本文對ZigBee 協(xié)議的特點進行了分析，設(shè)計了一種適用于智能家居的室內(nèi)照明自動控制系統(tǒng)。分析了現(xiàn)有室內(nèi)照明自動控制系統(tǒng)中存在的問題，把ZigBee 技術(shù)應(yīng)用到照明自動控制系統(tǒng)，在PICDEMZ 平臺上構(gòu)建了ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)了室內(nèi)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(shù)的要求也不斷增長，短距離無線通信技術(shù)也隨之產(chǎn)生。
如今，各種短距離無線通信技術(shù)層出不窮，其中較為成功并且應(yīng)用比較廣泛的有Bluetooth(藍(lán)牙)、ZigBee、Wi-Fi、WiMAX、無線USB 和UWB 等。
ZigBee 的協(xié)議構(gòu)架是建立在IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上的。IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)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(luò)層(ZWK)、應(yīng)用層(APL)和安全服務(wù)規(guī)范。作為一種新興的低速率無線通信技術(shù)，ZigBee 技術(shù)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(shù)特點，這些特點使ZigBee 技術(shù)很適合應(yīng)用到工業(yè)控制、智能家居、醫(yī)療護理、智能農(nóng)業(yè)、消費類電子和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域。目前，藍(lán)牙技術(shù)復(fù)雜，應(yīng)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(shù)將擁有更加廣闊的應(yīng)用前景。
本文按照ZigBee 協(xié)議規(guī)范的要求，設(shè)計了一套適用于智能家居網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)照明自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地實現(xiàn)對室內(nèi)各照明器件的遠(yuǎn)程控制，并可通過監(jiān)測室內(nèi)光線的變化調(diào)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(nèi)照明自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本文所介紹的室內(nèi)照明自動控制系統(tǒng)是 ZigBee 技術(shù)在智能家居中的一種典型應(yīng)用。
Microchip ZigBee 協(xié)議棧是在ZigBee 無線協(xié)議規(guī)范的基礎(chǔ)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(luò)，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(shè)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(gòu)建的是一個星狀網(wǎng)絡(luò)，即由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點和若干終端節(jié)點構(gòu)成的主從網(wǎng)絡(luò)。最先啟動的FFD(全功能設(shè)備)自任PAN 協(xié)調(diào)器，并選擇一個和其覆蓋區(qū)域內(nèi)的其它PAN不同的標(biāo)識符作為自己的PAN 標(biāo)識符。通常在其工作區(qū)域內(nèi)不存在其它PAN 時，PAN 標(biāo)志符設(shè)置為0。協(xié)調(diào)器可以允許其它FFD 和RFD(精簡功能設(shè)備)加入網(wǎng)絡(luò)。在星狀網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)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(diào)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(shè)計了一個可以移植Microchip ZigBee協(xié)議棧的室內(nèi)照明自動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。
其中協(xié)調(diào)器節(jié)點和所有終端節(jié)點共同構(gòu)成了ZigBee 無線通信網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器節(jié)點的作用是建立一個網(wǎng)絡(luò)，并為加人到網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點分派網(wǎng)絡(luò)地址，同時還負(fù)責(zé)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(guān)電燈的功能，并將工作的結(jié)果反饋給協(xié)調(diào)器節(jié)點。上位機除了實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)工作狀況外還起到家庭網(wǎng)關(guān)的作用，即可以提供各種遠(yuǎn)程智能控制接口，在家庭內(nèi)部的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)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(shè)備。
圖1照明控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
