1、基于ZigBee的智能照明系统的设计基于ZigBee的智能照明系统的设计1.1课题的研究意义和目的随着现代科学技术的发展和人们生活水平的提高，智能家居、家庭自动化等早已为大众所熟知，而智能照明系统作为家庭自动化的应用之一，具有广阔的应用前景。目前，传统照明存在着一系列缺点，如发光效率低、使用寿命短、布线麻烦、系统可扩展性差，远远不能满足现代社会对高效、自动化和节能照明技术的现实需求1。针对传统照明系统的不足，采用无线通信技术是实现智能照明系统的理想选择。ZigBee技术作为一种新兴的近距离无线通信技术，具有短距离、低功耗、低速率和高可靠性等特点，因而是无线智能照明系统的最佳解决方案。智能照明控
2、制系统就是为了适应各种不同建筑物的结构和布局，适应各种不同照明设备的选型与配置，以达到照明设备的多元化控制的目的，本系统中更采用了较为先进的无线网络技术，结合于智能照明系统中，其目的和意义在于：（1)节约能源；智能照明控制系统借助各种不同的预先设置控制方式，对不同时间不同环境进行分场景地设置和管理，充分利用自然光，同时自动调节照度，利用最少的能源保证所要求的照度水平，从而达到节能的效果。（2)安装布置灵活，管理维护方便；采用了ZigBee无线网络技术进行各种设备与控制中心的通信，减少了有线线路铺设的麻烦，使系统安装布线方便灵活，可移动性强，管理维修方便。（3)提高照明质量，创造有效而良好的照明
3、环境，从而大大改善工作和生活环境，提高工作效率、生活品质。（4)延长光源寿命，智能照明控制系统可以成功地抑制电网的冲击电压和浪涌电压，从而延长灯具的使用寿命。（5)改善电网质量，智能照明控制系统对照明设备(如荧光灯等)实现调光控制，可调光荧光灯电子镇流器可以提高功率因数，减少谐波含量2。（6)有较高的经济回报率，智能照明控制和管理系统通过合理管理可节约能源和降低运行费用，并从中得到经济回报。智能照明属于一个新兴产业，智能照明产品也是一个将要改变人们生活方式的产品，对于改变，人们往往是被推着来的。当然，随着各种技术的不断发展，生活水平的不断提高，各类通信标准和市场不断规范，智能照明将真正进入寻常
4、百姓家。回想一下，智能手机市场占领功能机市场用了多长时间，触摸屏手机占领按键手机用了多长时间，产品一旦被认同，就会爆发式的发展，相信智能照明凭借其灵活、节能、人性化的优势也会迎来爆发式发展，像人们购买智能手机，触摸屏手机一样，为智能照明买单，也只是一个时间的问题3。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状从20世纪60年代开发了白炽灯、荧光灯、高强度放电灯所使用的电子调光器，到20世纪90年代以来，国外以计算机技术为基础开发出灯光自动调光系统、自动关停系统和自动补偿系统，也称“智能照明”的新型照明控制系统，并已有定型产品得以良好的推广和运用，使建筑照明由传统控制走向计算机控制或无人控制的
5、新领域。自1984年美国建成第一座智能建筑以来的十几年中在世界范围内智能建筑以一种崭新的面貌和技术迅速在各地展开4。尤其是亚洲的日本、新加坡、台湾等国家和地区为了适应智能建筑的发展进行了大量的研究和实践相继建成了一批具有智能化的建筑4。以美国为例，智能照明在智能家居的比重占到了第一位，甚至超过了安防的需求。虽然美国是最早开始研究智能家居的，但普与工作做得最好的却是在韩国，这和韩国先进的电子技术是分不开的，同时也归功于政府的政策支持，因此韩国产生了像三星、LG等知名的智能家居品牌。澳大利亚奇胜场景照明控制系统，可以对同一个场所中最多18个灯区(照明回路)供电和调节亮度。用户可以调节和预设每个灯区
6、的亮度以适应最多5种场景，只需按一下按键就可以为你的活动选择满意的照明环境5。1.2.2 国内研究现状我国在20世纪80年代也开始涉与到智能建筑的理念并提到了楼宇自动化和办公自动化直到90年代初智能建筑这一概念才逐渐被越来越多的人们所认识和接受尤其是在1993-1995年期间全国上下许多大中城市的房地产商都将自己开发的建筑标以“智能建筑”,“全智慧型建筑”等等一时间智能建筑成了房地产商开发销售的热点6。近几年，我国高层建筑迅猛发展，这种智能型照明控制系统也已悄然进入了我国建筑行业。目前，上海金茂大厦，山东世界贸易中心等建筑已应用了这种智能型照明控制系统。近几年来，随着科技的发展和物质生活水平的
7、不断提高。家居、酒店智能化也不断被人们所推崇。作为智能化的组成部分智能照明系统更成为当今装饰、装修的关注点。自从爱迪生发明电灯以来，给人类带来无穷的利益。如今电灯已不仅仅用于照明，而更多是用来营造温馨、浪漫、多彩、绚丽、奢华的氛围。智能照明行业自从上世纪九十年代进入中国市场以来由于市场的消费意识，市场环境、产品价格、推广力度等各方面的原因一直没有大的动作和起色7。国外智能照明产品价格太高，相关产品往往只是把智能照明作为其智能产品的一个子系统来运作，定位高端，造成曲高和寡，这如同八九十年代的家电市场。另外，国内的产品推广力度远远不够。由于这是一个全新的行业，不同于快速消费品，渠道的建设，观念的形
