Zigbee技术的室内照明系统设计研究方案

　　  本文对ZigBee 协议的特点进行了分析，设计了一种适用于智能家居的室内照明自动控制系统。分析了现有室内照明自动控制系统中存在的问题，把ZigBee 技术应用到照明自动控制系统，在PICDEMZ 平台上构建了ZigBee 无线网络系统，实现了室内照明系统的无线控制，提高了系统的灵活性和实用性。

　　1. 引言

　　随着科技的进步，人们对通信技术的要求也不断增长，短距离无线通信技术也随之产生。

　　如今，各种短距离无线通信技术层出不穷，其中较为成功并且应用比较广泛的有Bluetooth(蓝牙)、ZigBee、Wi-Fi、WiMAX、无线USB 和UWB 等。

　　ZigBee 的协议构架是建立在IEEE 802.15.4 标准基础之上的。IEEE 802.15.4 标准定义了ZigBee 物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC);ZigBee 联盟则定义了ZigBee 协议的网络层(ZWK)、应用层(APL)和安全服务规范。作为一种新兴的低速率无线通信技术，ZigBee 技术拥有着速率低、功耗小、成本低、免许可无线通信频段、近距离通信、时延短、数据传输可靠和组网方式多样等多种技术特点，这些特点使ZigBee 技术很适合应用到工业控制、智能家居、医疗护理、智能农业、消费类电子和远程控制等领域。目前，蓝牙技术复杂，应用系统费用较高，功耗高，电池供电寿命短，在其无法突破价格瓶颈的情况下，ZigBee 技术将拥有更加广阔的应用前景。

　　本文按照ZigBee 协议规范的要求，设计了一套适用于智能家居网络的室内照明自动控制系统。该系统能够准确地实现对室内各照明器件的远程控制，并可通过监测室内光线的变化调整电灯的开断，实现对照明的智能控制，同时也使控制系统的可靠性和灵活性得到提高。

　　2. 基于Microchip ZigBee 协议栈的室内照明自动控制系统结构

　　本文所介绍的室内照明自动控制系统是 ZigBee 技术在智能家居中的一种典型应用。

　　Microchip ZigBee 协议栈是在ZigBee 无线协议规范的基础上定义的，但它不完全符合ZigBee 协议，不支持群集和点对点网络，没有安全和访问控制功能，没有路由器功能，也不支持一对多绑定。使用Microchip ZigBee 协议栈设计ZigBee 节点，需要具备的硬件条件至少要包括一个带有SPI 串口的PIC18F 单片机，一个带有所需外部元件的RF 收发器，一根天线，可以是PCB 上的引线形成的天线或单极天线。

　　系统构建的是一个星状网络，即由一个协调器节点和若干终端节点构成的主从网络。最先启动的FFD(全功能设备)自任PAN 协调器，并选择一个和其覆盖区域内的其它PAN不同的标识符作为自己的PAN 标识符。通常在其工作区域内不存在其它PAN 时，PAN 标志符设置为0。协调器可以允许其它FFD 和RFD(精简功能设备)加入网络。在星状网络中，协调器节点和终端节点之间可以相互发送或者接收数据，但两个终端节点之间不能进行直接通信，如果一个终端节点要向另一个终端节点发送数据，只能通过协调器这个中间媒介完成。

　　依照Microchip ZigBee 协议栈的开发要求，我们设计了一个可以移植Microchip ZigBee协议栈的室内照明自动控制系统，系统的结构框图如图1 所示。

　　其中协调器节点和所有终端节点共同构成了ZigBee 无线通信网络。协调器节点的作用是建立一个网络，并为加人到网络中的节点分派网络地址，同时还负责通过串口和上位机进行通信，各个终端节点则是为了实现具体的开关电灯的功能，并将工作的结果反馈给协调器节点。上位机除了实时监控网络工作状况外还起到家庭网关的作用，即可以提供各种远程智能控制接口，在家庭内部的ZigBee 网络和Internet 之间建立起一种连接，使用户可以用一台连接到Internet 上的PC 机控制家里的电器设备。

　　图1照明控制系统结构示意图

　　3. 系统节点的硬件设计

　　设计选用 Microchip 公司的PIC18LF4620 单片机作为控制器，射频收发器部分采用TI公司的CC2420 射频模块。控制器通过SPI 总线和一些离散控制信号与射频模块相连，控制器充当SPI 主器件，而射频模块充当从器件。控制器实现了IEEE 802.15.4 MAC 层和ZigBee协议层，射频模块CC2420 则实现了IEEE 802.15.4 物理层和一些MAC 层功能。图2 为终端节点的结构框图：图3 为协调器节点的结构框图：

　　图2 终端节点的结构框图