Zigbee技術的室內照明系統(tǒng)設計研究方案

本文對ZigBee 協(xié)議的特點進行了分析，設計了一種適用于智能家居的室內照明自動控制系統(tǒng)。分析了現(xiàn)有室內照明自動控制系統(tǒng)中存在的問題，把ZigBee 技術應用到照明自動控制系統(tǒng)，在PICDEMZ 平臺上構建了ZigBee 無線網(wǎng)絡系統(tǒng)，實現(xiàn)了室內照明系統(tǒng)的無線控制，提高了系統(tǒng)的靈活性和實用性。

　　1. 引言

　　隨著科技的進步，人們對通信技術的要求也不斷增長，短距離無線通信技術也隨之產生。

　　如今，各種短距離無線通信技術層出不窮，其中較為成功并且應用比較廣泛的有Bluetooth(藍牙)、ZigBee、Wi-Fi、WiMAX、無線USB 和UWB 等。

　　ZigBee 的協(xié)議構架是建立在IEEE 802.15.4 標準基礎之上的。IEEE 802.15.4 標準定義了ZigBee 物理層(PHY)和媒體訪問控制層(MAC);ZigBee 聯(lián)盟則定義了ZigBee 協(xié)議的網(wǎng)絡層(ZWK)、應用層(APL)和安全服務規(guī)范。作為一種新興的低速率無線通信技術，ZigBee 技術擁有著速率低、功耗小、成本低、免許可無線通信頻段、近距離通信、時延短、數(shù)據(jù)傳輸可靠和組網(wǎng)方式多樣等多種技術特點，這些特點使ZigBee 技術很適合應用到工業(yè)控制、智能家居、醫(yī)療護理、智能農業(yè)、消費類電子和遠程控制等領域。目前，藍牙技術復雜，應用系統(tǒng)費用較高，功耗高，電池供電壽命短，在其無法突破價格瓶頸的情況下，ZigBee 技術將擁有更加廣闊的應用前景。

　　本文按照ZigBee 協(xié)議規(guī)范的要求，設計了一套適用于智能家居網(wǎng)絡的室內照明自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠準確地實現(xiàn)對室內各照明器件的遠程控制，并可通過監(jiān)測室內光線的變化調整電燈的開斷，實現(xiàn)對照明的智能控制，同時也使控制系統(tǒng)的可靠性和靈活性得到提高。

　　2. 基于Microchip ZigBee 協(xié)議棧的室內照明自動控制系統(tǒng)結構

　　本文所介紹的室內照明自動控制系統(tǒng)是 ZigBee 技術在智能家居中的一種典型應用。

　　Microchip ZigBee 協(xié)議棧是在ZigBee 無線協(xié)議規(guī)范的基礎上定義的，但它不完全符合ZigBee 協(xié)議，不支持群集和點對點網(wǎng)絡，沒有安全和訪問控制功能，沒有路由器功能，也不支持一對多綁定。使用Microchip ZigBee 協(xié)議棧設計ZigBee 節(jié)點，需要具備的硬件條件至少要包括一個帶有SPI 串口的PIC18F 單片機，一個帶有所需外部元件的RF 收發(fā)器，一根天線，可以是PCB 上的引線形成的天線或單極天線。

　　系統(tǒng)構建的是一個星狀網(wǎng)絡，即由一個協(xié)調器節(jié)點和若干終端節(jié)點構成的主從網(wǎng)絡。最先啟動的FFD(全功能設備)自任PAN 協(xié)調器，并選擇一個和其覆蓋區(qū)域內的其它PAN不同的標識符作為自己的PAN 標識符。通常在其工作區(qū)域內不存在其它PAN 時，PAN 標志符設置為0。協(xié)調器可以允許其它FFD 和RFD(精簡功能設備)加入網(wǎng)絡。在星狀網(wǎng)絡中，協(xié)調器節(jié)點和終端節(jié)點之間可以相互發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)，但兩個終端節(jié)點之間不能進行直接通信，如果一個終端節(jié)點要向另一個終端節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，只能通過協(xié)調器這個中間媒介完成。

　　依照Microchip ZigBee 協(xié)議棧的開發(fā)要求，我們設計了一個可以移植Microchip ZigBee協(xié)議棧的室內照明自動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的結構框圖如圖1 所示。

　　其中協(xié)調器節(jié)點和所有終端節(jié)點共同構成了ZigBee 無線通信網(wǎng)絡。協(xié)調器節(jié)點的作用是建立一個網(wǎng)絡，并為加人到網(wǎng)絡中的節(jié)點分派網(wǎng)絡地址，同時還負責通過串口和上位機進行通信，各個終端節(jié)點則是為了實現(xiàn)具體的開關電燈的功能，并將工作的結果反饋給協(xié)調器節(jié)點。上位機除了實時監(jiān)控網(wǎng)絡工作狀況外還起到家庭網(wǎng)關的作用，即可以提供各種遠程智能控制接口，在家庭內部的ZigBee 網(wǎng)絡和Internet 之間建立起一種連接，使用戶可以用一臺連接到Internet 上的PC 機控制家里的電器設備。

　　圖1照明控制系統(tǒng)結構示意圖

　　3. 系統(tǒng)節(jié)點的硬件設計

　　設計選用 Microchip 公司的PIC18LF4620 單片機作為控制器，射頻收發(fā)器部分采用TI公司的CC2420 射頻模塊?？刂破魍ㄟ^SPI 總線和一些離散控制信號與射頻模塊相連，控制器充當SPI 主器件，而射頻模塊充當從器件。控制器實現(xiàn)了IEEE 802.15.4 MAC 層和ZigBee協(xié)議層，射頻模塊CC2420 則實現(xiàn)了IEEE 802.15.4 物理層和一些MAC 層功能。圖2 為終端節(jié)點的結構框圖：圖3 為協(xié)調器節(jié)點的結構框圖：

　　圖2 終端節(jié)點的結構框圖

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