8、成等等都是摸着石头过河，所以也不敢投入过多的精力与资源。但是随着数字化家居概念的提出和发展以与部分国际品牌的入驻如：Dynalite、路创、WIELAND等等，推动了这个行业的快速增长，智能照明作为数字化家居的重要组成部分而被各个智能化厂家所重视起来，智能照明进入初级快速发展阶段8。1.3课题的主要研究内容本论文的结构和章节如下：第一章：介绍课题的研究目的和意义，分析了智能照明系统的国内外研究现状，简要概括本文的主要研究内容；第二章：介绍基于无线传感网的智能照明系统的设计中使用到的关键技术，包括无线传感网络技术、ZigBee技术;第三章：对系统进行需求分析，提出无线传感网络智能照明系统的总体设
9、计，并进行系统的硬件设计；第四章：提出了系统的软件设计，包括网络协调器、设备终端、遥控器的软件设计；第五章：对论文进行总结，并指出后续工作；第二章无线传感器网络与ZigBee技术介绍2.1 无线传感器网络技术2.1.1 无线传感器网络简介无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区中观察者感兴趣的感知对象的各种信息（如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象），并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者9。 无线传感器网络综合了现代传感器技术、微电子技术、通信技术、嵌
10、入式计算技术和分布式信息处理技术等多个学科，是新兴的交叉研究领域。它的出现引起了全世界范围的广泛关注，被称为二十一世纪最具影响的技术之一。工业自动化就是工业生产中的各种参数为控制目的，实现各种过程控制，在整个工业生产中，尽量减少人力的操作，而能充分利用动物以外的能源与各种资讯来进行生产工作，即称为工业自动化生产，而使工业能进行自动生产之过程称为工业自动化。2.1.2 无线传感器网络的结构与特点图2.1 无线传感器网络的系统结构无线传感器网络系统结构的一般形式如图2.1 所示。在传感器网络中，节点任意散落在被监测区域内，除了感测特定的对象，还进行简单的计算并维持互相之间的网络连接。传感器网络具有
11、自组织的功能，单个节点经过初始的通信和协商，形成一个传输信息的多跳网络10。还有就是每个传感网络装备有一个连接到传输网络的网关，传输网络是由一个单跳链接或一系列的无线网络节点组成的。网关通过这个传输网络把感测数据从传感区域发送到提供远程连接和数据处理的基站，基站再通过Internet 联系到远程数据库。最后采集到的数据经过分析、挖掘后通过一个界面提供给终端用户。传感器网络节点一般由处理器单元、无线传输单元、传感器单元和电源模块单元4 部分组成，如图2.2所示。传感器节点的一个重要组成部分是电源，电源为传感器提供正常工作所必须的能源，可以使用太阳能电池等11。节点在网络中可以充当数据采集者、数据
12、中转站或簇头节点（ Cluster-Headnode）的角色。作为数据采集者，数据采集模块收集周围环境的数据，通过通信路由协议直接或间接将数据传输给远方基站（Base Station）或Sink 节点；作为数据中转站，节点除了完成数据采集任务外，还要接收邻居节点的数据，将转发给距离基站更近的邻居节点或者直接转发到基站或Sink 节点；作为簇头节点，节点负责收集该簇内所有节点采集的数据，经数据融合后，发送到基站或Sink 节点。图2.2 无线传感器网络节点典型组成2.1.3 无线传感器网络工作方式这些传感器相互连接的方式类似于无线笔记本电脑、台式机和PDA与互联网连接的方式。它们只需极少功率，同
13、时随着其价格在未来几年的不断降低，相关应用将可以得到进一步推广。它们如同种子一样遍布每个角落，彼此互通，可在环境监视和信息收集过程中发挥重要作用。传感器网络可以告诉您发动机什么时候需要维护，监视建筑物或森林以预防火灾，或警告使用微尘地区的水坝是否出现坍塌迹象。这些传感器为实现“主动式计算”奠定了坚实基础，通过数百个小型计算机共同协作来预测人类的切实需要。英特尔研究总监David表示：“现在，要么电脑等待我们，要么我们等待电脑，在主动式计算世界里，计算机将能够预测出您的需要，甚至有时会代表您执行某些职能12。”2.1.4无线传感器网络的应用（1）军事防御军事传感器网络探测和获取敌军情报。由于战场
