《电子技术应用》
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基于ZigBee技术的室内无线智能照明系统
2014年微型机与应用第21期
刘 丹1,2,刘光辉1,李 元1
(1.大连海洋大学 信息工程学院,辽宁 大连 116023; 2.辽宁省海洋信息技术重点实验室,辽宁 大连 116023)
摘要: 设计了一种基于ZigBee技术的室内无线智能照明系统。该系统采用了集射频与微控制器于一体的片上系统CC2530作为核心器件,实时采集照明现场的环境参数,充分利用自然光,在光强优先的情况下,实现室内智能照明。同时在PC上显示温度、光强、有无红外感应等相关参数。实验测试表明,该系统具有操作简单、反应灵敏、更加人性化和节省能量等特点。
Abstract:
Key words :

  摘 要: 设计了一种基于ZigBee技术的室内无线智能照明系统。该系统采用了集射频与微控制器于一体的片上系统CC2530作为核心器件,实时采集照明现场的环境参数,充分利用自然光,在光强优先的情况下,实现室内智能照明。同时在PC上显示温度、光强、有无红外感应等相关参数。实验测试表明,该系统具有操作简单、反应灵敏、更加人性化和节省能量等特点。

  关键词无线网络;ZigBee;智能照明;CC2530;节能

0 引言

  目前,室内过度照明等电力浪费现象随处可见。不科学的照明工程极大地浪费了能源。随着现代科学技术的发展和人们生活水平的提高,传统照明已不能满足现代社会对高效、自动化和节能照明技术的需求。作为发展最快的无线个域网的唯一载体ZigBee技术是一种新兴的无线组网通信技术,具有省电节能、网络简单、安全性高、速率低、覆盖范围广和网络容量大等特点,并且具有廉价的市场定位,非常适合在照明系统中应用[1-4]。为此,本文设计了一种基于ZigBee技术的室内无线智能照明系统。

1 IEEE802.15.4/ZigBee技术

  ZigBee技术是一种面向工业和家庭监控、安全系统等领域的低速率、低功耗和低成本的无线网络协议。自2004年12月ZigBee联盟[5-8]推出ZigBee 1.0版本规范以来,ZigBee协议的各种修订版本相继发布,它们始终致力于ZigBee网络更加安全可靠、灵活简单、可扩展性更强的规范修改,使其特点充分发挥。IEEE802.15.4[9]和ZigBee联盟共同负责这种无线网络协议的制定。 IEEE802.15.4负责协议底部的两层:物理层和媒体接入控制层;ZigBee联盟负责提供协议上层的部分:网络层和应用层[10]。

  IEEE802.15.4标准定义了27个物理信道,编号为0~26,编号0的信道分配给868 MHz频段;编号1~10共10个信道分配给915 MHz频段;编号11~26信道分配给2.4 GHz频段。信道接入方式采用避免冲突的载波检测多址接入(CSMA-CA)机制。IEEE802.15.4标准定义了两种设备类型:全功能设备(Full Function Device,FFD)与精简功能设备(Reduced Function Device,RFD)。

  ZigBee网络中定义了3种基本的网络拓扑结构:星型、网状和簇树型。ZigBee网络层中对设备在网络中的角色进行了分类:ZigBee协调器(ZigBee Coordinator,ZC)、ZigBee路由器(ZigBee Router,ZR)与ZigBee终端设备(ZigBee End Device,ZED)。ZC启动和控制整个网络,存储网络相关信息,负责整个网络协调器的所有工作,它只能由FFD来担当;ZR负责传送信息与提供连接,它可以连接协调器或者其他路由器,同时也可以接纳子节点的加入,ZR也需要FFD来担当;ZED可以发送或者接收信息,但是不能参与路由过程,不能连接任何子节点,只能作为子节点连接协调器或者路由器,ZED可以由FFD或者RFD来担当。

  星型拓扑以ZC为中心控制器,其余各个节点设备与ZC连接,所有数据的传输都需要经由ZC来发送,其他各个节点之间不能互相通信。本文是基于星型拓扑结构进行设计的。

2 硬件设计

  2.4 GHz IEEE802.15.4/RF4CE/ZigBee的片上系统CC2530芯片将加强版8051MCU和RF射频芯片集为一体,更好地提供远程照明控制。该系统主要分为发送模块和接收模块。发送模块由ZigBee模块和PC组成,接收模块包括ZigBee模块、传感器和照明终端。控制策略采用ZigBee技术,结合ZigBee2007协议(本系统采用星型拓扑结构),实时采集照明现场的环境参数,经过CC2530芯片的逻辑判断与智能分析后,实现无线通信。PC上位机实时显示环境参数变化,也可以对智能照明系统进行集中控制与管理。该系统具有近距离、低速、低耗和高集成度等诸多优势。硬件原理图如图1所示。

