基于ZigBee技术的智能照明系统设计

■ 熏 研究与开发 基于 ZigBee技术 的智能照明系 己口I口年 1月 第己9卷 第 l期 —一 统 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 徐 勇 栾晓明 王 丹。 (1．哈尔滨工程大学信息与通信工程学院 哈尔滨 150001； 2．哈尔滨工业大学自动化测试与控制系 哈尔滨 15O0O1) 摘 要：针对传统照明系统布线麻烦、节能效果差等缺点，设计了以MSP430F2618为微处理器，以CC2520为射频芯片的低功 耗节点硬件平台；并结合 TI公司的Z-Stack协议栈，开发了基于ZigBee技术的智能照明系统。系统中的智能灯光节点能够根 据外界光强自适应调整 自身灯光亮度，周期性采集室内光强、温度等环境信息，并及时响应用户的控制命令。测试结果表明， 该系统可达到智能控制和节约能源的目的，具有一定的应用价值。 关键词：无线传感器网络；ZigBee；Z-Stack；智能照明系统 中图分类号：TP393．1 文献标识码：A Design of intelligent lighting system based on zigbee technology Xu Yong Luan Xiaoming W ang Dan。 (1．College of Information and Communication Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China； 2．Department of Automation Test and Co ntrol，Harbin Institute of Technology，Harbin 1 50001，China) Abstract：Aiming at the defects in the traditional lighting system，such as the complexity of wiring，the poor effect of en— ergy—saving and SO on。the hardware platform based on MSP430F2618 and CC2520 is designed．Then，a novel intelligent lighting system based on the study of Z-Stack and related hardware development platform is developed．In this system， the luminance of light can be adj usted automatically according to the indoor brightness，the environmental information such as temperature and light intensity，can be collected periodically．The application shows that this system can be con— trolled intelligently，and the energy can be saved efficiently．Thus，the system has an excellent applied value． Keywords：W SN；ZigBee；Z—Stack；intelligent lighting system 0 引 言 随着科技的飞速发展和生活水平的不断提高，人们对 于家居生活的现代化、节能化和舒适化的需求越来越强 烈，家庭自动化l】]的概念也为人们所熟知。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。传统 的照明系统往往采用有线连接，具有布线麻烦、增减设备 需要重新布线、系统可扩展性差、安装和维护成本高以及 移动性能差等缺点[2]，且往往采用人工控制的方法或使用 节能灯具来实现节能，不能根据室外光强自适应地调整灯 具的发光亮度，从而达不到高效节能的目的。 针对传统照明系统的不足，一方面可以考虑采用无线 连接的形式取代传统的有线连接。ZigBee技术_3 作为新 兴的近距离无线通信技术之一，具有近距离、低速率、低功 作者简介：徐勇，工学硕士 ，主要研究方向为无线传感器网络。 一 42 一 耗、且极廉价的市场定位，非常适合在照明系统中应用；另 一 方面可以使用先进的微处理电子技术，对灯具的亮度变 化进行自适应调节。当室外光强较强时，室内灯具亮度自 动调暗，室外光强较弱时，室内灯具亮度自动调亮，从而达 到高效节能的目的。 据此，本文设计了基于 Z~gBee无线传感器网络技术 的智能照明系统。该系统由若干智能灯光节点以自组网 的形式组成，通过感知外部光强信息的变化情况，能够自 适应的调节灯光节点的亮度，并可以通过 PC上的数据中 心对灯光节点进行智能控制。 