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用比較廣泛的有Bluetooth(藍牙)、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 標準基礎(chǔ)之上的。IEEE 802.15.4 標準定義了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)絡層(ZWK)、應用層(APL)和安全服務規(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)、消費類電子和遠程控制等領(lǐng)域。目前，藍牙技術(shù)復雜，應用系統(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)絡的室內(nèi)照明自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠準確地實現(xiàn)對室內(nèi)各照明器件的遠程控制，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，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，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。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不同的標識符作為自己的PAN 標識符。通常在其工作區(qū)域內(nèi)不存在其它PAN 時，PAN 標志符設(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。在星狀網(wǎng)絡中，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。協(xié)調(diào)器節(jié)點的作用是建立一個網(wǎng)絡，并為加人到網(wǎng)絡中的節(jié)點分派網(wǎng)絡地址，同時還負責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，即可以提供各種遠程智能控制接口，在家庭內(nèi)部的ZigBee 網(wǎng)絡和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。控制器通過SPI 總線和一些離散控制信號與射頻模塊相連，控制器充當SPI 主器件，而射頻模塊充當從器件。控制器實現(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)計適用于墻角落地燈。
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 個端點被用于應用。每個端點總共有8 個接口，這樣應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)點負責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用對象進行標記，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。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器，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，其它時間則進入休眠模式，以達到終端節(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)絡協(xié)調(diào)器，其功能主要分為兩個部分，即建立網(wǎng)絡和進行網(wǎng)絡管理。ZigBee 協(xié)調(diào)器主要負責建立ZigBee 網(wǎng)絡，分配網(wǎng)絡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，維護一個目前連接設(shè)備的網(wǎng)絡列表，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。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。