一種融合WiFi和ZigBee技術(shù)的智能照明系統(tǒng)

徐建林

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一種融合WiFi和ZigBee技術(shù)的智能照明系統(tǒng)

徐建林

飛利浦照明（中國）投資有限公司，上海 200233

當(dāng)前無線照明系統(tǒng)為智能照明系統(tǒng)發(fā)展的主要方向之一。文中從WiFi和ZigBee技術(shù)概述入手，分析了基于WiFi和ZigBee無線照明系統(tǒng)的功能，并針對性地對基于WiFi和ZigBee無線照明系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

WiFi；ZigBee；無線照明系統(tǒng)；智能照明系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

有線通訊為當(dāng)前照明系統(tǒng)常用的控制方式，面臨的主要問題有移動(dòng)性較差、布線較繁瑣、成本相對較高及調(diào)試安裝困難等。針對當(dāng)前有線照明系統(tǒng)存在的弊端，考慮在進(jìn)行照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)采用無線通訊的方式。其中，ZigBee為當(dāng)前新型的通信技術(shù)，在低速度、短距離傳輸方面有著較大的優(yōu)勢，其總體造價(jià)也較低，非常適合使用在無線照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。另外，加入WiFi模塊，使WiFi模塊和ZigBee模塊進(jìn)行配合使用，使整個(gè)照明系統(tǒng)能夠通過多終端、無線網(wǎng)絡(luò)的形式進(jìn)行控制，更好地提升照明系統(tǒng)的娛樂性和便捷性，從而更好地實(shí)現(xiàn)人民生活水平的提升[1]。

1 WiFi和ZigBee技術(shù)概述

1.1 WiFi技術(shù)

WiFi是一種可以將個(gè)人電腦、手持設(shè)備（如iPad、手機(jī)）等終端以無線方式互相連接的技術(shù)，事實(shí)上它是一個(gè)高頻無線電信號。無線保真是一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的品牌，由Wi-Fi聯(lián)盟所持有，目前其采用的頻段有2.4G和5G兩種。2.4G頻段的WiFi主要用于入門級消費(fèi)電子，而5G頻段的WiFi主要用于要求更穩(wěn)定、更高傳輸速率的場合如高清傳輸及大數(shù)據(jù)傳輸，為了增加WiFi傳輸?shù)倪m應(yīng)性和穩(wěn)定性，也可以組建成雙頻WiFi，同時(shí)支持2.4GHz和5.0GHz。WiFi通訊的目的是改善基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)路產(chǎn)品之間的互通性。

WiFi技術(shù)當(dāng)前使用非常普遍，廣泛應(yīng)用于家用和商用場所，由于其應(yīng)用便利性，可以將手機(jī)、筆記本電腦、臺式電腦、iPad等移動(dòng)終端有效地連接到一起，組合一個(gè)智能網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備都能相互通信，共享資源。WiFi的優(yōu)點(diǎn)主要為：互聯(lián)互通方便，構(gòu)建非常便捷、傳輸速度快以及覆蓋范圍廣等。

1.2 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)為一種新型的低能耗、低速率、低成本、近距離的雙向無線通訊技術(shù)，在傳輸速度較低、能耗較小、距離較短、抗干擾性強(qiáng)的電子設(shè)備中使用較為廣泛，能夠保證這些電子設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。另外，ZigBee技術(shù)所含的網(wǎng)絡(luò)容量非常大，其網(wǎng)絡(luò)容量可以達(dá)到65536個(gè)節(jié)點(diǎn)，其通信方式往往采用自組網(wǎng)的形式，在ZigBee技術(shù)通信范圍內(nèi)若出現(xiàn)了新ZigBee模塊，這兩個(gè)ZigBee模塊可以自動(dòng)搜尋連接，使各個(gè)節(jié)點(diǎn)組成有效的連接方式，從而形成一個(gè)完整的ZigBee技術(shù)無線通信網(wǎng)絡(luò)。無線照明系統(tǒng)中包含有較多的照明終端，因此，全面考慮無線照明系統(tǒng)構(gòu)建的成本、通信方式、控制器設(shè)計(jì)等方面的因素，ZigBee技術(shù)為一種相對于較好的選擇，同時(shí)也是無線照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)展的主要趨勢之一。

2 基于WiFi和ZigBee無線照明系統(tǒng)功能分析

整個(gè)無線照明系統(tǒng)包含有多個(gè)照明終端、人機(jī)交互界面（手機(jī)、筆記本電腦、臺式電腦、iPad等移動(dòng)終端）及網(wǎng)關(guān)等3大部分，其中整個(gè)無線照明系統(tǒng)的核心部件為網(wǎng)關(guān)，其將從人機(jī)交互界面接受到的相關(guān)信息傳送到制定的終端設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)對終端照明設(shè)備工作狀態(tài)的查詢并及時(shí)重新反饋到人機(jī)交互界面，根據(jù)網(wǎng)關(guān)的查詢結(jié)果，人機(jī)交互界面可以針對性地發(fā)出相關(guān)的指令，選擇性地實(shí)現(xiàn)對照明終端調(diào)節(jié)。也可以實(shí)現(xiàn)對照明終端工作狀態(tài)的調(diào)整，例如燈光開關(guān)、照明亮度調(diào)節(jié)，色溫和顏色調(diào)節(jié)等[2]。