1 系统总体 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 智能照明系统由数据中心、接入节点、路由节点和终 端节点 4部分组成，如图 1所示。所有的节点组成一个网 中国科技核心期刊 己口I口年 1月 第己9卷 第 j期 路由／终端节点 图 1 数据中心 系统结构模型图 在网络构建完成后，各节点通过ZigBee技术相互通信， 数据中心可通过接入节点向网络中的路由节点或终端节点 发送控制命令，路由节点或终端节点也可以多跳路由的形式 将监测数据传送给接人 点，再通过串口转发给数据中心。 2 系统硬件设计 2．1 微控制器选择 目前单片机微处理器种类繁多，且不断向低成本、低 功耗方向发展 。MSP430系列单片机作为 TI公司推出 的超低功耗产品，非常适合在无线传感器网络中使用^。 MSP43OF2618作为 TI公司近期的一款产品，与以前 的产品相比，CPU时钟提高到 16 MHz，待机电流降低到 1 A，从待机模式唤醒的响应时间减少为1 s，Falsh容量 增加到 116 KB，可在不外扩存储单元的同时，提高单片机 性能。在超低功耗方面：休眠模式增加到 5种，可通过更 加灵 活的调整休 眠模式，降低 功耗，最低 耗 电可达 0．1 A。综上，选择 MSP43OF2618单片机作为本设计 的 MCU。 2．2 射频芯片选择 IEEES02．15．4 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 目前支持的芯片有飞思卡尔公司 的 MC13192、Ember公 司的 EM2420以及 TI公司的 CC2420和CC2520等 。 CC2520是 TI公司为 ZigBee低功耗无线应用推出的 第2代 2．4 GHz射频芯片，与其他几款芯片相比，具有工 作电压范围最大、休眠电流最小、接收灵敏度最高、封装尺 寸最小等优点。虽然发射／接收电流相对 CC2420较高， 但其休眠电流远低于 CC2420，而节点通常为低占空比工 作模式，休眠电流对节点的功耗影响更为明显，因此，本设 计选择 CC2520射频芯片。 光强信号转化为电流值，电流通过负载电阻转化为电压值 传送给 MSP43OF2618的A／D转换器，单片机将采集到的 数字信号与寄存器设定值进行比较，比阈值小则 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 外界 光强较弱，需增加白炽灯的发光亮度；反之，需降低白炽灯 的发光亮度。灯光亮度的控制通过交流电过零检测 7¨一来 实现，单片机的引脚 PTA0用于过零点的采集，PTA1引 脚用来控制三端双向可控硅开关元件的开启。 图 2 光控电路原理图 2．4 硬件平台设计 根据所设计的 MSP43OF2618微处理器模块、CC2520 射频通信模块和光控模块等硬件单元，得到节点硬件平台 的总体结构如图3所示。其中，微处理器单元利用串口实 现与PC通信，并通过 SPI与射频模块进行通信，射频模 块通过天线收发信息，整个电路由电源模块负责供电。 图 3 节点结构框图 3 系统软件设计 3．1 Z-Stack介绍 ZStack-2．1．O—1．3．0是 TI公司推出的在业界具有领 先水平的免费商业化协议栈，它符合 ZigBee2007协议规 范要求，支持TI公司的低功耗微处理器MSP430F2618及 新一代射频芯片CC2520组成的开发平台。协议栈以半 开源的形式开放，虽然开放下载的协议栈是以库的形式体 现，但是提供全功能的API函数集，底层驱动可根据实际 需求进行修改，具有较好的灵活性。 中国科技核心期刊 —— 43 ---—— 3．2 接入节点软件设计 接入节点是与 PC上的数据中心进行交互的节点，在 WSN中起协调器的作用，其工作流程如图4所示。上电 初始化完成后，协调器构建一个网络并允许其他节点的加 入，接着对无线信号进行轮询检测。若接收到节点入网申 请，则允许其加入网络并分配网络地址；若接收到上传数 据，则将数据转发到数据中心；若接收到数据中心命令，则 对命令进行解析后执行相应操作。 图 4 接人节点工作流程 3．3 路由节点软件设计 路由节点主要负责网络中数据的转发，同时兼具终端 节点的功能，其工作流程如图5所示。 -- - — — 44 ---—— 图 5 路由节点工作流程 己口I口年 1月 第己g卷 第 1期 ■一 路由节点加入网络后，对无线信号进行轮询检测。若 接收到上传数据，且此数据为拓扑更新数据，则在数据中 加入自己的拓扑信息再继续上传，否则，直接将数据上传； 若接收到发给自己的命令，则响应该命令；若接收到发给 其他节点的数据，则进行转发。 3．4 终端节点软件设计 终端节点主要负责网络中数据的采集与发送，其工作 流程如图6所示。终端节点加入网络后，周期性的向接入 节点发送采集的光强、温度、拓扑等信息，若收到数据中心 的时间同步、测量周期设定或开／关灯等控制命令，则执行 相应操作。 图 6 终端节点工作流程 3．5 数据中心设计 数据中心是在PC上设计的用户操作界面，采用 CVI 软件对其进行编程设计。