1 引  言

隨著社會的進步，節(jié)能和環(huán)保已是大勢所趨，在照明領域中，采用新型節(jié)能光源、節(jié)能電器及高效燈具來達到節(jié)約電能的目的，已廣泛被人們所接受。但如何通過節(jié)能照明設計來達到節(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，增減設備需要重新布線、系統(tǒng)可擴展性差、系統(tǒng)安裝和維護成本高以及移動性能差等缺點，因此無線通信技術，是實現智能照明系統(tǒng)的理想選擇。近年來，近距離無線通信技術獲得了迅猛的發(fā)展。其中主流技術包括紅外技術、藍牙(Blue-tooth)、Wi-Fi、UWB(Ultra-Wideband)和ZigBee技術等。它們都有各自的標準、特點和相應的應用領域，另外還有Z-Wave和MiWi等專有無線技術。智能照明系統(tǒng)自身的要求和ZigBee技術具有的特點，決定了ZigBee是實現無線智能照明系統(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信號和調光信號等開光量，且數據發(fā)送頻率不高，而ZigBee的最大傳輸速率可以達到250 kb／s，這對于實現無線智能照明系統(tǒng)來說已經足夠；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、簇狀網或者網狀網，節(jié)點數量在幾十到幾千個之間，ZigBee對以上拓撲結構都做了很好的支持，且網絡最大節(jié)點數可達65 535，很好地滿足了無線智能照明系統(tǒng)對網絡結構及容量的要求，而這是藍牙和紅外技術所無法滿足的；不同廠家生產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準，世界各大ZigBee方案提供商都通過ZigBee Alliance的兼容性測試，并且ZigBee Allianee針對照明系統(tǒng)，專門制定了相應的Profile，因此不同廠家基于ZigBee技術開發(fā)的燈節(jié)點之間可以進行互操作和相互替換，從而保障生產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絡功能，ZigBee工作在2.4 GHz的ISM頻段，節(jié)點之間的最大通信距離可達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，可以保證建筑物內沒有無線通信的盲區(qū)，這是紅外技術所無法提供的；ZigBee具備較快的響應特性，2個節(jié)點之間的一次數據發(fā)送過程在5 ms之內即可完成，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業(yè)化，ZigBee是一種低速率、低成本的無線通信技術，相比于Wi-Fi和UWB等這些適用于無線局域網和多媒體應用的高速率無線標準而言，成本非常低廉。本文主要討論基于ZigBee技術的無線智能照明系統(tǒng)的軟硬件設計。

2 基于ZigBee的智能照明系統(tǒng)的實現

ZigBee是一種在無線個人網絡領域中新興的無線網絡技術。電子與電氣工程師協會IEEE于2000年底成立了802.15.4工作組，規(guī)定了ZigBee的物理層和媒體接入控制層。2001年8月成立了ZigBee聯盟，負責ZigBee規(guī)范的制定和應用推廣工作，2004年12月推出ZigBee規(guī)范的正式版本ZigBee SpecificationV1.0。目前，ZigBee標準在ZigBee聯盟的推動下正日趨增強和完善，其實際工程應用正日益普及。世界各大半導體巨頭TI，FreeScale和Ember等各自推出了符合ZigBee標準的芯片及協議棧。其中，TI公司的CC2430加Z-Stack協議棧是業(yè)內公認的最佳解決方案。本文的無線智能照明系統(tǒng)就是在這個平臺上實現的。

