基于ZigBee通信的大型燈光控制系統(tǒng)設計

婁海峰, 王亞剛, 王　凱

(1.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093；2.上海出版印刷高等專科學校，上海 200093)

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基于ZigBee通信的大型燈光控制系統(tǒng)設計

婁海峰1, 王亞剛1, 王凱2

(1.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093；2.上海出版印刷高等專科學校，上海 200093)

針對于當前復雜燈光控制系統(tǒng)安裝布線以及后期管理維護的不便的問題，提出了一種基于ZigBee無線通信技術的大型燈光智能控制系統(tǒng)設計方案。該設計主要由ZigBee無線驅動設備、網關設備和上位機界面組成，驅動設備與網關設備使用ZigBee通信，實現設備組網。其中上位機界面是基于Niagara平臺實現的，提供了Web接口，通過瀏覽器可以訪問系統(tǒng)控制界面，實現了物聯(lián)網與互聯(lián)網的聯(lián)通。

ZigBee；燈光控制；Niagara；物聯(lián)網；互聯(lián)網

傳統(tǒng)的燈光控制系統(tǒng)，大多是依賴離線的控制裝置通過有線傳輸方式將控制信息傳送至驅動設備，實現部分控制功能。這種方法存在諸多缺點：(1)有線傳輸方式布線的過程繁雜，尤其是在大型的燈光控制系統(tǒng)中，如倉庫、樓宇等；(2)在對原有系統(tǒng)進行調整時，有線設備不靈活；(3)離線控制裝置導致管理人員對系統(tǒng)監(jiān)控的時間和地點都是固定的，這會導致不便。而采用本系統(tǒng)提供的解決方案將大幅提高燈控系統(tǒng)部署的靈活性，方便了整個系統(tǒng)的管理與維護，實現了移動式的管理策略。

1　ZigBee無線通信協(xié)議研究

ZigBee協(xié)議棧是在IEEE802.15.4標準基礎上建立的，IEEE802.15.4只定義了協(xié)議的MAC和PHY層[1]。ZigBee設備應包括IEEE802.15.4(該標準定義了RF射頻以及與相鄰設備之間的通信)的PHY和MAC層，以及ZigBee堆棧層：網絡層(NWK)、應用層和安全服務提供層。

ZigBee網絡中有3種不同的設備類型：協(xié)調器(C)，路由器(R)和終端設備(E)[2]。在ZigBee網絡中，協(xié)調器必須選擇一個網絡ID(PANID，64bit和16bit)和一個信道啟動起一個網絡，之后它的功能與路由器一樣。協(xié)調器設備和路由器設備可以設置入網權限，欲加入網絡的設備必須經過權限驗證。終端設備加入網絡后，只能連接在唯一的路由器或協(xié)調器上，所連接的設備稱為其父節(jié)點，父節(jié)點是唯一的，終端設備發(fā)送和接收數據必須通過父節(jié)點。當終端設備進入睡眠狀態(tài)前，會將一些需保存的信息存放至父節(jié)點，直到終端設備脫離睡眠狀態(tài)。

ZigBee網絡層支持3種網絡拓撲結構：星型，樹型和網狀網絡[3]。在網狀網中，每個設備在網絡中的位置是對等的，任何兩個設備間都可以相互傳輸數據。這種網絡拓撲結構中，數據從源設備到目的設備的過程是可以經過多個路由設備轉發(fā)進行一步步傳輸的，這種傳輸通常稱為多跳式傳輸[4]。多跳式傳輸的優(yōu)點在于增加了網絡規(guī)模，從而擴大了覆蓋范圍。因為ZigBee聯(lián)盟沒有給出網絡層的路由協(xié)議，所以用戶可以根據自身需要靈活使用的組網方式。

圖1　ZigBee網絡拓撲圖

本設計中需要網絡覆蓋的面積較大，所以使用網狀網。其中網關設備的ZigBee節(jié)點擔任協(xié)調器的功能，終端設備中的ZigBee節(jié)點擔任路由器的功能，可作為傳輸數據的中間介質，以擴大網絡的覆蓋面積，沒有使用終端節(jié)點。

2　系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)運用ZigBee技術實現了LED驅動聯(lián)網的功能。網關設備組建網絡，并管理所有加網的終端設備，利用ZigBee網絡的能夠擴展的特性增大網絡的覆蓋范圍。同時提供Modbus通信功能，可以將各個終端設備的信息存儲在Modbus寄存器中，供上位機實時查詢。

圖2　系統(tǒng)結構圖

終端設備主要提供兩種功能，一種是LED驅動終端，接收控制信號，實現驅動可調；另一種是傳感器終端，用來采集亮度信息。上位機使用Niagara平臺，包括硬件Jace和軟件平臺，在其軟件平臺上實現Web開發(fā)，管理者通過瀏覽器可監(jiān)測燈控系統(tǒng)。

3　終端設備設計

ZigBee模塊采用Ember公司的EM250芯片，在該芯片中下載了完整的ZigBee協(xié)議棧，并且提供了一些外圍資源，合并稱為XBeeZBfirmware。對XBee模塊進行配置或者對其固件升級、修改，Digi公司提供免費的軟件X-CTU，將XBee模塊插入接口板，通過USB轉串口連接線連接電腦和接口板，就可以在X-CTU中查找到XBee設備，然后進行相應的參數配置和固件升級。使用通用的串口調試助手也可以對XBee模塊進行配置，但沒有X-CTU的可視和批量化配置特性。

