長江大學(xué)電子信息學(xué)院 涂 亮 李 智 孫先松

引言

目前市場上有多種智能家居情景照明的解決方案，其中利用Zigbee技術(shù)組網(wǎng)配合MCU控制的方案因?yàn)槠涑杀镜?、功耗低和易于?shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用，本文提出來一種利用Zigbee技術(shù)組成無線網(wǎng)絡(luò)，利用簡化的Ztack協(xié)議進(jìn)行通信，結(jié)合無線定位技術(shù)，可以對家居中多盞燈進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高亮度調(diào)節(jié)、情景轉(zhuǎn)換以及同房間實(shí)現(xiàn)多個情景的智能控制的目的。

1.無線Zigbee網(wǎng)絡(luò)

Zigbee是一種新興的短距離、低速率、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它是一種介于無線標(biāo)簽標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)方案，主要用于近距離無線連接，具有自己的無線電標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個微小的傳感器之間互相協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信，這種傳感器只需要很少的能量，一接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，因此可靠性好、時延段、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全性高、覆蓋范圍廣、通信效率非常高。Zgibee聯(lián)盟定義了一套燈光無線控制的規(guī)范，這就保證了今后各個生產(chǎn)商的相關(guān)產(chǎn)品能夠互聯(lián)互通，使ZigBee用于智能照明系統(tǒng)并廣為推廣，有著巨大的市場。

Zigbee采用自組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，這種架構(gòu)被稱為無線基礎(chǔ)架構(gòu)的無線局域網(wǎng)，而且對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的設(shè)備數(shù)量不加限制，并隨時建立無線通信鏈路。協(xié)調(diào)器一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，新添加的RFD會被及時發(fā)現(xiàn)。

2.系統(tǒng)規(guī)劃

整個組網(wǎng)采用樹狀簇形與網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)相結(jié)合的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)，每個房間為一個單元，每個單元內(nèi)有一個主控器、幾個用戶控制器和多個節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)由一個LED和終端設(shè)備組成。用戶控制器起著收集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和發(fā)送計(jì)算后的控制信號。由ARM控制核心組成的總控制器控制著多個房間的總體控制。單房間分布圖和整體結(jié)構(gòu)布局如圖1、2。

在功能設(shè)計(jì)方面，主要有以下幾個功能：

（1）每個單元的單元控器能實(shí)現(xiàn)對房間內(nèi)所以燈進(jìn)行開啟和關(guān)閉以及情景模式亮度控制的功能。

（2）每個單元內(nèi)的用戶控制器能實(shí)時收集終端節(jié)點(diǎn)的亮度信息和位置信息，再結(jié)合用戶設(shè)置的情景模式，通過特定算法對每個終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送不同PWM控制信息以實(shí)現(xiàn)單房間不同區(qū)域不同情景模式的功能。

（3）總控制器實(shí)時顯示和控制某個單元所有單元的照明情況。

3.Zigbee智能照明系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

無線智能照明系統(tǒng)由4個部分組成：總控制器、單元控制器、用戶控制器和普通節(jié)點(diǎn)。普通節(jié)點(diǎn)由CC2431模塊與LED組成，主要是接受用戶控制器發(fā)來的燈光亮度調(diào)節(jié)信息。其中CC2431應(yīng)用電路圖如圖3。

用戶控制器由CC2531模塊、鍵盤輸入模塊、測光模塊和顯示模塊組成，主要功能是利用本身的定位引擎計(jì)算出普通節(jié)點(diǎn)到自己的位置，加上用戶設(shè)定照度值，結(jié)合特定算法計(jì)算出發(fā)給每個普通節(jié)點(diǎn)的照度值信息。其功能框圖如圖4。

總控器由ARM模塊、鍵盤輸入模塊、觸摸屏模塊和CC2431模塊組成，主要功能是顯示和控制各個單元的燈照度情況，其功能框圖如圖5。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)基于TI公司推出的CC2431芯片配套的Z-Stack協(xié)議棧簡化版和IAR集成開發(fā)環(huán)境。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 Home Automation Public Application Profile.所謂Profile是對邏輯設(shè)備即其接口的描述集合，針對某個特定應(yīng)用和準(zhǔn)則。其目的是讓不同廠家按照一個Profile設(shè)計(jì)的產(chǎn)品之間可以互相操作、互相交換。Zigbee HomeAutomation Public Application Profile規(guī)定了智能家居中照明設(shè)備、采暖通風(fēng)空調(diào)設(shè)備、自動窗簾和報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)規(guī)范。本文的無線智能照明系統(tǒng)就是在這個Profile上實(shí)現(xiàn)的。

