婁海峰, 王亞剛, 王　凱

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；2.上海出版印刷高等專科學(xué)校，上海 200093)

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基于ZigBee通信的大型燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

婁海峰1, 王亞剛1, 王凱2

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；2.上海出版印刷高等專科學(xué)校，上海 200093)

針對(duì)于當(dāng)前復(fù)雜燈光控制系統(tǒng)安裝布線以及后期管理維護(hù)的不便的問題，提出了一種基于ZigBee無線通信技術(shù)的大型燈光智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)主要由ZigBee無線驅(qū)動(dòng)設(shè)備、網(wǎng)關(guān)設(shè)備和上位機(jī)界面組成，驅(qū)動(dòng)設(shè)備與網(wǎng)關(guān)設(shè)備使用ZigBee通信，實(shí)現(xiàn)設(shè)備組網(wǎng)。其中上位機(jī)界面是基于Niagara平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的，提供了Web接口，通過瀏覽器可以訪問系統(tǒng)控制界面，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)通。

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

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(qū)動(dòng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)部分控制功能。這種方法存在諸多缺點(diǎn)：(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(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整時(shí)，有線設(shè)備不靈活；(3)離線控制裝置導(dǎo)致管理人員對(duì)系統(tǒng)監(jiān)控的時(shí)間和地點(diǎn)都是固定的，這會(huì)導(dǎo)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(gè)系統(tǒng)的管理與維護(hù)，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上建立的，IEEE802.15.4只定義了協(xié)議的MAC和PHY層[1]。ZigBee設(shè)備應(yīng)包括IEEE802.15.4(該標(biāo)準(zhǔn)定義了RF射頻以及與相鄰設(shè)備之間的通信)的PHY和MAC層，以及ZigBee堆棧層：網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層和安全服務(wù)提供層。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有3種不同的設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器(C)，路由器(R)和終端設(shè)備(E)[2]。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器必須選擇一個(gè)網(wǎng)絡(luò)ID(PANID，64bit和16bit)和一個(gè)信道啟動(dòng)起一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，之后它的功能與路由器一樣。協(xié)調(diào)器設(shè)備和路由器設(shè)備可以設(shè)置入網(wǎng)權(quán)限，欲加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備必須經(jīng)過權(quán)限驗(yàn)證。終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)后，只能連接在唯一的路由器或協(xié)調(diào)器上，所連接的設(shè)備稱為其父節(jié)點(diǎn)，父節(jié)點(diǎn)是唯一的，終端設(shè)備發(fā)送和接收數(shù)據(jù)必須通過父節(jié)點(diǎn)。當(dāng)終端設(shè)備進(jìn)入睡眠狀態(tài)前，會(huì)將一些需保存的信息存放至父節(jié)點(diǎn)，直到終端設(shè)備脫離睡眠狀態(tài)。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)層支持3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型，樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)[3]。在網(wǎng)狀網(wǎng)中，每個(gè)設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的位置是對(duì)等的，任何兩個(gè)設(shè)備間都可以相互傳輸數(shù)據(jù)。這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)從源設(shè)備到目的設(shè)備的過程是可以經(jīng)過多個(gè)路由設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行一步步傳輸?shù)模@種傳輸通常稱為多跳式傳輸[4]。多跳式傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)在于增加了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，從而擴(kuò)大了覆蓋范圍。因?yàn)閆igBee聯(lián)盟沒有給出網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議，所以用戶可以根據(jù)自身需要靈活使用的組網(wǎng)方式。

圖1　ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

本設(shè)計(jì)中需要網(wǎng)絡(luò)覆蓋的面積較大，所以使用網(wǎng)狀網(wǎng)。其中網(wǎng)關(guān)設(shè)備的ZigBee節(jié)點(diǎn)擔(dān)任協(xié)調(diào)器的功能，終端設(shè)備中的ZigBee節(jié)點(diǎn)擔(dān)任路由器的功能，可作為傳輸數(shù)據(jù)的中間介質(zhì)，以擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積，沒有使用終端節(jié)點(diǎn)。

2　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)運(yùn)用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)了LED驅(qū)動(dòng)聯(lián)網(wǎng)的功能。網(wǎng)關(guān)設(shè)備組建網(wǎng)絡(luò)，并管理所有加網(wǎng)的終端設(shè)備，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)的能夠擴(kuò)展的特性增大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。同時(shí)提供Modbus通信功能，可以將各個(gè)終端設(shè)備的信息存儲(chǔ)在Modbus寄存器中，供上位機(jī)實(shí)時(shí)查詢。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

終端設(shè)備主要提供兩種功能，一種是LED驅(qū)動(dòng)終端，接收控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)可調(diào)；另一種是傳感器終端，用來采集亮度信息。上位機(jī)使用Niagara平臺(tái)，包括硬件Jace和軟件平臺(tái)，在其軟件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)Web開發(fā)，管理者通過瀏覽器可監(jiān)測(cè)燈控系統(tǒng)。