當配置好XBee的固件后，只需要將VCC，GND，DOUT，DIN引腳與主機設備Arduino的電源和串口進行連接，可以使用Arduino來操作XBee模塊[5]。具體硬件設計結構圖如圖3所示。

圖3　終端設備硬件結構圖

Arduino核心控制板與XBee通過UART通信，包括透傳模式和API模式。API模式下，數據以幀的形式進入和輸出模塊，大幅減小了主設備與網絡中其他設備的交互的復雜度。本方案采用API模式操作XBee模塊。Arduino從串口讀到網關發(fā)送來的控制指令，在設置好的的引腳輸出模擬信號，控制LED驅動輸出電壓從而調節(jié)燈光亮度[6-7]。

圖4　終端設備的軟件流程圖

4　網關設備

網關主要由MCU(Arduino)模塊、XBee無線模塊和電源電路模塊構成。在Arduino中設計了Modbus通信協(xié)議[8]，上位機可通過此協(xié)議訪問Modbus寄存器。

圖5　網關硬件結構圖

網關中的Arduino的處理器選用ATmega2560，其中串口0作為程序下載和Modbus通信口，使用ATmega16U2訪問串口0實現USB上的虛擬串口。其中電源模塊可以使用USB直接供電，或者使用5V電源，并且使用LP2985-33DBVR電源芯片輸出3.3V供XBee模塊使用。另外，Arduino通過I2C接口與液晶通信，控制液晶顯示Modbus通信相關的提示信息，方便用戶對網關進行配置。網關設備的軟件程序流程如圖6所示。

圖6　網關軟件流程圖

5　上位機軟件設計

系統(tǒng)采用Niagara平臺設計上位機控制界面。Niagara框架采用基于Baja標準發(fā)[9-10]。其擁有的Web功能使得Niagara框架具有良好的前瞻性。圖7是在Niagara平臺上開發(fā)設計的一種燈光控制界面。首先要加入Modbus驅動設備，選擇相應的硬件接口，按照Modbus寄存器定義表來綁定每一盞燈，實現界面上燈與實際設備的一一對應。同時按照區(qū)域劃分，分成兩塊實現批量控制。

此界面通過PC端的瀏覽器和移動端的瀏覽器都可以訪問，從而實現了物聯(lián)網和互聯(lián)網的連接，管理人員可通過此界面來監(jiān)控整個燈控系統(tǒng)。

系統(tǒng)運行前將網關設備連接至電腦，通過上位機軟件發(fā)送設備加網命令，終端設備分別加入已啟動的網絡中，并獲取各自的邏輯地址。此邏輯地址與上位機界面中各個燈的編號一一對應。圖8是設備加網的整個過程。

圖7　上位機界面

圖8　設備加網

6　結束語

ZigBee通信技術在物聯(lián)網上的應用優(yōu)勢明顯。首先，在物聯(lián)網中傳輸的信號大多是控制信號或傳感器采集的數據信號，這些信號要求的帶寬和傳輸速率并不太高；其次，ZigBee通信距離可擴展性是可適應實際項目的需求，本文設計的燈控網絡覆蓋面積達一萬余平米，傳感器數據信息需要經過多次路由才可到達數據采集中心；最后，采用ZigBee通信技術的成本相對于WiFi和Bluetooth還是相對低的。

本文從實際應用出發(fā)，在了解到現有燈光控制系統(tǒng)的缺點后，運用ZigBee無線通信技術完成LED燈光驅動的聯(lián)網功能，實現了控制信號無線傳輸，同時設計了網關設備，實現了ZigBee通信協(xié)議至Modbus通信協(xié)議的轉換，利用Niagara平臺將上位機控制界面移動到網頁上，實現Web訪問，在此系統(tǒng)上稍加改動便可適應多種物聯(lián)網系統(tǒng)的設計與開發(fā)。

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Design of a Large-scale Lighting Control System Based on ZigBee

LOUHaifeng1,WANGYagang1,WangKai2

(1.SchoolofOptical-ElectricalandComputerEngineering,UniversityofShanghaiforScience&Technology,Shanghai200093,China;2.ShanghaiPublishingandPrintingCollege,Shanghai20093,China)

Theexitingsolutionofcomplicatedlightingcontrolsystemisinflexible.Thispaperprovidesasolutionofalarge-scalelightingcontrolsystembasedonZigBeecommunication.Thesolutionincludesthedesignofend-device,thegateway,andtheuserinterface.Theend-devicesandthegatewayjointheZigBeenetworktocommunicatewitheachotherovertheair.TheuserinterfaceisdesignedontheNiagaraplatformwhichprovidestheWebinterface.Thus,thisuserinterfaceisavailableinbrowserbothonPCandmobilephone.

ZigBee;lightingcontrol;Niagaraplatform;internetofthings;internet

2015- 12- 27

婁海峰(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：無線傳感器網絡。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.09.035

TN926+.23;TP273

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1007-7820(2016)09-129-04