基于ZigBee與WiFi的無(wú)線(xiàn)智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳章進(jìn),張建峰,李翰超

(1.上海大學(xué) 計(jì)算中心，上?！?00072; 2.上海大學(xué) 微電子研究與開(kāi)發(fā)中心，上?！?00072)

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基于ZigBee與WiFi的無(wú)線(xiàn)智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳章進(jìn)1,2,張建峰1,李翰超1

(1.上海大學(xué) 計(jì)算中心，上海200072; 2.上海大學(xué) 微電子研究與開(kāi)發(fā)中心，上海200072)

摘要：為了提高照明系統(tǒng)的使用效率，減少電能的浪費(fèi);設(shè)計(jì)了一種以TI公司的CC2530芯片與Ralink公司RT5350芯片為核心的，結(jié)合了ZigBee與WiFi技術(shù)的無(wú)線(xiàn)智能照明系統(tǒng);該系統(tǒng)在控制終端與各照明節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)建混合型無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)，并實(shí)現(xiàn)了將ZigBee網(wǎng)絡(luò)與UPnP標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合;控制終端可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各照明節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，同時(shí)可發(fā)送控制命令到各終端節(jié)點(diǎn);分析了系統(tǒng)的工作原理、硬件架構(gòu)、軟件設(shè)計(jì);實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠可靠地完成信息的采集與發(fā)送，誤包率在50 m 范圍內(nèi)可控制在4.0%以?xún)?nèi),系統(tǒng)具有誤包率低，穩(wěn)定可靠，成本低等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了照明系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化管理。

關(guān)鍵詞：ZigBee;WiFi;通用即插即用;智能照明

0引言

長(zhǎng)久以來(lái)，人們對(duì)照明系統(tǒng)的控制主要是基于本地式開(kāi)關(guān)，此種傳統(tǒng)控制方式制約了現(xiàn)代人快節(jié)奏的生活方式，與當(dāng)下節(jié)能環(huán)保概念相違背，因?yàn)檎彰饕恢笔浅鞘须娏ο牡拇髴?hù)，隨著城市的大規(guī)模擴(kuò)展，各種大型商場(chǎng)的建立，公共的照明設(shè)施越來(lái)越多，而如此眾多的照明設(shè)施就需要有專(zhuān)門(mén)的管理人員每天來(lái)檢查、控制。在大型商場(chǎng)中，由于管理操作的不便性，經(jīng)常出現(xiàn)關(guān)燈不及時(shí)，燈發(fā)生故障而不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)等諸多不利，這樣不但消耗人力，而且造成電能的浪費(fèi)。傳統(tǒng)的照明控制方式已滿(mǎn)足不了現(xiàn)代人的使用需求，于是智能照明控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

如今很多公共照明設(shè)施出現(xiàn)了采用光控或聲控的方式，此種方式可及時(shí)地打開(kāi)、關(guān)閉燈，節(jié)省了不少的電能，也有些場(chǎng)所采用無(wú)線(xiàn)控制方式，如紅外遙控，避免了布線(xiàn)繁雜的困擾[1]，然而這些方式都只能對(duì)各個(gè)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)一對(duì)一的控制，不能對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的遠(yuǎn)程監(jiān)控。無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展為遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)提供了新的通信方式，ZigBee[2-3]是一種基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的新興的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[4]，具有短距離、低功耗、低成本、低復(fù)雜度等優(yōu)勢(shì)，主要應(yīng)用在各種電子設(shè)備之間的無(wú)線(xiàn)通信中[5]，尤其適合應(yīng)用于樓宇的自動(dòng)化設(shè)備中。然而支持ZigBee協(xié)議的硬件設(shè)備上都不具有以太網(wǎng)口或WLAN網(wǎng)口，更不支持TCP/IP協(xié)議棧，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)UPnP(通用即插即用)標(biāo)準(zhǔn)[6]，也無(wú)法與生活中常用的手機(jī)、PC直接相連，這給統(tǒng)一遠(yuǎn)程監(jiān)控帶來(lái)了不便。

