摘 要： 設計了一種基于ZigBee技術的室內無線智能照明系統。該系統采用了集射頻與微控制器于一體的片上系統CC2530作為核心器件，實時采集照明現場的環境參數，充分利用自然光，在光強優先的情況下，實現室內智能照明。同時在PC上顯示溫度、光強、有無紅外感應等相關參數。實驗測試表明，該系統具有操作簡單、反應靈敏、更加人性化和節省能量等特點。
關鍵詞： 無線網絡；ZigBee；智能照明；CC2530；節能
0 引言
目前，室內過度照明等電力浪費現象隨處可見。不科學的照明工程極大地浪費了能源。隨著現代科學技術的發展和人們生活水平的提高，傳統照明已不能滿足現代社會對高效、自動化和節能照明技術的需求。作為發展最快的無線個域網的唯一載體ZigBee技術是一種新興的無線組網通信技術，具有省電節能、網絡簡單、安全性高、速率低、覆蓋范圍廣和網絡容量大等特點，并且具有廉價的市場定位，非常適合在照明系統中應用[1-4]。為此，本文設計了一種基于ZigBee技術的室內無線智能照明系統。
1 IEEE802.15.4/ZigBee技術
ZigBee技術是一種面向工業和家庭監控、安全系統等領域的低速率、低功耗和低成本的無線網絡協議。自2004年12月ZigBee聯盟[5-8]推出ZigBee 1.0版本規范以來，ZigBee協議的各種修訂版本相繼發布，它們始終致力于ZigBee網絡更加安全可靠、靈活簡單、可擴展性更強的規范修改，使其特點充分發揮。IEEE802.15.4[9]和ZigBee聯盟共同負責這種無線網絡協議的制定。 IEEE802.15.4負責協議底部的兩層：物理層和媒體接入控制層；ZigBee聯盟負責提供協議上層的部分：網絡層和應用層[10]。
IEEE802.15.4標準定義了27個物理信道，編號為0~26，編號0的信道分配給868 MHz頻段；編號1~10共10個信道分配給915 MHz頻段；編號11~26信道分配給2.4 GHz頻段。信道接入方式采用避免沖突的載波檢測多址接入(CSMA-CA)機制。IEEE802.15.4標準定義了兩種設備類型：全功能設備(Full Function Device，FFD)與精簡功能設備(Reduced Function Device，RFD)。
ZigBee網絡中定義了3種基本的網絡拓撲結構：星型、網狀和簇樹型。ZigBee網絡層中對設備在網絡中的角色進行了分類：ZigBee協調器(ZigBee Coordinator，ZC)、ZigBee路由器(ZigBee Router，ZR)與ZigBee終端設備(ZigBee End Device，ZED)。ZC啟動和控制整個網絡，存儲網絡相關信息，負責整個網絡協調器的所有工作，它只能由FFD來擔當；ZR負責傳送信息與提供連接，它可以連接協調器或者其他路由器，同時也可以接納子節點的加入，ZR也需要FFD來擔當；ZED可以發送或者接收信息，但是不能參與路由過程，不能連接任何子節點，只能作為子節點連接協調器或者路由器，ZED可以由FFD或者RFD來擔當。
星型拓撲以ZC為中心控制器，其余各個節點設備與ZC連接，所有數據的傳輸都需要經由ZC來發送，其他各個節點之間不能互相通信。本文是基于星型拓撲結構進行設計的。
2 硬件設計
2.4 GHz IEEE802.15.4/RF4CE/ZigBee的片上系統CC2530芯片將加強版8051MCU和RF射頻芯片集為一體，更好地提供遠程照明控制。該系統主要分為發送模塊和接收模塊。發送模塊由ZigBee模塊和PC組成，接收模塊包括ZigBee模塊、傳感器和照明終端。控制策略采用ZigBee技術，結合ZigBee2007協議（本系統采用星型拓撲結構），實時采集照明現場的環境參數，經過CC2530芯片的邏輯判斷與智能分析后，實現無線通信。PC上位機實時顯示環境參數變化，也可以對智能照明系統進行集中控制與管理。該系統具有近距離、低速、低耗和高集成度等諸多優勢。硬件原理圖如圖1所示。
其中，硬件包括ZigBee CC2530F149芯片模塊、溫度傳感器DS18B20、熱紅外傳感器、光敏傳感器、白熾燈、RS232串口通信線、電源、下載器、導線和 PC機。
3 軟件設計