14、情况复杂，如果靠人去收集敌方情报是很危险的，而通过将传感器网络放置在敌军阵地却可以安全地获得精确的信息，同时也不容易被敌军察觉。在士兵、装备与军火上加装传感器以供识别，分清敌我，防止误打。监控战场上的状态。通过飞机空投等方式将大量廉价微型的传感器节点散布在预定区域，通过这些传感器节点实时监测周围环境的变化，并将监测到的数据通过卫星信道等方式发回基地，这样就可以实时地监控战场上的状态。跟踪射击对象的位置。通过传感器节点对射击对象的跟踪、定位，实现精确制导。探测与判定化学、生物、放射、核子等物质和攻击。利用传感器网络与时、准确地判断是否有生化武器与核武器的攻击，确定生化源、爆炸中心的位置，为军队提
15、供反应时间，从而最大可能地减小伤亡13。（2）环境监测随着人们对环境的日益关注，环境科学所涉与的范围越来越广泛。通过传统的方式采集原始数据是一件很困难的工作。无线传感器网络为野外随机性的数据获取提供了方便。比如，跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等14。ALERT 系统中就有数种传感器来监测降雨量、河水水位和土壤水分，并依此预测爆发山洪的可能性14。类似地，无线传感器网络对森林火灾准确、与时地预报也应该是有帮助的。此外，无线传感器网络也可以应用在精细农业中，以监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。（3）医疗卫生无线传感器网络在医疗研究、护理领域
16、也是大有所为。例如，在住院的病人身上安装上具有特殊用途的传感器节点，医生就能随时了解到病人的情况，进行远程监控，了解他们的身体情况，如血压、脉搏等等，一旦发现有危险，就能在第一时间进行救助。因此，利用无线传感器网络不仅能快速、方便的使病人得到医治，而且还大大的减轻了护理人员的负担15。（4）反恐救灾美国911 事件的发生，使反恐成为各国普遍关注的问题。反恐问题主要是要与时的收集信息，加强对周围环境的监测，能够与时有效地应对突发事件，将传感器网络技术应用于反恐问题，可以有效地防止恐怖袭击事件的发生16。（5）其他应用无线传感网络还被应用于其它一些领域。如井矿、核电厂等危险的工业环境，工作人员可以
17、通过它来实施安全监测；也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具，此外还可以运用到工业自动化生产线等诸多领域17。Intel 正在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由40台机器上的210个传感器组成，这个无线传感网络组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件，它可以大幅降低检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高效率，并延长设备的使用时间。无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。2.2 ZigBee技术概述2.2.1 ZigBee技术简介与其特点ZigBee是一种新兴的短距离、低速率
18、、低复杂度、低功耗、低成本的无线网络技术ZigBee技术是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术方案，在发展最初时，曾经用过HomeRF Lite或者FireFly无线技术的叫法18。ZigBee技术的基础是IEEE 802.15.4标准。这是IEEE无线个人区域(Personal Area Network，PAN)工作组所定的一项标准，被称为IEEE 802154(ZigBee)技术标准，而遵循此标准的无线网络通信技术则是由国际ZigBee联盟所定义的。国际ZigBee联盟在2001年8月成立，此联盟是由英国的lnvensys公司、日本的三菱电气公司、美国的摩托罗拉公司以与荷兰的飞利浦半导体公
19、司所组成，该联盟的主要任务是旨在研发被命名为ZigBee的下一代无线通信标准。如今，该联盟已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司、消费类电子厂商和OEM商等的加入。ZigBee技术的特点主要包括以下方面：1.省电：两节五号电池即可支持一个节点长达6个月到2年的使用时间，省电，节约成本。2.可靠：ZigBee技术采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免发送数据时的竞争和冲突：节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性19。3.时延短：针对时延敏感的应用做了一定的优化，通信时延短，从休眠状态激活