本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee與WiFi技術(shù)的無(wú)線(xiàn)智能照明系統(tǒng)，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)與WiFi網(wǎng)絡(luò)之間架設(shè)嵌入式網(wǎng)關(guān)，建立混合型無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)[7]，并將ZigBee網(wǎng)絡(luò)與UPnP標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)PC、手機(jī)端與各ZigBee節(jié)點(diǎn)之間的互聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)所有照明節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

系統(tǒng)主要由ZigBee網(wǎng)絡(luò)、嵌入式網(wǎng)關(guān)和WiFi網(wǎng)絡(luò)三部分組成。如圖1所示，其中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中包含照明終端，路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器，各節(jié)點(diǎn)之間的通信距離為30~70 m,可根據(jù)節(jié)點(diǎn)周邊環(huán)境在合適的地方配置路由器，構(gòu)成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，來(lái)使ZigBee網(wǎng)絡(luò)覆蓋整棟大樓。協(xié)調(diào)器是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備，通過(guò)協(xié)調(diào)器采集各照明終端的狀態(tài)信息，并實(shí)現(xiàn)對(duì)ZigBee節(jié)點(diǎn)的控制。通過(guò)串口將協(xié)調(diào)器與嵌入式網(wǎng)關(guān)相連接，嵌入式網(wǎng)關(guān)中運(yùn)行UPnP協(xié)議的設(shè)備部分，為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)虛擬的UPnP設(shè)備，將虛擬的UPnP設(shè)備與實(shí)際的終端節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的上報(bào)與發(fā)現(xiàn)。最后，通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)將控制終端如電腦，手機(jī)等與嵌入式網(wǎng)關(guān)相連接，從UPnP網(wǎng)絡(luò)中的控制點(diǎn)來(lái)看，每個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)都是實(shí)現(xiàn)了UPnP協(xié)議的設(shè)備。系統(tǒng)通過(guò)嵌入式網(wǎng)關(guān)，將ZigBee網(wǎng)絡(luò)與WiFi網(wǎng)絡(luò)互連，實(shí)現(xiàn)PC、手機(jī)對(duì)各照明終端的狀態(tài)監(jiān)控。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

無(wú)線(xiàn)智能照明系統(tǒng)的硬件架構(gòu)主要包括兩大部分：

1)構(gòu)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)的照明終端、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器；

2)連接ZigBee網(wǎng)絡(luò)與WiFi網(wǎng)絡(luò)的嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

以下分別介紹這兩大部分。

2.1ZigBee無(wú)線(xiàn)通信節(jié)點(diǎn)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要由終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，本系統(tǒng)采用了TI公司的CC2530芯片作為ZigBee無(wú)線(xiàn)通信的核心，CC2530集成了符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz的RF收發(fā)器，增強(qiáng)型8051CPU和系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，滿(mǎn)足低成本、低功耗的要求，并結(jié)合TI開(kāi)發(fā)的ZigBee協(xié)議棧[8]，可方便用戶(hù)開(kāi)發(fā)，提供了強(qiáng)大完整的無(wú)線(xiàn)ZigBee解決方案。

2.2嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

嵌入式網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)將ZigBee網(wǎng)絡(luò)與WiFi網(wǎng)絡(luò)互連，并實(shí)現(xiàn)UPnP協(xié)議，對(duì)于嵌入式設(shè)備的要求如下：

1)具有射頻單元，支持WiFi，以實(shí)現(xiàn)PC，手機(jī)等控制端的接入。

2)具有串口，能夠與ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備協(xié)調(diào)器互連。

3)具有能夠支持TCP/IP協(xié)議棧的嵌入式操作系統(tǒng)。

4)能運(yùn)行C語(yǔ)言編寫(xiě)的網(wǎng)關(guān)程序。

本系統(tǒng)選用以Ralink公司的RT5350芯片為核心的嵌入式設(shè)備，其硬件架構(gòu)如圖2所示，RT5350內(nèi)部集成了基帶處理器，射頻，射頻功率放大器，一顆高性能的MIPS 24Kc 360 MHz處理器，支持150 Mbps無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)帶寬，其中SDRAM主要用于存放系統(tǒng)及用戶(hù)數(shù)據(jù)，F(xiàn)lash則主要用于存放嵌入式操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序，其中串口、MAC/基帶處理器及RF是系統(tǒng)的主要通信模塊，串口一方面用于系統(tǒng)映像文件的下載，另一方面主要用于與ZigBee網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器的互聯(lián)，MAC/基帶處理器及射頻提供系統(tǒng)WiFi網(wǎng)絡(luò)的連接。