3　終端設(shè)備設(shè)計(jì)

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(duì)XBee模塊進(jìn)行配置或者對(duì)其固件升級(jí)、修改，Digi公司提供免費(fèi)的軟件X-CTU，將XBee模塊插入接口板，通過USB轉(zhuǎn)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(shè)備，然后進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)配置和固件升級(jí)。使用通用的串口調(diào)試助手也可以對(duì)XBee模塊進(jìn)行配置，但沒有X-CTU的可視和批量化配置特性。

當(dāng)配置好XBee的固件后，只需要將VCC，GND，DOUT，DIN引腳與主機(jī)設(shè)備Arduino的電源和串口進(jìn)行連接，可以使用Arduino來操作XBee模塊[5]。具體硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3　終端設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)圖

Arduino核心控制板與XBee通過UART通信，包括透?jìng)髂Ｊ胶虯PI模式。API模式下，數(shù)據(jù)以幀的形式進(jìn)入和輸出模塊，大幅減小了主設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備的交互的復(fù)雜度。本方案采用API模式操作XBee模塊。Arduino從串口讀到網(wǎng)關(guān)發(fā)送來的控制指令，在設(shè)置好的的引腳輸出模擬信號(hào)，控制LED驅(qū)動(dòng)輸出電壓從而調(diào)節(jié)燈光亮度[6-7]。

圖4　終端設(shè)備的軟件流程圖

4　網(wǎng)關(guān)設(shè)備

網(wǎng)關(guān)主要由MCU(Arduino)模塊、XBee無線模塊和電源電路模塊構(gòu)成。在Arduino中設(shè)計(jì)了Modbus通信協(xié)議[8]，上位機(jī)可通過此協(xié)議訪問Modbus寄存器。

圖5　網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖

網(wǎng)關(guān)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(shí)現(xiàn)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(guān)的提示信息，方便用戶對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行配置。網(wǎng)關(guān)設(shè)備的軟件程序流程如圖6所示。

圖6　網(wǎng)關(guān)軟件流程圖

5　上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用Niagara平臺(tái)設(shè)計(jì)上位機(jī)控制界面。Niagara框架采用基于Baja標(biāo)準(zhǔn)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(tái)上開發(fā)設(shè)計(jì)的一種燈光控制界面。首先要加入Modbus驅(qū)動(dòng)設(shè)備，選擇相應(yīng)的硬件接口，按照Modbus寄存器定義表來綁定每一盞燈，實(shí)現(xiàn)界面上燈與實(shí)際設(shè)備的一一對(duì)應(yīng)。同時(shí)按照區(qū)域劃分，分成兩塊實(shí)現(xiàn)批量控制。

此界面通過PC端的瀏覽器和移動(dòng)端的瀏覽器都可以訪問，從而實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的連接，管理人員可通過此界面來監(jiān)控整個(gè)燈控系統(tǒng)。

系統(tǒng)運(yùn)行前將網(wǎng)關(guān)設(shè)備連接至電腦，通過上位機(jī)軟件發(fā)送設(shè)備加網(wǎng)命令，終端設(shè)備分別加入已啟動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)中，并獲取各自的邏輯地址。此邏輯地址與上位機(jī)界面中各個(gè)燈的編號(hào)一一對(duì)應(yīng)。圖8是設(shè)備加網(wǎng)的整個(gè)過程。

圖7　上位機(jī)界面

圖8　設(shè)備加網(wǎng)

6　結(jié)束語

ZigBee通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯。首先，在物聯(lián)網(wǎng)中傳輸?shù)男盘?hào)大多是控制信號(hào)或傳感器采集的數(shù)據(jù)信號(hào)，這些信號(hào)要求的帶寬和傳輸速率并不太高；其次，ZigBee通信距離可擴(kuò)展性是可適應(yīng)實(shí)際項(xiàng)目的需求，本文設(shè)計(jì)的燈控網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積達(dá)一萬余平米，傳感器數(shù)據(jù)信息需要經(jīng)過多次路由才可到達(dá)數(shù)據(jù)采集中心；最后，采用ZigBee通信技術(shù)的成本相對(duì)于WiFi和Bluetooth還是相對(duì)低的。

本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，在了解到現(xiàn)有燈光控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)后，運(yùn)用ZigBee無線通信技術(shù)完成LED燈光驅(qū)動(dòng)的聯(lián)網(wǎng)功能，實(shí)現(xiàn)了控制信號(hào)無線傳輸，同時(shí)設(shè)計(jì)了網(wǎng)關(guān)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了ZigBee通信協(xié)議至Modbus通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，利用Niagara平臺(tái)將上位機(jī)控制界面移動(dòng)到網(wǎng)頁上，實(shí)現(xiàn)Web訪問，在此系統(tǒng)上稍加改動(dòng)便可適應(yīng)多種物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(wǎng)絡(luò)。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.09.035

TN926+.23;TP273

A

1007-7820(2016)09-129-04