3. 系統(tǒng)節(jié)點的硬件設(shè)計
設(shè)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(dāng)SPI 主器件，而射頻模塊充當(dāng)從器件?？刂破鲗崿F(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(jié)構(gòu)框圖：圖3 為協(xié)調(diào)器節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖：
圖2 終端節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖
圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖
PIC18LF4620 單片機和CC2420 射頻模塊的接口電路如圖4 所示：
圖4 PIC 單片機與射頻模塊接口電路
終端節(jié)點控制器通過CC2420 射頻模塊接收來自協(xié)調(diào)器節(jié)點的數(shù)據(jù)，并按照協(xié)調(diào)器節(jié)點的指示，完成對繼電器控制，從而實現(xiàn)室內(nèi)各個電燈開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。
終端節(jié)點可以通過光敏電阻監(jiān)視室內(nèi)光線的變化，當(dāng)光線亮度超過某一特定值時，控制器將檢測到來自于光敏電阻的輸出信號的變化，并將這種變化告訴協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器收到信號后會重復(fù)前面的操作完成對電燈的開關(guān)動作。這種設(shè)計適用于墻角落地?zé)簟?/p>
協(xié)調(diào)器節(jié)點通過鍵盤上的按鍵發(fā)送控制信號，開斷相應(yīng)終端節(jié)點上的繼電器從而控制電燈的亮滅，并通過RS232 串口將收到的從節(jié)點信號反饋給主節(jié)點。液晶顯示屏用來顯示各個終端節(jié)點的工作狀態(tài)。
4. 系統(tǒng)節(jié)點的軟件設(shè)計
這里涉及到一個端點綁定的概念。一個ZigBee 節(jié)點最多可以支持32 個端點(編號0~31)和8 個接口(編號0~7)。端點0 被保留用于設(shè)備配置，而端點31 被保留僅用于廣播。剩下的30 個端點被用于應(yīng)用。每個端點總共有8 個接口，這樣應(yīng)用在一個物理信道中最多能有240 條虛擬信道。協(xié)調(diào)器節(jié)點負(fù)責(zé)建立并維護一個描述各個端點之間邏輯鏈路的綁定表，并通過源端點和群集ID 來唯一定義一條數(shù)據(jù)鏈路。在本照明系統(tǒng)中，我們給每一個終端節(jié)點上的繼電器和協(xié)調(diào)器上的按鍵都分配一個在節(jié)點內(nèi)唯一的端點號，并用這個端點號來對這些應(yīng)用對象進行標(biāo)記，通過端點綁定的方法在終端節(jié)點中的繼電器和協(xié)調(diào)器上的不同按鍵之間建立聯(lián)系，協(xié)調(diào)器節(jié)點將各個開關(guān)端點發(fā)送的數(shù)據(jù)包發(fā)送到相應(yīng)的端點，從而實現(xiàn)協(xié)調(diào)器節(jié)點對分布在室內(nèi)的各個電燈的控制。
4.1 終端節(jié)點軟件設(shè)計
終端節(jié)點的任務(wù)主要是接收來自協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)并根據(jù)這些數(shù)據(jù)對相應(yīng)的電燈執(zhí)行開關(guān)操作，并將操作的結(jié)果反饋給協(xié)調(diào)器節(jié)點。終端節(jié)點上點電后掃描所有可用信道來尋找臨近協(xié)調(diào)器，申請加入此網(wǎng)絡(luò)。由于選用電池供電，因此要保證終端節(jié)點的低功耗，設(shè)計中采用定時喚醒的方式連接服務(wù)器，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，其它時間則進入休眠模式，以達(dá)到終端節(jié)點的功耗最低。終端節(jié)點的程序流程圖如圖5 所示。
圖5 終端節(jié)點系統(tǒng)流程圖4.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設(shè)計
作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，其功能主要分為兩個部分，即建立網(wǎng)絡(luò)和進行網(wǎng)絡(luò)管理。ZigBee 協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)建立ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，分配網(wǎng)絡(luò)地址和維護綁定列表。協(xié)調(diào)器通過掃描一個空閑信道來創(chuàng)建一個新網(wǎng)絡(luò)，維護一個目前連接設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)列表，支持獨立掃描程序來確保以前的連接設(shè)備能夠重新加入網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器節(jié)點的程序流程圖如圖6 所示。
圖6 協(xié)調(diào)器節(jié)點系統(tǒng)流程圖
5： 結(jié)論
把 ZigBee 技術(shù)應(yīng)用到室內(nèi)照明自動控制系統(tǒng)，不僅能夠可靠地實現(xiàn)對室內(nèi)照明設(shè)備的自動控制，而且還減少了現(xiàn)場布線帶來的各種問題。采用此項技術(shù)設(shè)計的無線控制系統(tǒng)具有成本低廉，耗電量小和安放方便等突出優(yōu)點。本系統(tǒng)已在實驗室范圍內(nèi)成功應(yīng)用。利用ZigBee技術(shù)設(shè)計的室內(nèi)照明自動控制系統(tǒng)必將成為未來智能家居系統(tǒng)中重要的組成部分。