摘 要：在簡單介紹無線智能照明系統(tǒng)特點的基礎(chǔ)上，討論基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的無線智能照明系統(tǒng)的實現(xiàn)。硬件設(shè)計基于支持ZigBee的oC芯片CC2430，軟件設(shè)計基于Z-tack協(xié)議棧和ZigBee Alliance規(guī)定的ZigBee ome Automation Public Application Profile。系統(tǒng)可以實現(xiàn)對燈節(jié)點的單控、全控、開關(guān)控制以及調(diào)光控制，達(dá)到使照明系統(tǒng)更加便捷和節(jié)能的設(shè)計目的。

關(guān)鍵詞：照明系統(tǒng);無線網(wǎng)絡(luò);ZigBee;CC2430

Wireless Intelligent Lighting ystem Based on ZigBee echnology

WU Guangrong，ZANG Jianxiong

(No2nd Research Institute，China Electronics echnology Group Corporation，angzhou，310012，China)[J12]

Abstract：he characteristics of wireless intelligent lighting system are presented simply in this paper，and then the design of wireless intelligent lighting system is discussed based on ZigBee wireless technologyhe true oC ZigBee solution CC2430 is applied to hardware design，and software design based on Z-tack which is compliant with the ZigBee specification and ZigBee ome Automation Public Application Profile provided by ZigBee Alliancehe lamps can be controlled one by one or as a wholeurn on/off the lamps simply or adjust the brightness of lamps can be realizedhe designed wireless intelligent lighting system can be operated conveniently，and the power is saved

Keywords：lighting system;wireless network;ZigBee;CC2430[J12/3]

1 引 言

隨著社會的進(jìn)步，節(jié)能和環(huán)保已是大勢所趨，在照明領(lǐng)域中，采用新型節(jié)能光源、節(jié)能電器及高效燈具來達(dá)到節(jié)約電能的目的，已廣泛被人們所接受。但如何通過節(jié)能照明設(shè)計來達(dá)到節(jié)約能源的目的才剛被人們重視?；谟芯€的照明控制系統(tǒng)，具有布線麻煩，增減設(shè)備需要重新布線、系統(tǒng)可擴(kuò)展性差、系統(tǒng)安裝和維護(hù)成本高以及移動性能差等缺點，因此無線通信技術(shù)，是實現(xiàn)智能照明系統(tǒng)的理想選擇。近年來，近距離無線通信技術(shù)獲得了迅猛的發(fā)展。其中主流技術(shù)包括紅外技術(shù)、藍(lán)牙(Bluetooth)、Wi-Fi、UWB(Ultra-Wideband)和ZigBee技術(shù)等。它們都有各自的標(biāo)準(zhǔn)、特點和相應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域，另外還有Z-Wave和MiWi等專有無線技術(shù)。智能照明系統(tǒng)自身的要求和ZigBee技術(shù)具有的特點，決定了ZigBee是實現(xiàn)無線智能照明系統(tǒng)的最佳解決方案。

無線智能照明系統(tǒng)的控制器與照明燈節(jié)點之間只需傳輸開關(guān)信號和調(diào)光信號等開光量，且數(shù)據(jù)發(fā)送頻率不高，而ZigBee的最大傳輸速率可以達(dá)到20 kb/s，這對于實現(xiàn)無線智能照明系統(tǒng)來說已經(jīng)足夠；無線智能照明系統(tǒng)的各個燈節(jié)點往往需要組成一個星型網(wǎng)、簇狀網(wǎng)或者網(wǎng)狀網(wǎng)，節(jié)點數(shù)量在幾十到幾千個之間，ZigBee對以上拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都做了很好的支持，且網(wǎng)絡(luò)最大節(jié)點數(shù)可達(dá)6 3，很好地滿足了無線智能照明系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及容量的要求，而這是藍(lán)牙和紅外技術(shù)所無法滿足的；不同廠家生產(chǎn)的無線智能照明系統(tǒng)的各種節(jié)點之間要求具有互操作性，ZigBee是一個開放式全球標(biāo)準(zhǔn)，世界各大ZigBee方案提供商都通過ZigBee Alliance的兼容性測試，并且ZigBee Alliance針對照明系統(tǒng)，專門制定了相應(yīng)的Profile，因此不同廠家基于ZigBee技術(shù)開發(fā)的燈節(jié)點之間可以進(jìn)行互操作和相互替換，從而保障生產(chǎn)商和用戶的利益和成本投入，這是Z-Wave和MiWi等專有的無線技術(shù)所無法滿足的；智能照明系統(tǒng)，比如智能家居，需要所有房間和樓層間的通信，這就需要系統(tǒng)具有穿墻的信號傳遞功能和網(wǎng)絡(luò)功能，ZigBee工作在24 Gz的IM頻段，節(jié)點之間的最大通信距離可達(dá)100 m，信號具有一定的穿墻能力，并且ZigBee支持路由節(jié)點，只要合理布局，可以保證建筑物內(nèi)沒有無線通信的盲區(qū)，這是紅外技術(shù)所無法提供的；ZigBee具備較快的響應(yīng)特性，2個節(jié)點之間的一次數(shù)據(jù)發(fā)送過程在 ms之內(nèi)即可完成，滿足照明系統(tǒng)對實時性的要求；照明系統(tǒng)對成本非常敏感，這將決定它能否實用化和產(chǎn)業(yè)化，ZigBee是一種低速率、低成本的無線通信技術(shù)，相比于Wi-Fi和UWB等這些適用于無線局域網(wǎng)和多媒體應(yīng)用的高速率無線標(biāo)準(zhǔn)而言，成本非常低廉［1］。本文主要討論基于ZigBee技術(shù)的無線智能照明系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。