圖2　嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件架構(gòu)

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為兩部分，一部分為ZigBee節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)，包括協(xié)調(diào)器、路由器、照明終端節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)是基于TI公司開(kāi)發(fā)的Z-Stack2007協(xié)議棧，通過(guò)任務(wù)查詢(xún)，事件觸發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度機(jī)制；另一部分為嵌入式網(wǎng)關(guān)中虛擬設(shè)備的實(shí)現(xiàn)，主要用于實(shí)現(xiàn)為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)虛擬的UPnP設(shè)備，并能通過(guò)UPnP協(xié)議對(duì)ZigeBee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制。

3.1數(shù)據(jù)傳輸格式設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)與協(xié)調(diào)器之間是通過(guò)固定的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行通訊，數(shù)據(jù)傳輸格式定義如表1所示，共8個(gè)字節(jié)，其中:

表1　幀格式定義

1)幀頭1和幀頭2為固定值0xFE和OxFD。

2)設(shè)備類(lèi)型指ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)備種類(lèi)，例如：0x00表示電燈，0x01表示電扇等，在本設(shè)計(jì)中為0x00。

3)設(shè)備序號(hào)指該ZigBee設(shè)備在該設(shè)備類(lèi)型中的序號(hào)，取值0x00到0xFF。

4)幀類(lèi)型表示該設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)：0x00為不存在幀，表示設(shè)備不可用；0x01為存在幀，表示設(shè)備可用；0x02表示變量幀；0x03為準(zhǔn)備幀，表示設(shè)備初始信息發(fā)送完畢。

5)變量名稱(chēng)表示此數(shù)據(jù)幀中變量值的意義，例如0x00表示開(kāi)關(guān)狀態(tài)，0x01表示燈光亮度。

6)變量值指變量名稱(chēng)所對(duì)應(yīng)的值的大小。

7)幀校驗(yàn)位由Z-stack協(xié)議棧自動(dòng)添加。

3.2協(xié)調(diào)器軟件流程

協(xié)調(diào)器是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，主要負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立與管理，以及與嵌入式網(wǎng)關(guān)之間的通訊互連。由協(xié)調(diào)器向網(wǎng)關(guān)報(bào)告其發(fā)現(xiàn)的ZigBee設(shè)備，網(wǎng)關(guān)通過(guò)給協(xié)調(diào)器發(fā)送命令幀來(lái)完成對(duì)ZigBee節(jié)點(diǎn)的控制，其工作流程如圖3所示。

圖3　協(xié)調(diào)器軟件工作流程

3.3路由節(jié)點(diǎn)軟件流程

路由器節(jié)點(diǎn)主要完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)功能，根據(jù)需要，可設(shè)置多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)使ZigBee網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面更廣，可組成網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高ZigBee網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

路由節(jié)點(diǎn)的軟件工作流程如下：

1) 上電初始化，申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，尋找合適的父節(jié)點(diǎn)，加入網(wǎng)絡(luò)。

2) 搜索信號(hào)，判斷轉(zhuǎn)發(fā)路徑。

3) 將數(shù)據(jù)以ZigBee通信協(xié)議打包轉(zhuǎn)發(fā)至下一節(jié)點(diǎn)。

3.4照明終端節(jié)點(diǎn)軟件流程

1) 照明終端節(jié)點(diǎn)首先進(jìn)行初始化，申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)。

2)照明終端成功加入網(wǎng)絡(luò)后，則向協(xié)調(diào)器發(fā)送ZigBee設(shè)備存在幀，等待網(wǎng)關(guān)為其在虛擬設(shè)備列表中建立新的設(shè)備節(jié)點(diǎn)。