網絡協調器初始化網絡后，子節點與協調器完成網絡連接的過程，成功組建ZigBee星型網絡。光敏電阻對室內光照強度進行實時采集，并將采集的光強信號傳送給ZigBee終端設備；ZigBee終端設備將此信號傳送給協調器，協調器通過串口將數據傳送給主機進行顯示；同時，協調器對此照明數據進行控制，設定光強閾值并進行判斷，若光照強度大于閾值，燈亮；小于則燈滅。此系統的紅外模塊在光強優先的情況下，將會判斷是否有人的影響，如果有人來，則燈亮；否則燈滅。與節點連接的溫度傳感器等也可以對周邊參數進行采集，通過節點傳給協調器，再由主機進行顯示。智能照明系統的具體工作過程如下。
⑴協調器:初始化后，接收組網請求，判斷是否有節點加入，如果有節點加入，則分配網絡地址，接收數據；如果沒有節點加入，繼續接收組網請求。工作流程如圖2所示。
⑵節點：初始化后，發送組網請求，判斷加入是否成功，如果成功則把接收到的光照強度、有無紅外、溫度等參數傳給協調器，以便控制燈的亮滅；否則重新發送加入網絡的信號。工作流程如圖3所示。
⑶節點接收外界的光強變化并與設定的閾值(上限為180 cd，下限為140 cd)作比較，若光強大于180 cd，則燈滅；若小于140 cd，則燈亮。若人來，先判斷光強：若光強大于180 cd，燈仍然滅；在光強低于140 cd時，若有人來時，燈亮；無人時，燈滅。具體的工作流程如圖4所示。
部分相應的程序如下：
if(theMessageData[5]<=0x28)
HalLedSet ( HAL_LED_3, HAL_LED_MODE_OFF );
if(theMessageData[5]>=0x3c)
{
if(theMessageData[7]==1)
{
HalLedSet ( HAL_LED_3, HAL_LED_MODE_ON );
}
}
4 系統測試
在不同光強下，將本系統分別在室內和走廊進行了測試。室內光強大于180 cd時，燈處于關閉狀態。室內光強小于140 cd時，如有人靠近，燈自動打開。
走廊光強大于180 cd時，燈處于關閉狀態。走廊光強小于140 cd時，如有人靠近，燈自動打開 。
5 結束語
本系統將ZigBee技術與照明結合，實現了室內無線照明系統的智能控制。主控室的協調器與分布在不同場合的節點進行通信。傳感器采集的實時光強信號由ZigBee終端設備傳到協調器后，與設定的光強閾值進行比較，并在光強優先的情況下，實現室內智能照明。網絡協調器可以通過串口將數據傳送給主監控機進行顯示；同時，主監控機也可以對此照明系統進行控制，打開或者關閉燈。本系統采用ZigBee 無線通信技術組建網絡，根據使用者對照明的不同需求，充分利用自然光，以最小的能耗實現智能控制。本系統具有操作簡單、反應靈敏、可靠性高等特點。同時，合理設置網絡節點可以簡化電路并降低成本。
參考文獻
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[5] ZIGBEE ALLIANCE. ZigBee specification version 1.0 [EB/OL]. (2004-12-14) [2014-2-17]. http://www.zigbee.org.
[6] ZIGBEE ALLIANCE. ZigBee specification version 1.1 [EB/OL]. (2006-12-1) [2014-2-17]. http://www.zigbee.org.
[7] ZIGBEE ALLIANCE. ZigBee-specification 2007 [EB/OL].(2008-1-17) [2014-2-17].http://www.zigbee.org.
[8] ZIGBEE ALLIANCE. ZigBee: RF4CE specification [EB/OL].(2010-1) [2014-2-17].http://www.zigbee.org.
[9] IEEE: IEEE 802.15.4 Part 15.4-2003.Wireless sedium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications for Low-Rate wireless personal area networks (LR-WPANs)[S].
[10] 劉丹. 基于網絡層的低速無線個域網節能方法研究[D]. 長春：吉林大學，2010.