20、的时延也非常短，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进人网络只需30ms，不但时延短，这也在一定程度上进一步节省了电能。4.网络容量大：ZigBee有多种网络拓扑结构，由一个主节点管理若干个子节点，最多一个主节点可以管理254个子节点；主节点还可以由上一层的网络节点来管理，最多可支持65000个节点20。5.低速率：ZigBee技术分别提供了250kbps(此时频段为24GHz)，以与频段在915MHz时的40kbps和868MHz时的20kbps，三种原始数据的吞吐率，完全可以满足低速率传输数据的应用需求。6.短距离通信，覆盖范围广：ZigBee的数据传输覆盖范围一般介于10100m
21、之间，而且在增加了RF发射功率后，是可以将范围扩大到1-3km的，这只是相邻节点之间的距离。如果再通过路由器和节点之间通信的接力，ZigBee网络的数据传输范围可以达到更远。7.高安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的高级加密标准AES-12821。8.免执照频段:采用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)频段，2.4GHz（全球)、915MHz(美国)和868MHz(欧洲)。2.2.2 ZigBee协议栈概述ZigBee联盟于2005年公布了第一份ZigBee规范“ZigBee Specification V1.0”。ZigBee协议规范使用了IEEE 802.1
22、5.4定义的物理层（PHY）和媒体介质访问层（MAC），并在此基础上定义了网络层（NWK）和应用层（APL）架构22。ZigBee的体系结构由称为层的各模块组成。每一层为其上层提供特定的服务：即由数据服务实体提供数据传输服务；管理实体提供所有的其他管理服务。每个服务实体通过相应的服务接入点(SAP)为其上层提供一个接口，每个服务接入点通过服务原语来完成所对应的功能23。ZigBee协议的体系结构如图2.3所示：图2.3 ZigBee体系结构模型2.2.2.1 物理层（PHY）物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务24。物理层内容：（1）ZigBee的
23、激活；（2)当前信道的能量检测；（3)接收链路服务质量信息；（4)ZigBee信道接入方式；（5)信道频率选择；（6)数据传输和接收。如图2.4所示。图2.4 物理层2.2.2.2 介质访问层（MAC）MAC层负责处理所有的物理无线信道访问，并产生网络信号、同步信号；支持PAN连接和分离，提供两个对等MAC实体之间可靠的链路25。如图2.5所示MAC层功能：（1）网络协调器产生信标；（2）与信标同步；（3）支持PAN(个域网)链路的建立和断开；（4）为设备的安全性提供支持；（5）信道接入方式采用免冲突载波检测多址接入(CSMA-CA)机制；（6）处理和维护保护时隙(GTS)机制；（7)在两个对
24、等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路；图2.5 MAC层2.2.2.3 网络层（NWK）ZigBee协议栈的核心部分在网络层。网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找与传送数据等功能26。其结构如图2.6所示。网络层功能：（1）网络发现；（2）网络形成；（3）允许设备连接；（4）路由器初始化；（5）直接将设备同网络连接；（6）断开网络连接；（7）重新复位设备；（8）接收机同步；（9）信息库维护；图2.6 网络层2.2.2.4 应用层（APL）（1)ZigBee应用层框架包括应用支持层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)和制造商所定义的应用对象27。（2)应用支持
25、层的功能包括：维持绑定表、在绑定的设备之间传送消息。（3）ZigBee设备对象的功能包括：定义设备在网络中的角色(如ZigBee协调器和终端设备)，发起和响应绑定请求，在网络设备之间建立安全机制。ZigBee设备对象还负责发现网络中的设备，并且决定向他们提供何种应用服务28。（4）ZigBee应用层除了提供一些必要函数以与为网络层提供合适的服务接口外，一个重要的功能是应用者可在这层定义自己的应用对象。应用层（APL)：应用支持层维持器件的功能属性，发现该器件工作空间中其他器件的工作，根据服务和需求使多个器件之间通信，根据具体应用由用户开发29。其结构如图2.7所示。图2.7 应用层第三章系统需
26、求分析与系统硬件设计3.1系统需求分析一个实际的照明控制系统主要是包括了安装在照明设备上的微处理控制系统，控制中心的监控系统，以与实现这两者之间联系的无线通信系统，这三个主要组成部分30。针对本设计中的基于无线通信网络的照明控制系统，系统的基本实现功能主要有：可以通过遥控器实现对灯的开关控制；能够将照明设备分组，并设置各种不同的灯光场景，可以方便地使照明设备加入网络或者离开网络等，并能够便于控制中心进行统一控制；而且，网络节点需具有一定的存储记忆功能，可以保存已经设置的场景，不需要重新确认照明设备或重新设置就可以正常地进行使用。以上这些都是从用户角度考虑，所需要达到的要求。对于无线灯光控制系统