3)照明終端通過(guò)協(xié)調(diào)器向網(wǎng)關(guān)發(fā)送ZigBee設(shè)備所具有的變量值。

4)接收控制點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)關(guān)發(fā)來(lái)的變量幀，并完成設(shè)備中的變量值設(shè)置，同時(shí)給控制點(diǎn)回復(fù)“動(dòng)作完成響應(yīng)”。終端節(jié)點(diǎn)軟件工作流程如圖4所示。

圖4　照明終端軟件工作流程

3.5網(wǎng)關(guān)中虛擬設(shè)備的實(shí)現(xiàn)

在整個(gè)嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)中，控制點(diǎn)與虛擬設(shè)備的實(shí)現(xiàn)都是基于UPnP協(xié)議框架。UPnP指通用即插即用[9-10]，當(dāng)任何設(shè)備只要加入網(wǎng)絡(luò)，所有網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備就能知道有新的設(shè)備加入，同時(shí)這些設(shè)備之間可直接獲得其他設(shè)備的信息，并且可發(fā)送控制命令。UPnP設(shè)備體系結(jié)構(gòu)包括設(shè)備之間，控制點(diǎn)之間，設(shè)備與控制點(diǎn)之間的通信，UPnP協(xié)議主要由SSDP模塊、Web Server模塊、SOAP模塊、GENA模塊組成，分別負(fù)責(zé)設(shè)備發(fā)現(xiàn)、設(shè)備描述、設(shè)備控制、訂閱功能。以下主要介紹在本無(wú)線(xiàn)智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)照明終端在嵌入式網(wǎng)關(guān)中的設(shè)備虛擬化。

3.5.1設(shè)備尋址的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在UPnP協(xié)議中，需要為每個(gè)加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備通過(guò)DHCP的方式動(dòng)態(tài)分配一個(gè)IP地址，在本設(shè)計(jì)中，由于加入網(wǎng)絡(luò)的是ZigBee設(shè)備，無(wú)法為其分配一個(gè)獨(dú)立的IP地址，因此，在本設(shè)計(jì)中讓所有設(shè)備都共用同一個(gè)IP地址，同時(shí)為了區(qū)分每個(gè)加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，而采用設(shè)備的UDN(唯一設(shè)備名稱(chēng))來(lái)標(biāo)識(shí)每個(gè)設(shè)備。

3.5.2設(shè)備發(fā)現(xiàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

設(shè)備發(fā)現(xiàn)主要包括兩種情況，一種是當(dāng)ZigBee設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需通過(guò)廣播的方式，向ZigBee與WiFi混合網(wǎng)絡(luò)中的所有控制點(diǎn)宣告“設(shè)備可用”，而當(dāng)ZigBee設(shè)備退出網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需向控制點(diǎn)宣告“設(shè)備不可用”。另一種情況是控制點(diǎn)通過(guò)廣播的方式搜索加入網(wǎng)絡(luò)的ZigBee設(shè)備，當(dāng)搜索到可用設(shè)備后，該設(shè)備通過(guò)單播響應(yīng)控制點(diǎn)的請(qǐng)求。如圖5，描述了設(shè)備宣告的實(shí)現(xiàn)步驟。其中設(shè)備管理模塊主要是對(duì)設(shè)備描述文件進(jìn)行解釋?zhuān)瑥亩@得該設(shè)備的服務(wù)信息，并且在設(shè)備描述列表中為該設(shè)備分配一個(gè)ID號(hào)，用于索引。

圖5　設(shè)備宣告的實(shí)現(xiàn)

3.5.3設(shè)備描述的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

當(dāng)PC、手機(jī)等控制點(diǎn)獲得由ZigBee設(shè)備發(fā)來(lái)的“設(shè)備可用”宣告后，為獲取更多有關(guān)設(shè)備的通用信息，如ZigBee設(shè)備的制造廠商名、設(shè)備序列號(hào)等，同時(shí)為獲得設(shè)備的服務(wù)描述，如本設(shè)計(jì)中ZigBee終端可提供照明，可監(jiān)控?zé)糸_(kāi)關(guān)狀態(tài)等，會(huì)基于HTTP傳輸機(jī)制向設(shè)備發(fā)送設(shè)備描述請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，其主要步驟為：

