1 引 言
隨著社會的進步，節能和環保已是大勢所趨，在照明領域中，采用新型節能光源、節能電器及高效燈具來達到節約電能的目的，已廣泛被人們所接受。但如何通過節能照明設計來達到節約能源的目的才剛被人們重視。基于有線的照明控制系統，具有布線麻煩，增減設備需要重新布線、系統可擴展性差、系統安裝和維護成本高以及移動性能差等缺點，因此無線通信技術，是實現智能照明系統的理想選擇。近年來，近距離無線通信技術獲得了迅猛的發展。其中主流技術包括紅外技術、藍牙 (Blue-tooth)、Wi-Fi、UWB(Ultra-Wideband)和ZigBee技術等。它們都有各自的標準、特點和相應的應用領域，另外還有Z-Wave和MiWi等專有無線技術。智能照明系統自身的要求和ZigBee技術具有的特點，決定了ZigBee是實現無線智能照明系統的最佳解決方案。
無線智能照明系統的控制器與照明燈節點之間只需傳輸開關信號和調光信號等開光量，且數據發送頻率不高，而ZigBee的最大傳輸速率可以達到250 kb／s，這對于實現無線智能照明系統來說已經足夠；無線智能照明系統的各個燈節點往往需要組成一個星型網、簇狀網或者網狀網，節點數量在幾十到幾千個之間，ZigBee對以上拓撲結構都做了很好的支持，且網絡最大節點數可達65 535，很好地滿足了無線智能照明系統對網絡結構及容量的要求，而這是藍牙和紅外技術所無法滿足的；不同廠家生產的無線智能照明系統的各種節點之間要求具有互操作性，ZigBee是一個開放式全球標準，世界各大ZigBee方案提供商都通過ZigBee Alliance的兼容性測試，并且ZigBee Allianee針對照明系統，專門制定了相應的Profile，因此不同廠家基于ZigBee技術開發的燈節點之間可以進行互操作和相互替換，從而保障生產商和用戶的利益和成本投入，這是Z-Wave和MiWi等專有的無線技術所無法滿足的；智能照明系統，比如智能家居，需要所有房間和樓層間的通信，這就需要系統具有穿墻的信號傳遞功能和網絡功能，ZigBee工作在2.4 GHz的ISM頻段，節點之間的最大通信距離可達100 m，信號具有一定的穿墻能力，并且ZigBee支持路由節點，只要合理布局，可以保證建筑物內沒有無線通信的盲區，這是紅外技術所無法提供的；ZigBee具備較快的響應特性，2個節點之間的一次數據發送過程在5 ms之內即可完成，滿足照明系統對實時性的要求；照明系統對成本非常敏感，這將決定它能否實用化和產業化，ZigBee是一種低速率、低成本的無線通信技術，相比于Wi-Fi和UWB等這些適用于無線局域網和多媒體應用的高速率無線標準而言，成本非常低廉。本文主要討論基于ZigBee技術的無線智能照明系統的軟硬件設計。
2 基于ZigBee的智能照明系統的實現
ZigBee是一種在無線個人網絡領域中新興的無線網絡技術。電子與電氣工程師協會IEEE于2000年底成立了802.15.4工作組，規定了ZigBee的物理層和媒體接入控制層。2001年8月成立了 ZigBee聯盟，負責ZigBee規范的制定和應用推廣工作，2004年12月推出ZigBee規范的正式版本ZigBee SpecificationV1.0。目前，ZigBee標準在ZigBee聯盟的推動下正日趨增強和完善，其實際工程應用正日益普及。世界各大半導體巨頭TI，FreeScale和Ember等各自推出了符合ZigBee標準的芯片及協議棧。其中，TI公司的CC2430加Z-Stack協議棧是業內公認的最佳解決方案。本文的無線智能照明系統就是在這個平臺上實現的。
2.1 硬件設計
無線智能照明系統的網絡節點分為協調器、路由器和終端節點三種。其中，協調器的硬件結構框圖如圖1所示。