27、本身来说，也有一些必须的要求，例如应该要求网络节点电路在体积上足够小，遥控器也应该尽量简单便于用户操作。在软件方面，要求所有模块的软件部分都尽量精简，没有冗余代码，同时也应该缩减网络节点和遥控器节点的成本。3.2 系统总体设计根据智能照明系统的特点与设计要求，本文设计的基于无线传感网络与ZigBee技术的智能照明系统主要由网络协调器、终端设备和遥控器三个部分组成。如图3.1所示。本系统中采用ZigBee无线网络系统，采用多路，星形拓扑结构，网络中有一个网络协调器与上位机，负载建立网络，并管理网络，显示相关的控制信息，以与发送控制指令；若干个RFD节点作为终端设备，根据控制信号直接控制照明设备；
28、若干个路由节点，在网络覆盖面积较大时投入系统中使用，负责传递控制信号；还有手持设备，即遥控器也可以由RFD设备充当，用于操作人员人为控制照明设备。图3.1 系统结构模型图3.3 射频芯片CC2430ZigBee节点的基本结构框图如图3.2所示。为实现ZigBee节点的各项功能，在此采用芯片CC2430，并以CC2430芯片为主进行各种ZigBee设备的设计。下面就详细介绍本系统所需要的最主要芯片CC2430。图3.2 ZigBee节点基本结构框图CC2430是真正的系统芯片(SoC)CMOS解决方案，它结合了一个高性能的射频收发器核心和一个高效的8051控制器，完全可以满足ZigBee节点的结
29、构设计，也可以提高性能，并满足以ZigBee为基础的24GHz ISM频段应用的低成本、低功耗的要求31。CC2430芯片以强大的IAR集成开发环境为支持，是Chipcon公司推出的真正的单芯片ZigBee解决方案，支持2.4GHz IEEE802.15.4 ZigBee协议。CC2430芯片的内部结构如图3.3所示，它在单个芯片上集成了ZigBee射频(RE)前端、闪存以与8位8051微控制器。它具有3264128KB的编程闪存和8KB的RAM，还集成了模数转换器(ADC)、4个定时器、AES-128安全协同处理器、看门狗定时器(Watchdog Timer)、32kHz晶振的休眠模式定时器
30、、上电复位电路(power onreset)、掉电检测电路(brown out detection)以与21个可编程IO引脚，可以应用于各种ZigBee的无线网络节点，包括网络协调器、路由器以与终端设备。CC2430芯片采用了0.18umCOMS工艺生产，工作时损耗仅为27mA；在接收和发射模式下，电流损耗也小于27mA，它的休眠模式和转换到主动模式的超短时间特性，也完全满足低成本、低功耗的要求，适合电池寿命长的应用。图3.3 CC2430内部结构CC2430的主要特性如下所述：1.高性能和低功耗的增强型8051微控制器内核，运行时钟32MHz，使用标准805l指令集，具有8倍于标准805l内
31、核的性能。2.符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF收发器。3.极高的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性能。4.32KB、64KB或128KB的片内Flash块提供电路可编程非易失性存储器，可用于软件安全；1个DMA控制器，8KB的静态RAM，其中4KB是超低功耗的SRAM，在各种电源模式中具有4096字节数据保持能力。5.一个32MHz晶体振荡器、一个16MHz的RC振荡器、一个可选的32.678kHz晶体振荡器和32.768lkHz的RC振荡器，4个振荡器用于系统时钟和定时操作，可降低功耗。6.低功耗，电流消耗小；工作时的电流损耗为27mA，在接收和发射模式下，电流损耗分别低于2
32、7mA和25mA；在休眠模式时仅0.9uA的电流损耗，外部的中断或者RTC能唤醒系统；在待机模式时少于0.6uA的电流损耗，外部中断能唤醒系统。7.硬件支持避免冲突的载波侦听多路存取(CSMA-CA)功能。8.电压范围较宽(2.03.6V)。9.数字化的接收信号强度指示器链路质量指示(RSSILQI)。10.具有电池监视器和温度传感器。11.集成用户用于自定义应用的外设，集成一个AES协处理器，以支持IEEE802.15.4MAC安全所需的AES的运行，减少占用微控制器。12中断控制器为18个中断源提供服务；两线串行的调试接口，可支持电路调试和外部Flash编程；IO控制器灵活分配，可靠的控制21个IO口。13.具有8路输入814位ADC；看门狗；1个通用的16位和2个8位定时器。14.ZigBeeIEEE802.15.4全