1)控制點(diǎn)通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求數(shù)據(jù)包處理模塊生成“HTTP GET”數(shù)據(jù)請(qǐng)求包，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通訊模塊發(fā)送給ZigBee設(shè)備。

2) ZigBee設(shè)備端接收到“HTTP GET”請(qǐng)求后，將控制點(diǎn)所需的信息以設(shè)備描述文件名的方式發(fā)送給Web 服務(wù)器。

3)Web 服務(wù)器讀取虛擬目錄中的設(shè)備描述文件內(nèi)容，并再次提交給數(shù)據(jù)包處理模塊，數(shù)據(jù)包處理模塊將設(shè)備描述文件的內(nèi)容打包發(fā)送給控制點(diǎn)作為請(qǐng)求的響應(yīng)。

4) 控制點(diǎn)獲得響應(yīng)數(shù)據(jù)包后，將它交給XML解釋模塊，XML解釋模塊將設(shè)備相關(guān)信息再通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)返回給控制點(diǎn)。

3.5.4設(shè)備控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

設(shè)備控制主要分為兩種：一種是動(dòng)作請(qǐng)求，由控制點(diǎn)將動(dòng)作請(qǐng)求通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給嵌入式網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)發(fā)送給ZigBee終端，如打開(kāi)或關(guān)閉照明終端，終端設(shè)備接收到命令后執(zhí)行相應(yīng)的操作；另一種是變量查詢(xún)，由控制點(diǎn)向ZigBee設(shè)備發(fā)送變量查詢(xún)請(qǐng)求，如查詢(xún)照明終端的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，ZigBee設(shè)備通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)，WiFi網(wǎng)絡(luò)將變量結(jié)果返回給控制點(diǎn)，這兩種控制均是基于TCP的HTTP消息傳輸。其中主要介紹動(dòng)作請(qǐng)求的實(shí)現(xiàn)方式如圖6所示。

圖6　動(dòng)作請(qǐng)求實(shí)現(xiàn)流程

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為檢測(cè)本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，在一幢樓的不同地方放置多個(gè)帶有ZigBee節(jié)點(diǎn)的照明終端進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)中，將PC連接上WiFi,兩種網(wǎng)絡(luò)通過(guò)嵌入式網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)化與數(shù)據(jù)通訊。通過(guò)PC端發(fā)送控制命令，同時(shí)將ZigBee終端的返回信息打印出來(lái)，實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)誤包率及數(shù)據(jù)包的RSSI(信號(hào)接收強(qiáng)度)兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，以測(cè)試該混合網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

為提高數(shù)據(jù)的可信度，分別對(duì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行了30次數(shù)據(jù)測(cè)量，取這30組數(shù)據(jù)的平均值，分析該點(diǎn)的RSSI及誤包率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示,其中圖7(a)顯示的為誤包率，指實(shí)際接收到的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)占總發(fā)送數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)的百分比，圖7(b)為信號(hào)接收強(qiáng)度。從圖7(a)中可以看出，當(dāng)距離在5 m以?xún)?nèi)，誤包率為0；當(dāng)距離在30 m以?xún)?nèi)時(shí)，誤包率可控制在2%，說(shuō)明在這段距離內(nèi)，該混合網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸具有較強(qiáng)的可靠性；而當(dāng)距離在30~50 m時(shí)，雖然誤包率明顯增大，但控制在4%以?xún)?nèi)，仍可以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。從圖7(b)中可以看出，RSSI值強(qiáng)烈依賴(lài)于信號(hào)傳輸距離的限制，在5 m范圍內(nèi)，RSSI值保持在-65~-40 dBm，而隨著距離的增大，RSSI值有呈指數(shù)衰減的趨勢(shì)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該無(wú)線(xiàn)控制系統(tǒng)在50 m范圍內(nèi)，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳輸能力，實(shí)現(xiàn)了ZigBee網(wǎng)絡(luò)與WiFi網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，且有較高的可靠性。