2.1 硬件設計

無線智能照明系統(tǒng)的網絡節(jié)點分為協調器、路由器和終端節(jié)點三種。其中，協調器的硬件結構框圖如圖1所示。

CC2430芯片是首款符合ZigBee技術標準的系統(tǒng)單芯片，片內集成增強的8051微控制器內核和符合IEEE802.15.4標準的2.4 GHz射頻收發(fā)器，具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性能，處于休眠模式時整個芯片的流耗小于0.9 μA，從硬件上支持CSMA／CA機制，還集成有ADC，AES安全協處理器和USART等片上外設及豐富的I／O口資源。只需添加晶振等少量的元器件即可完成ZigBee節(jié)點的設計。協調器節(jié)點帶有44的鍵盤，用來設置整個系統(tǒng)的參數和發(fā)送控制命令，12 864漢字圖形點陣液晶模塊用于顯示網絡狀態(tài)信息。微控制器輸出開關量直接完成對照明燈的開關控制，微控制器輸出的數字量經過8位的數／模轉換器后，可以實現對照明燈的256級調光控制。另外，協調器節(jié)點還帶有震動感測器和亮度感測器，用于感測現場的震動信息和亮度信息。當震動感測器測得震動較弱，即認為現場人員已經離開，此時可以自動關掉照明燈或者調暗亮度。當亮度感測器測得光線太亮，如晴朗的白天，即可自動調低亮度，當亮度感測器測得光線太暗，如夜晚或者陰雨的白天，即可調高亮度。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網絡向各個燈節(jié)點傳輸控制信息，實現對整個照明系統(tǒng)的智能控制、成本低廉。當然也可以將震動感測器和亮度感測器做成一個單獨的ZigBee網絡節(jié)點，用于感測現場不同位置的震動信息和亮度信息。

2.2 軟件設計

軟件設計基于TI公司推出的跟CC2430芯片配套的Z-Stack協議棧和IAR集成開發(fā)環(huán)境。Z-Stack在業(yè)內處于領先水平，目前還在不斷完善和增強，其最新版本Z-Stack 1.4.2，通過ZigBee測試機構德國萊茵集團的ZigBee兼容性測試，符合ZigBee 2006 specification，已被全球眾多ZigBee應用開發(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MSP430超低功耗微處理器。此外，Z-Stack還支持豐富的新特性，如無線下載，即通過ZigBee網絡，下載網絡中各節(jié)點的升級軟件，完成節(jié)點的軟件升級。Z-Stack還支持具備定位感知功能的CC2431，該特性使用戶能夠設計出可根據節(jié)點當前位置改變節(jié)點行為的新型ZigBee應用。

針對ZigBee在家庭網絡方面的應用，ZigBee Alliance制定專門的應用框架，即ZigBee Home Automation Public Application Profile。所謂Profile是對邏輯設備及其接口的描述集合，是針對某個特定應用的公約和準則，其目的是使不同廠家按照同一個ProfiIe設計的產品之間可以相互操作、相互替換。ZigBee HomeAutomation Public Application Profile規(guī)定了智能家居中的照明設備、采暖通風空調設備、自動窗簾和報警裝置的設計規(guī)范。本文的無線智能照明系統(tǒng)就是在這個Profile的基礎上實現的。

Z-Stack提供了豐富的函數調用接口，其中用于發(fā)送數據報的函數如下：

其他具體的程序設計在這里不做一一闡述。

3 無線智能照明系統(tǒng)的實驗結果

在一個兩室兩廳的套房中布置1套基于ZigBee技術實現的無線智能照明系統(tǒng)的實驗網絡，其網絡結構如圖2所示。

在每盞燈中都集成有ZigBee模塊，其中協調器節(jié)點是必需的。在其他地方，根據是否需要路由功能，可以配置為路由器或者終端節(jié)點。因為協調器節(jié)點和路由器節(jié)點具有路由功能，協議棧容量較大，所需的FLASH空間較大，芯片的成本也較高，因此只把需要給其他節(jié)點路由轉發(fā)數據報的節(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。室內所有的照明燈組成一個ZigBee網絡，由協調器完成對所有照明燈的控制?？梢詫W絡中的照明燈單個分別進行控制，也可以把所有的照明燈作為一個整體，進行同時控制；實現了對照明燈的簡單開關控制和256級的調光控制；既可以設置成手動控制模式，也可以設置成自動控制模式，由協調器根據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)設計成本低廉，可靠性高、響應速度快、智能化程度高，是不斷發(fā)展的電子信息技術在照明領域中的應用，必將帶來照明技術的革新。

4 結語

隨著計算機技術、通信技術、控制技術的發(fā)展和人們物質生活水平的提高，家居智能化正成為國內外的一個研究熱點?；赯igBee技術的無線智能照明系統(tǒng)目前主要應用在智能大廈和高檔住宅。但是，隨著技術水平的不斷完善，相關產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。