絡層定義了星型、樹狀和網狀網三種拓撲結構。星型結構：協(xié)調器在中心發(fā)揮協(xié)調作用，所有節(jié)點只與協(xié)調器通信，協(xié)調器必須是 FFD，其它設備可以是完 FFD，也可以是 RFD。簇樹狀網：協(xié)調器在中心其協(xié)調作用，網絡中有多個路由器和終端節(jié)點，遠距離終端節(jié)點只能經過路由器才能與協(xié)調器通信，路由器都為FFD，終端節(jié)點可為 RFD 或 FFD。網狀網：以協(xié)調器為中心，網絡中存在多個路由器和終端設備，任意兩個路由器可互相通信，終端節(jié)點則只能經路由器與協(xié)調器通信，其實樹狀網為網狀網結構的一個特例。

5 無線網絡的組建

ZigBee 網絡中的各節(jié)點組網或入網流程，第一個全功能設備被成功的上電激活后，首先進行所有物理層信道能量掃描，檢測一些可能的干擾，并對已檢測到的有效信道按能量值進行排序。然后再主動掃描一次以選擇一個最佳信道確定為當前工作信道。成功建立的第一個網絡節(jié)點即協(xié)調器節(jié)點，在MSSTATE_LRWPAN 協(xié)議棧定義中，在網絡建立過程中不對此節(jié)點進行信道掃描，可直接根據(jù)天線的設計頻點使用指定的信道進行通信，目的是為了讓通信效果達到最佳。網絡建立后，其它所有節(jié)點（FFD 或 RFD）均可作為網絡中的子節(jié)點發(fā)送入網請求，去尋找在自己通信范圍內的網絡，若找到了網絡，節(jié)點會根據(jù)獲取的網絡信息選擇一個父節(jié)點發(fā)送入網申請信號，并等待父節(jié)點的允許請求響應。父節(jié)點經過判斷后，若父節(jié)點允許其加入，將發(fā)出請求響應信號，通知子節(jié)點。子節(jié)點收到請求響應信號后，父節(jié)點將會分配它的一個網絡地址（短地址）作為其在在網絡中的唯一身份標識符，至此節(jié)點則成功的加入了網絡。第一個激活的 FFD 節(jié)點作為網絡里的一個協(xié)調器廣播信標幀，與其同時其也接受新節(jié)點的入網請求，種方式一級級的進行短地址分配，即可完成網絡內所有節(jié)點的組網。

參考文獻

[1]李智華、周峰等，基于Zigbee的LED智能照明控制系統(tǒng)，現(xiàn)代建筑電氣.2013.4.6

[2]湯鎮(zhèn)輝、張正明，基于CC2530的Zigbee無線路燈節(jié)能智能監(jiān)控系統(tǒng)，微型機與應用，2011