CC2430 芯片是首款符合ZigBee技術標準的系統單芯片，片內集成增強的8051微控制器內核和符合IEEE802.15.4標準的2.4 GHz射頻收發器，具有優良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性能，處于休眠模式時整個芯片的流耗小于0.9 μA，從硬件上支持CSMA／CA機制，還集成有ADC，AES安全協處理器和USART等片上外設及豐富的I／O口資源。只需添加晶振等少量的元器件即可完成ZigBee節點的設計。協調器節點帶有44的鍵盤，用來設置整個系統的參數和發送控制命令，12 864漢字圖形點陣液晶模塊用于顯示網絡狀態信息。微控制器輸出開關量直接完成對照明燈的開關控制，微控制器輸出的數字量經過8位的數／模轉換器后，可以實現對照明燈的256級調光控制。另外，協調器節點還帶有震動感測器和亮度感測器，用于感測現場的震動信息和亮度信息。當震動感測器測得震動較弱，即認為現場人員已經離開，此時可以自動關掉照明燈或者調暗亮度。當亮度感測器測得光線太亮，如晴朗的白天，即可自動調低亮度，當亮度感測器測得光線太暗，如夜晚或者陰雨的白天，即可調高亮度。系統只需在一個節點上集成震動感測器和亮度感測器，即可通過ZigBee網絡向各個燈節點傳輸控制信息，實現對整個照明系統的智能控制、成本低廉。當然也可以將震動感測器和亮度感測器做成一個單獨的ZigBee網絡節點，用于感測現場不同位置的震動信息和亮度信息。
2.2 軟件設計
軟件設計基于TI公司推出的跟CC2430芯片配套的Z-Stack協議棧和IAR集成開發環境。Z-Stack在業內處于領先水平，目前還在不斷完善和增強，其最新版本Z-Stack 1.4.2，通過ZigBee測試機構德國萊茵集團的ZigBee兼容性測試，符合ZigBee 2006 specification，已被全球眾多ZigBee應用開發廠家所采用，支持多種硬件平臺，包括面向IEEE／ZigBee的CC2430片上系統解決方案，基于CC2420收發器的新平臺和MSP430超低功耗微處理器。此外，Z-Stack還支持豐富的新特性，如無線下載，即通過ZigBee網絡，下載網絡中各節點的升級軟件，完成節點的軟件升級。Z-Stack還支持具備定位感知功能的CC2431，該特性使用戶能夠設計出可根據節點當前位置改變節點行為的新型ZigBee應用。
針對ZigBee在家庭網絡方面的應用，ZigBee Alliance制定專門的應用框架，即ZigBee Home Automation Public Application Profile。所謂Profile是對邏輯設備及其接口的描述集合，是針對某個特定應用的公約和準則，其目的是使不同廠家按照同一個ProfiIe設計的產品之間可以相互操作、相互替換。ZigBee HomeAutomation Public Application Profile規定了智能家居中的照明設備、采暖通風空調設備、自動窗簾和報警裝置的設計規范。本文的無線智能照明系統就是在這個Profile的基礎上實現的。
Z-Stack提供了豐富的函數調用接口，其中用于發送數據報的函數如下：
其他具體的程序設計在這里不做一一闡述。
3 無線智能照明系統的實驗結果
在一個兩室兩廳的套房中布置1套基于ZigBee技術實現的無線智能照明系統的實驗網絡，其網絡結構如圖2所示。
在每盞燈中都集成有ZigBee模塊，其中協調器節點是必需的。在其他地方，根據是否需要路由功能，可以配置為路由器或者終端節點。因為協調器節點和路由器節點具有路由功能，協議棧容量較大，所需的FLASH空間較大，芯片的成本也較高，因此只把需要給其他節點路由轉發數據報的節點配置為路由器節點，其他節點則都配置為終端節點，以降低成本。室內所有的照明燈組成一個ZigBee網絡，由協調器完成對所有照明燈的控制。可以對網絡中的照明燈單個分別進行控制，也可以把所有的照明燈作為一個整體，進行同時控制；實現了對照明燈的簡單開關控制和256級的調光控制；既可以設置成手動控制模式，也可以設置成自動控制模式，由協調器根據亮度感測器和震動感測器返回的亮度信息和震動信息，自動發送控制命令，完成對所有照明燈的控制。系統設計成本低廉，可靠性高、響應速度快、智能化程度高，是不斷發展的電子信息技術在照明領域中的應用，必將帶來照明技術的革新。
4 結語
隨著計算機技術、通信技術、控制技術的發展和人們物質生活水平的提高，家居智能化正成為國內外的一個研究熱點。基于ZigBee技術的無線智能照明系統目前主要應用在智能大廈和高檔住宅。但是，隨著技術水平的不斷完善，相關產品的價格會逐步降低，巨大的民用市場將是最終的發展方向。該系統在提高照明系統的信息化、智能化程度的同時，對節約電能的消耗也起到了很大的作用，符合國家節能減排的發展戰略。