数据中心的主要功能是接收并 显示WSN的监测数据、实时显示网络拓扑结构、发送时 间同步和灯光控制等命令以及提供历史数据的存储和 查询。 4 系统测试 在室内布置了一个简单的演示系统，系统中包括 1台 PC(安装数据中心)、1个可调光台灯、1个接入节点、1个 路由节点和2个终端节点。 所有的节点组成一个网状的WSN，网络拓扑情况 如图 7所示，若关闭路由节点，与其连接的终端节点将 直接与接人节点连接。鼠标放在数据中心显示不同节 点的图标上，会 自动显示相应节点的温度、电压、周围 坏境的光强及开／关灯控制按钮，此时点击开灯按钮， 节点上的白炽灯被点亮。接下来用可调光台灯模拟外 界光强变化的情况，台灯的亮度逐渐增强，白炽灯的亮 度相应减弱，直至熄灭，当关闭台灯后，白炽灯的亮度 恢复正常。节点监测的温度、电压及光强信息的动态 曲线如图 8所示 。 中国科技核心期刊 己口I口年 1月 第己g卷 第 l期 ·_一L 图 7 网络拓扑结构图 02 ．IL ll -- -- j光强 3 000．0寓蔫一 60．0 40 0 20．0 O．O ⋯ 一 ⋯ “ ⋯ ⋯ ～ ～ ⋯ ‘ 一 ～ 一 ⋯ ⋯ ～ ～ ～ 一 i ii 电压 蕊 焉 — i _了 } — 童 j l _ ji 鬟 L _ _ ll0 囊 i 《 i 专薅 赣 母 i0；鍪 一_ —一警 0 ?誊 一 ～ Il ～_曩__一ll 0 10 2O 3O 4O 50 59 图 8 监控信息动态曲线图 研究与开发 通过测试可知，系统能够成功地组成一个网状 WSN， 并且能够实现灯的开／关控制和灯光亮度的自适应调节， 实现了设计的要求。 5 结束语 传统照明系统具有布线麻烦、可扩展性差、节能效率 低等缺点。本文设计的智能照明系统通过采用 ZigBee无 线传感器网络技术，实现了灯光的无线控制和 自适应调 节，可有效减少照明能耗。测试结果表明，该系统工作稳 定，运行效果良好，具有一定的应用价值。 参 考 文 献 李文仲，段朝玉．ZigBee2007／PRO协议栈实验与实 践[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2009： 186—200． 吴光荣 ，章剑雄．基于 ZigBee技术的无线智能照明系 统[J]．现代电子技术，2008，(14)：67—69． 周晓伟 ，蔡建平，郑增威，等．新型室内照明智能控制 系统的研究与实现[J]．计算机应用研究，2009，26 (8)：2977—2981． 张亮．基于 ZigBee技术 的智能家居环境监测 系统 [D]．武汉科技大学，2009，31(8)：41—42． 彭宇，罗清华，潘大为，ZigBee网络低功耗节点设计 [J]．仪器仪表学报，2009，30(6)：588 591． POTTLE G J，KAISFR W J．Wireless integrated net— work sensors[J]．Communications of the ACM，2000， 43(5)：51—58． 陈莉，陶正苏．环境监测无线传感器网络节点的设计 [J]．仪表技术与传感器，2008，(10)：7-8． ’¨¨¨ ‘’ ¨ ll_“¨ l¨ ’‘ l-一’‘ I-· _l¨¨·⋯l¨ · ‘”⋯ ⋯¨ ‘’ || 。”⋯ 。 ⋯ 【· ‘。0 |_。¨¨· ‘_l¨|_ 。‘⋯ _ 。|_¨|_ ’”⋯ ’ ’ 。 | ⋯ · (上接 第 29页) 参 考 文 献 [1] 雷绍充，邵志标 ，梁封．超大规模集成电路测试[M]． 北京 ：电子工业出版社，2008． [2] BUSHNELL M L．超大规模集成电路测试～数字 、存 储器和混合信号系统[M]．蒋安平，译．北京：电子工 业出版社 ，2005：372—375． E3] 向东，张钻．一种新的电路分块方法[J]．微电子测试， 1989(1)：25—26． [4] 王小港，吴福炜．一种新的VLSI电路划分算法口]．微 处理机，2001，11(4)：5-6． r5] GIRARD P，GUILLER L，LANDRAULT C，et a1． Low power bist design by hypergraph partitioning： Met hodology and architectures[C]．2000 Internation— al Test Conference，2000． [6] 韩明伟．超大规模集成电路划分算法研究[D]．西安： 西安电子科技大学，2008． r7] BANOS R，GIL C，MONTOYA M G，et a1．A parallel evolutionary algorithm for circuit partitioning[c]． 2003 Euro-PDP。2003． E8] 李金凤，汪滢，辛晓宁．BIST可测性设计 的低功耗技 术口]．仪器仪表学报，2003，24(增刊)：629—630． [9] 李仪．超大规模集成电路的并行测试技术[J]．国外电 子测量技术，2004，23(6)：21 22． 中国科技核心期刊 ～ 45 一 ] ] ] ] ] ] ] 口