2 基于ZigBee的智能照明系統(tǒng)的實現(xiàn)

ZigBee是一種在無線個人網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中新興的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。電子與電氣工程師協(xié)會IEEE于2000年底成立了80214工作組，規(guī)定了ZigBee的物理層和媒體接入控制層［2］。2001年8月成立了ZigBee聯(lián)盟，負(fù)責(zé)ZigBee規(guī)范的制定和應(yīng)用推廣工作，2004年12月推出ZigBee規(guī)范的正式版本ZigBee pecification V10。目前，ZigBee標(biāo)準(zhǔn)在ZigBee聯(lián)盟的推動下正日趨增強(qiáng)和完善，其實際工程應(yīng)用正日益普及。世界各大半導(dǎo)體巨頭I，F(xiàn)reecale和Ember等各自推出了符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的芯片及協(xié)議棧。其中，I公司的CC2430加Z-tack協(xié)議棧是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的最佳解決方案。本文的無線智能照明系統(tǒng)就是在這個平臺上實現(xiàn)的。

21 硬件設(shè)計

無線智能照明系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點三種。其中，協(xié)調(diào)器的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

CC2430芯片是首款符合ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)單芯片，片內(nèi)集成增強(qiáng)的801微控制器內(nèi)核和符合IEEE80214標(biāo)準(zhǔn)的24 Gz射頻收發(fā)器，具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性能，處于休眠模式時整個芯片的流耗小于09 μA，從硬件上支持CMA/CA機(jī)制，還集成有ADC，AE安全協(xié)處理器和UAR等片上外設(shè)及豐富的I/O口資源［3］。只需添加晶振等少量的元器件即可完成ZigBee節(jié)點的設(shè)計。協(xié)調(diào)器節(jié)點帶有44的鍵盤，用來設(shè)置整個系統(tǒng)的參數(shù)和發(fā)送控制命令，12 864漢字圖形點陣液晶模塊用于顯示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息。微控制器輸出開關(guān)量直接完成對照明燈的開關(guān)控制，微控制器輸出的數(shù)字量經(jīng)過8位的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器后，可以實現(xiàn)對照明燈的26級調(diào)光控制。另外，協(xié)調(diào)器節(jié)點還帶有震動感測器和亮度感測器，用于感測現(xiàn)場的震動信息和亮度信息。當(dāng)震動感測器測得震動較弱，即認(rèn)為現(xiàn)場人員已經(jīng)離開，此時可以自動關(guān)掉照明燈或者調(diào)暗亮度。當(dāng)亮度感測器測得光線太亮，如晴朗的白天，即可自動調(diào)低亮度，當(dāng)亮度感測器測得光線太暗，如夜晚或者陰雨的白天，即可調(diào)高亮度。系統(tǒng)只需在一個節(jié)點上集成震動感測器和亮度感測器，即可通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)向各個燈節(jié)點傳輸控制信息，實現(xiàn)對整個照明系統(tǒng)的智能控制、成本低廉。當(dāng)然也可以將震動感測器和亮度感測器做成一個單獨的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，用于感測現(xiàn)場不同位置的震動信息和亮度信息。

22 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計基于I公司推出的跟CC2430芯片配套的Z-tack協(xié)議棧和IAR集成開發(fā)環(huán)境。Z-tack在業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先水平，目前還在不斷完善和增強(qiáng)，其最新版本Z-tack 142，通過ZigBee測試機(jī)構(gòu)德國萊茵集團(tuán)的ZigBee兼容性測試，符合ZigBee 2006 specification，已被全球眾多ZigBee應(yīng)用開發(fā)廠家所采用，支持多種硬件平臺，包括面向IEEE/ZigBee的CC2430片上系統(tǒng)解決方案，基于CC2420收發(fā)器的新平臺和MP430超低功耗微處理器。此外，Z-tack還支持豐富的新特性，如無線下載，即通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)，下載網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的升級軟件，完成節(jié)點的軟件升級。Z-tack還支持具備定位感知功能的CC2431，該特性使用戶能夠設(shè)計出可根據(jù)節(jié)點當(dāng)前位置改變節(jié)點行為的新型ZigBee應(yīng)用。