2.1 無線照明系統(tǒng)終端

無線照明系統(tǒng)終端為整個(gè)無線照明系統(tǒng)的最終表現(xiàn)者，其主要的組成部分有溫度傳感器、ZigBee模塊、LED光源、LED驅(qū)動(dòng)電源、光照傳感器、電壓電流傳感器等相關(guān)的部分。電流電壓、溫度、光照傳感器是用來檢測LED燈具的工作狀態(tài)及工作環(huán)境，可以讓用戶更好地了解LED燈具的信息，便于進(jìn)行控制。燈具的ZigBee模塊功能與網(wǎng)關(guān)的ZigBee模塊類似，用來接收網(wǎng)關(guān)發(fā)出的控制指令和返回查詢信息。

2.2 網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，具有核心作用，其組成部分主要包含電源模塊、WiFi模塊、顯示模塊、ZigBee模塊等相關(guān)的部件，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)關(guān)組成模塊

其中，WiFi模塊的主要作用為實(shí)現(xiàn)對筆記本、手機(jī)等相關(guān)人機(jī)交互終端控制信息的接受，當(dāng)其接受到數(shù)據(jù)信息之后將其通過串口傳遞到ZigBee模塊中，若其接受到的為查詢信息，則等待ZigBee模塊反饋查詢信息之后，將接受到的信息傳送回筆記本電腦和手機(jī)等人機(jī)交互終端[3]。

網(wǎng)關(guān)中的ZigBee模塊在ZigBee系統(tǒng)中承擔(dān)協(xié)調(diào)器的作用，ZigBee模塊上電之后，可自行對自身通訊范圍之內(nèi)的其他ZigBee模塊進(jìn)行搜尋，然后采用自組網(wǎng)的方式進(jìn)行通訊，構(gòu)成一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)ZigBee模塊接受到來自于WiFi模塊的信息之后，根據(jù)具體的數(shù)據(jù)信息的要求，將對應(yīng)的信息發(fā)送到ZigBee模塊上。電源模塊主要的作用為供電，其可以向顯示模塊、ZigBee模塊、WiFi模塊供電，電源模塊是通過220VAC轉(zhuǎn)12VDC的適配器，然后轉(zhuǎn)成3.3V，來提供給WiFi模塊、ZigBee模塊等使用。顯示模塊為網(wǎng)關(guān)的顯示屏，能夠?qū)⒕W(wǎng)關(guān)當(dāng)前的工作狀態(tài)及操縱界面顯示出來[4]。

2.3 人機(jī)交互界面

本次設(shè)計(jì)的無線照明系統(tǒng)的人機(jī)交互界面主要為手機(jī)和筆記本電腦，當(dāng)網(wǎng)關(guān)內(nèi)WiFi模塊啟動(dòng)之后，手機(jī)和筆記本電腦能夠通過連接無線網(wǎng)的方式連接到WiFi網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)成功連接之后，打開對應(yīng)的軟件就能夠?qū)崿F(xiàn)控制信息的發(fā)送，達(dá)到對無線照明終端的控制。

3 基于WiFi和ZigBee無線照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)：首先為WiFi模塊的設(shè)計(jì)，本次采用HF-LPB100作為WiFi模塊，HF-LPB100為一種能夠?qū)⒋跀?shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)镮P數(shù)據(jù)，也能夠?qū)P數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榇跀?shù)據(jù)，無線網(wǎng)絡(luò)為HF-LPB100傳播數(shù)據(jù)的通道。該模塊設(shè)計(jì)采用雙排插針接口，可以選擇5V和3.3V供電方式，其支持的波特范圍在1200bps到115200bps。在無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接時(shí)，可分為點(diǎn)對點(diǎn)連接和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)連接方式，本次選用點(diǎn)對點(diǎn)連接，系統(tǒng)使用人員可以通過手機(jī)和筆記本電腦與WiFi直接連接后進(jìn)行系統(tǒng)控制。在其中的網(wǎng)絡(luò)類型選擇欄中可以選擇網(wǎng)絡(luò)的連接方式，數(shù)據(jù)發(fā)送格式和波特率可以在通信設(shè)置欄中進(jìn)行設(shè)置。其次為Zigbee模塊，本次無線照明系統(tǒng)中使用的Zigbee模塊選用了CC2530 SoC芯片，其發(fā)送的最大功率為4.5dBm，接收靈敏度為-97dBm，有著充足的鏈接余量（link budget），本身支持30m以上傳輸距離。供電的電壓為3.3V，通訊方式選用TTL串口進(jìn)行通訊，可將節(jié)點(diǎn)模式調(diào)整為單播模式和廣播模式，若出現(xiàn)了數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，則數(shù)據(jù)可進(jìn)行自動(dòng)重發(fā)，由于無線照明系統(tǒng)中所含的數(shù)據(jù)較少，因此，在進(jìn)行本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，針對性的增加了數(shù)據(jù)發(fā)送失敗的重試次數(shù)，從而更好地提升系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)放的有效性。在使用ZigBee模塊前，需要對其參數(shù)進(jìn)行針對性的配置，設(shè)置對應(yīng)的物理地址和數(shù)據(jù)發(fā)送模式。將手機(jī)或筆記本電腦和網(wǎng)關(guān)的WiFi成功連接后，點(diǎn)擊獲取數(shù)據(jù)信息，能夠顯示出當(dāng)前系統(tǒng)模式狀態(tài)，根據(jù)需要對相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行修改，達(dá)到使用的效果，則就能夠進(jìn)入正常龔總狀態(tài)。

