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。
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。
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。
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。
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.
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[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.