3.2.1 定位技術(shù)

CC2431無線定位引擎基于RSSI技術(shù),定位系統(tǒng)由參考節(jié)點(diǎn)和盲節(jié)點(diǎn)組成。參考節(jié)點(diǎn)是一個位于已知位置的靜態(tài)節(jié)點(diǎn),這個節(jié)點(diǎn)知道自己的位置并可以將其位置通過發(fā)送數(shù)據(jù)包通知其他節(jié)點(diǎn)。盲節(jié)點(diǎn)從參考節(jié)點(diǎn)處接收數(shù)據(jù)包信號,獲得參考節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)及相應(yīng)的RSSI值并將其送入定位引擎,然后可以讀出由定位引擎計(jì)算得到的自身位置。由參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送給盲節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包至少包含參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)參數(shù)水平位置X和豎直位置Y,而RSSI值可由接收節(jié)點(diǎn)計(jì)算獲得。CC2431用一個定位引擎，定位引擎運(yùn)行時需要輸入3～8個參考坐標(biāo)，調(diào)用定位函數(shù)就可以計(jì)算出其他節(jié)點(diǎn)距離次節(jié)點(diǎn)的距離，下面給出一個定位函數(shù)和定位引擎操作流程圖6：

3.2.2 組網(wǎng)與加網(wǎng)

圖1 單房間布局

圖2 網(wǎng)絡(luò)分布圖

圖4 用戶節(jié)點(diǎn)功能框圖

圖3 CC2431應(yīng)用電路圖

圖5 總控制器功能框圖

圖6 定位引擎操作流程圖

圖7 單元控制器的軟件流程圖

圖8 普通節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖

圖9 普通節(jié)點(diǎn)照度信息

圖10 系統(tǒng)仿真效果圖

單元控制器扮演路由器或協(xié)調(diào)器的角色，主要是傳遞總控器的信息或組建網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器具有建立一個網(wǎng)絡(luò)、維護(hù)鄰居的設(shè)備表、對邏輯網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行分配、允許設(shè)備MAC層/應(yīng)用層的鏈接或斷開網(wǎng)絡(luò)的功能。其軟件流程圖如圖7。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器作為中心控制平臺，其任務(wù)是首先建立新的網(wǎng)絡(luò)，完成組建網(wǎng)絡(luò)的工作，接收各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并發(fā)送相應(yīng)的控制信號。在網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器中，先初始化硬件，再初始化協(xié)議棧，用于建立新網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)新建的程序段如下所示：

普通終端設(shè)備作為無限局域網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)，與用戶控制和單元控制器互相傳遞信息和接受其命令，其軟件流程圖如左圖：

當(dāng)一個網(wǎng)絡(luò)建立成功后，便要考慮路由節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)如何加入到網(wǎng)絡(luò)中去。路由節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)通過調(diào)用aplJoinNetwork()函數(shù)加入到協(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)中。路由節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)掃描信道找到協(xié)調(diào)器并申請加入網(wǎng)絡(luò)獲取協(xié)調(diào)器的地址的同時將自己的地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡(luò)加入成功后普通節(jié)點(diǎn)則進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到有命令或數(shù)據(jù)發(fā)送時才被喚醒。網(wǎng)絡(luò)加入程序如圖8：

下面給出普通節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的主程序：

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在網(wǎng)絡(luò)組建前，首先要測量普通節(jié)點(diǎn)（無線局域網(wǎng)終端設(shè)備與LED燈）的照度數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)的普通節(jié)點(diǎn)實(shí)際測量數(shù)據(jù)如圖9。

根據(jù)實(shí)測的普通節(jié)點(diǎn)照度數(shù)據(jù)，將其模型化，結(jié)合本系統(tǒng)特定的算法，進(jìn)行系統(tǒng)級仿真，器效果如圖10。

結(jié)語

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展和人民物質(zhì)生活水平的提高，家居智能化正成為國內(nèi)外的一個熱點(diǎn)?；赯igbee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)提高照相系統(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作用，符合國家節(jié)能減排的發(fā)展戰(zhàn)略。

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