針對ZigBee在家庭網(wǎng)絡(luò)方面的應(yīng)用，ZigBee Alliance制定專門的應(yīng)用框架，即ZigBee ome Automation Public Application Profile。所謂Profile是對邏輯設(shè)備及其接口的描述集合，是針對某個特定應(yīng)用的公約和準(zhǔn)則，其目的是使不同廠家按照同一個Profile設(shè)計的產(chǎn)品之間可以相互操作、相互替換。ZigBee ome Automation Public Application Profile規(guī)定了智能家居中的照明設(shè)備、采暖通風(fēng)空調(diào)設(shè)備、自動窗簾和報警裝置的設(shè)計規(guī)范［4］。本文的無線智能照明系統(tǒng)就是在這個Profile的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。

Z-tack提供了豐富的函數(shù)調(diào)用接口，其中用于發(fā)送數(shù)據(jù)報的函數(shù)如下：



aftatus_tafDataRequest ( 

afAddrype_t[WB]dstAddr， [JY]//目的地址

endPointDesc_t[DW]srcEP， [JY]//源節(jié)點端口號

[DW]uint16cID， [JY]//cluster ID

[DW]uint16len， [JY]//數(shù)據(jù)長度

[DW]uint8 buf， [JY]//數(shù)據(jù)

[DW]uint8 transID， [JY]//傳輸序列號

[DW]uint8options， [JY]//傳輸選項

[DW]uint8radius [JY]//路由跳數(shù)

)

其他具體的程序設(shè)計在這里不做一一闡述。

3 無線智能照明系統(tǒng)的實驗結(jié)果

在一個兩室兩廳的套房中布置1套基于ZigBee技術(shù)實現(xiàn)的無線智能照明系統(tǒng)的實驗網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。在每盞燈中都集成有ZigBee模塊，其中協(xié)調(diào)器節(jié)點是必需的。在其他地方，根據(jù)是否需要路由功能，可以配置為路由器或者終端節(jié)點。因為協(xié)調(diào)器節(jié)點和路由器節(jié)點具有路由功能，協(xié)議棧容量較大，所需的FLA空間較大，芯片的成本也較高，因此只把需要給其他節(jié)點路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報的節(jié)點配置為路由器節(jié)點，其他節(jié)點則都配置為終端節(jié)點，以降低成本。室內(nèi)所有的照明燈組成一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)，由協(xié)調(diào)器完成對所有照明燈的控制?？梢詫W(wǎng)絡(luò)中的照明燈單個分別進(jìn)行控制，也可以把所有的照明燈作為一個整體，進(jìn)行同時[LL]控制；實現(xiàn)了對照明燈的簡單開關(guān)控制和26級的調(diào)光控制；既可以設(shè)置成手動控制模式，也可以設(shè)置成自動控制模式，由協(xié)調(diào)器根據(jù)亮度感測器和震動感測器返回的亮度信息和震動信息，自動發(fā)送控制命令，完成對所有照明燈的控制。系統(tǒng)設(shè)計成本低廉，可靠性高、響應(yīng)速度快、智能化程度高，是不斷發(fā)展的電子信息技術(shù)在照明領(lǐng)域中的應(yīng)用，必將帶來照明技術(shù)的革新。

4 結(jié) 語

隨著計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展和人們物質(zhì)生活水平的提高，家居智能化正成為國內(nèi)外的一個研究熱點。基于ZigBee技術(shù)的無線智能照明系統(tǒng)目前主要應(yīng)用在智能大廈和高檔住宅。但是，隨著技術(shù)水平的不斷完善，相關(guān)產(chǎn)品的價格會逐步降低，巨大的民用市場將是最終的發(fā)展方向。該系統(tǒng)在提高照明系統(tǒng)的信息化、智能化程度的同時，對節(jié)約電能的消耗也起到了很大的作用，符合國家節(jié)能減排的發(fā)展戰(zhàn)略。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ZigBee AllianceZigBee pecification［EB/OL］http://wwwzigbeeorg/en/spec_download，2007-02-07

［2］IEEE Computer ociety80214-2006［EB/OL］http://standardsieeeorg/getieee802/download/80214-2006pdf，2007-01-07

［3］exas InstrumentsCC2430 Data heet［EB/OL］http://focusticomcn/cn/lit/ds/symlink/cc2430pdf，2007-0-30

［4］ZigBee Alliance ZigBee ome Automation Public Application Profile［EB/OL］http://wwwzigbeeorg/en/spec_download/spec_downloadasp?AccessCode=4932477

［］董興麗，周超英ZigBee技術(shù)在家庭網(wǎng)關(guān)中的應(yīng)用與實現(xiàn)[J]現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30(10):41-43

作者簡介 吳光榮 男，1963年出生，碩士研究生，講師。主要研究方向為新興無線通信技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化。

章劍雄 男，1978年出生，碩士研究生，工程師。主要研究方向為新興無線通信技術(shù)研究及相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)。