5結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee與WiFi的無(wú)線(xiàn)智能照明系統(tǒng)，從硬件模塊的設(shè)計(jì)到軟件流程的分析，結(jié)合了ZigBee網(wǎng)絡(luò)與WiFi網(wǎng)絡(luò)的各自?xún)?yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了將ZigBee與WiFi兩種網(wǎng)絡(luò)互連，構(gòu)成混合型無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，且在軟件模塊中實(shí)現(xiàn)了UPnP標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)虛擬設(shè)備的建立，將UPnP標(biāo)準(zhǔn)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，使得無(wú)線(xiàn)智能照明系統(tǒng)控制更加方便簡(jiǎn)單，提高了公共照明設(shè)施的管理效率。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該混合型網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定，且具有較高的可靠性。

圖7　實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

參考文獻(xiàn)：

[1] 聞濤. 紅外智能照明節(jié)能控制系統(tǒng)在教室中的應(yīng)用[J]. 建筑節(jié)能,2015,07:79-81.

[2] 吳濤,楊著,張麗霞. 基于ZigBee和Android手機(jī)的無(wú)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2015,23(3):809-811.

[3] 張大偉,陳佳品,馮潔,等. 面向準(zhǔn)危重病人的區(qū)域化無(wú)線(xiàn)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)研制[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào),2014,01:74-81.

[4] Pedro C，Kafai C，Yinghoi L.A ZigBee-Based wireless sensor network node for ultraviolet detection of flame[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2011,58(11) : 5271-5277.

[5] 焦尚彬,宋丹,張青,等. 基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]. 電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2013,27(5):436-442.

[6] 楊威,朱珍民,陳援非,等. 遠(yuǎn)程訪問(wèn)UPnP網(wǎng)絡(luò)的方法與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2012,05:1691-1694，1699.

[7] 曾磊,張海峰,侯維巖. 基于WiFi的無(wú)線(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電測(cè)與儀表,2011,48(7):81-83,96.

[8] 章偉聰,俞新武,李忠成. 基于CC2530及ZigBee協(xié)議棧設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)[J]. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2011,07:184-187，120.

[9] 吳兆立. UPnP基本原理以及在NAT中的應(yīng)用[J]. 網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用,2014,11:73-74，76.

[10] 蘇詩(shī)薦,章杰,林培杰,等. 一種即插即用的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用,2014,22:4-7.

Design of Wireless Intelligent Lighting System Based on ZigBee and WiFi Chen Zhangjin1,2，Zhang Jianfeng2，Li Hanchao2

(1.Computer Center, Shanghai University，Shanghai200072, China;2.Microelectronic R&D Center, Shanghai University，Shanghai200072, China)

Abstract:In order to improve the efficiency of lighting system, and reduce the waste of energy. A wireless intelligent lighting system combined with ZigBee and WiFi technology is designed. It is based on the chip CC2530 of TI and RT5350 of Ralink company. The hybrid wireless network is built between the control terminal and the lighting node, and achieved the combination of ZigBee network and UPnP standard. The control terminal can realtime monitor the status of lighting node, and can send control command to every terminal node. The operating principle of system, hardware architecture and software design are analysed. The experiment result shows that the system can complete the acquisition and transmission of information, and packet error can be controlled with 4.0% in the range of 50 m, the system has the advantages of low packet error, stable, reliable and low cost, achieving the network management of lighting system.

Keywords:ZigBee; WiFi; UPnP; intelligent lighting

文章編號(hào)：1671-4598(2016)02-0228-04

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.063

中圖分類(lèi)號(hào)：TN98

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：陳章進(jìn)(1968-)，男，上海人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事微電子及集成電路設(shè)計(jì)、多媒體支持下的高清晰度顯示方向的研究。

基金項(xiàng)目：上海市經(jīng)信委“2011年度上海市引進(jìn)技術(shù)的吸收與創(chuàng)新計(jì)劃”資助項(xiàng)目(11XI-15);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61376028)；上海市科委資助項(xiàng)目(13111104600)。

收稿日期：2015-08-19；修回日期：2015-08-29。