001.jpg

  其中,硬件包括ZigBee CC2530F149芯片模块、温度传感器DS18B20、热红外传感器、光敏传感器、白炽灯、RS232串口通信线、电源、下载器、导线和 PC机。

3 软件设计

  网络协调器初始化网络后,子节点与协调器完成网络连接的过程,成功组建ZigBee星型网络。光敏电阻对室内光照强度进行实时采集,并将采集的光强信号传送给ZigBee终端设备;ZigBee终端设备将此信号传送给协调器,协调器通过串口将数据传送给主机进行显示;同时,协调器对此照明数据进行控制,设定光强阈值并进行判断,若光照强度大于阈值,灯亮;小于则灯灭。此系统的红外模块在光强优先的情况下,将会判断是否有人的影响,如果有人来,则灯亮;否则灯灭。与节点连接的温度传感器等也可以对周边参数进行采集,通过节点传给协调器,再由主机进行显示。智能照明系统的具体工作过程如下。

  ⑴协调器:初始化后,接收组网请求,判断是否有节点加入,如果有节点加入,则分配网络地址,接收数据;如果没有节点加入,继续接收组网请求。工作流程如图2所示。

002.jpg

  ⑵节点:初始化后,发送组网请求,判断加入是否成功,如果成功则把接收到的光照强度、有无红外、温度等参数传给协调器,以便控制灯的亮灭;否则重新发送加入网络的信号。工作流程如图3所示。

003.jpg

  ⑶节点接收外界的光强变化并与设定的阈值(上限为180 cd,下限为140 cd)作比较,若光强大于180 cd,则灯灭;若小于140 cd,则灯亮。若人来,先判断光强:若光强大于180 cd,灯仍然灭;在光强低于140 cd时,若有人来时,灯亮;无人时,灯灭。具体的工作流程如图4所示。

004.jpg

  部分相应的程序如下:

  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 系统测试

  在不同光强下,将本系统分别在室内和走廊进行了测试。室内光强大于180 cd时,灯处于关闭状态。室内光强小于140 cd时,如有人靠近,灯自动打开。

  走廊光强大于180 cd时,灯处于关闭状态。走廊光强小于140 cd时,如有人靠近,灯自动打开 。

5 结束语

  本系统将ZigBee技术与照明结合,实现了室内无线照明系统的智能控制。主控室的协调器与分布在不同场合的节点进行通信。传感器采集的实时光强信号由ZigBee终端设备传到协调器后,与设定的光强阈值进行比较,并在光强优先的情况下,实现室内智能照明。网络协调器可以通过串口将数据传送给主监控机进行显示;同时,主监控机也可以对此照明系统进行控制,打开或者关闭灯。本系统采用ZigBee 无线通信技术组建网络,根据使用者对照明的不同需求,充分利用自然光,以最小的能耗实现智能控制。本系统具有操作简单、反应灵敏、可靠性高等特点。同时,合理设置网络节点可以简化电路并降低成本。

参考文献

  [1] 蒋挺,赵成林. 紫峰技术及其应用[M]. 北京:北京邮电大学出版社,2006.

  [2] Lavric A, Popa V, Males C,et al. A performance study of ZigBee wireless sensors network topologies for street lighting control systems[C].2012 International Conference on Selected Topics in Mobile and Wireless Networking, Avignon:IEEE, 2012: 130-133.

  [3] Hung C H, Bai Y W, Tsai R Y. Digital control for home lighting system with ZigBee communication[C].2011 IEEE International Conference on Consumer Electronics, Las Vegas: IEEE, 2011: 763-764.

  [4] Yin Jun, Wang Wei. LED lighting control system based on the ZigBee wireless network[C].2010 International Conference on Digital Manufacturing and Automation, Guilin: IEEE, 2010 (1): 892-895.

  [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] 刘丹. 基于网络层的低速无线个域网节能方法研究[D]. 长春:吉林大学,2010.