CC2530 ZigBee芯片與CC2590功放配合，網(wǎng)關(guān)與ZigBee終端設(shè)備間支持50m以上傳輸距離，另外各個(gè)ZigBee終端設(shè)備通過全網(wǎng)絡(luò)連接，可以組成一個(gè)覆蓋整個(gè)商場，節(jié)點(diǎn)最大可達(dá)65536個(gè)的智能照明大網(wǎng)絡(luò)。ZigBee模塊電路圖如圖2所示：

圖2 ZigBee模塊電路圖

第三為無線照明終端驅(qū)動(dòng)電源模塊。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的無線照明終端驅(qū)動(dòng)電源模塊的管理芯片采用了LM3406，其使用的電壓范圍較寬，電壓基準(zhǔn)較低，并能夠較快的實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定，能夠作為本次無線照明系統(tǒng)的電源控制。時(shí)間控制引腳選擇使用Ron，實(shí)現(xiàn)VIN腳與電阻的連接。光信號的輸入腳設(shè)計(jì)為DIM腳，無線照明終端的工作狀態(tài)采用PWM調(diào)光信號進(jìn)行控制，無線照明終端工作原理如圖3所示。

當(dāng)系統(tǒng)通電后，首先為ZigBee模塊和WiFi模塊進(jìn)行初始化，然后程序開始構(gòu)建一個(gè)全新的網(wǎng)絡(luò)，等到所有的節(jié)點(diǎn)加入完畢之后，系統(tǒng)開始采用循環(huán)的方式進(jìn)行有無收到數(shù)據(jù)信息的檢測，當(dāng)檢測到相關(guān)的數(shù)據(jù)信息之后，將其轉(zhuǎn)發(fā)到無線照明終端和人機(jī)交互界面。

當(dāng)上電進(jìn)行全面的初始化之后，發(fā)出入網(wǎng)申請信號，然后獲取分配的網(wǎng)絡(luò)地址，加入到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)加入網(wǎng)絡(luò)之后，開始執(zhí)行網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)指令，實(shí)現(xiàn)對無線照明終端的調(diào)節(jié)，或者實(shí)現(xiàn)對傳感器數(shù)據(jù)的采集。

圖3 無線照明終端工作原理

軟件設(shè)計(jì)：

圖4 網(wǎng)關(guān)工作流程圖

4 結(jié)語

針對當(dāng)前有線照明系統(tǒng)存在的弊端，基于WiFi和ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)了智能無線照明系統(tǒng)，整個(gè)工作過程非?？煽?、不用進(jìn)行布線，組網(wǎng)靈活及系統(tǒng)可靠性高，能夠?qū)崿F(xiàn)對無線照明終端的全面控制和單個(gè)控制，可以廣泛應(yīng)用在家庭、酒店、商場等場所，提升人民生活的便捷性。WiFi技術(shù)和ZigBee技術(shù)相結(jié)合有著非常好的發(fā)展前景，特別是在ZigBee3.0推出后，ZigBee系統(tǒng)的兼容性越來越高，應(yīng)用也越來越廣，目前，多種無線通信技術(shù)的融合為智能控制的一大發(fā)展方向。

[1]趙春花，謝志祥.基于數(shù)字電視機(jī)頂盒和ZigBee無線協(xié)議的智能家庭網(wǎng)關(guān)[J].電子制作，2014（11）：161-162.

[2]陳雨青，沈承舒，彭曉珊，孫健，楊波.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的樓宇電力節(jié)能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].貴陽學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013（4）：52-55，58.

[3]楊超，魏東，莊俊華.基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的地下車庫照明節(jié)能控制系統(tǒng)研發(fā)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015（S1）：490-495.

TU855；TN92

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1009-6434（2016）02-0052-02