基于ZigBee的无线照明系统设计
Computer Science and Application 计算机科学与应用, 2018, 8(6), 949-960
Published Online June 2018 in Hans. https://www.360docs.net/doc/e67459465.html,/journal/csa
https://https://www.360docs.net/doc/e67459465.html,/10.12677/csa.2018.86106
Wireless Lighting System Terminal Based on ZigBee
Jianguo Xu, Congshi Han
College of Computer Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology,
Qingdao Shandong
Received: Jun. 7th, 2018; accepted: Jun. 22nd, 2018; published: Jun. 29th, 2018
Abstract
In order to change the disadvantages of traditional indoor lighting system such as complex wiring difficult to control and unable to meet the requirements of environment acquisition and linear dimming the LED lamp is controlled by ZigBee technology. In this paper, the protocol, data trans-mission mode and network topology of ZigBee network are analyzed. According to the require-ment of the system, the overall design scheme and the hardware frame of the system are put for-ward, and the power supply control circuit, the serial communication circuit, the LED lighting control circuit and the photosensitive circuit are completed. Based on the research of traditional intelligent lighting control system, ZigBee protocol is used as the platform. The light intensity and the ZigBee coordinator are used to control the LED. The whole system scheme based on the illu-mination induction technology and the coordinator determines that the ZigBee network is the communication basis of the system. That is to say, two ZigBee function boards are used, one is im-ported into Guang Min sensor for terminal, and the other is used as coordinator to set up the net-work, which is set up as the switch of LED lamp in manual mode. In automatic mode, the LED lights will automatically turn on when the light intensity is low. The brightness of the LED is changed in manual mode through the coordinator.
Keywords
ZigBee Technology, Wireless Lighting System, Coordinator
基于ZigBee的无线照明系统设计
徐建国，韩琮师
山东科技大学，计算机科学与工程学院，山东青岛
收稿日期：2018年6月7日；录用日期：2018年6月22日；发布日期：2018年6月29日
徐建国，韩琮师
摘 要
为了改变传统室内照明系统布线复杂，不易控制、无法满足环境采集和线性调光要求的缺点，采用ZigBee 技术来操控LED 灯。本论文对ZigBee 网络特点，ZigBee 中各层的协议，数据传输方式及网络拓扑结构进行了分析，根据系统需求提出了总体设计方案和系统硬件结构框架，完成了电源控制电路、串口通信电路、LED 照明控制电路、光敏电路等硬件设计。在研究传统智能照明控制系统的基础上，以ZigBee 协议为平台通过光照强度和ZigBee 协调器来控制LED ，以光照感应技术和协调器为基础的整体系统方案，确定将ZigBee 网络作为系统的通信基础。即采用两块ZigBee 功能板，一块为终端导入光敏传感器，用作信号发射，另一个用作协调器建立网络，设定为手动模式下LED 灯的开关。在自动模式下当光照强度不足时，LED 灯将自动变亮。在手动模式下通过协调器改变LED 的亮灭。
关键词
ZigBee 技术，无线照明系统，协调器
Copyright ? 2018 by authors and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.360docs.net/doc/e67459465.html,/licenses/by/4.0/
1. 绪论
传统的有线照明系统布线复杂，节能效率低，安全性差，已经满足不了信息技术飞速发展的生活的基本需求，于是无线智能照明系统应运而生。无线照明系统灵活性高、部署方便、维护成本低。本文采用低功耗、低成本、低速率的短距离无线通信标准来组建无线照明网络。
本论文以ZigBee 无线技术和LED 灯控制系统为研究内容，选用ZigBee 通信方式，主要论述ZigBee 协议组成、ZigBee 组网及网络拓扑系统等相关ZigBee 通信技术，并且根据系统要求对LED 灯的控制撰写了总体设计方案控制、系统设计的要求。运用ZigBee 硬件系统的组成网络，对ZigBee 硬件的电路进行设计分析，完成了电源控制电路、串口通信电路、LED 灯照明控制电路、光敏电路等硬件设计。
2. 设计关键技术介绍
2.1. ZigBee 协议组成
ZigBee 协议是遵循IEEE802.15.4协议，ZigBee 协议分为五层：应用层、应用支持层、网络层、数据链路层和物理层。ZigBee 协议分工非常明确，每层都分配指定的功能和作用。如图1所示。 2.1.1. 物理层(PHY)规范
物理层遵循IEEE802.15.4协议[1]，是协议的最低层，承担的任务是与外界直接相互作用，控制RF 收发器的工作，采用扩频通信。物理层通过物理层数据服务访问点(PD-SAP)提供物理层数据服务，通过物理层管理实体服务访问点(PLME-SAP)提供物理层管理服务。 2.1.2. 数据传输控制层(MAC)规范
同样遵循IEEE802.15.4协议，主要负责的是设备间的无线数据链路的建立、维护和结束，确认模式的数据传输和接收[2]。MAC 子层提供两种服务：MAC 层数据服务和MAC 层管理服务。前者保证MAC
Open Access
徐建国，韩琮师
Figure 1. ZigBee protocol architecture 图1. ZigBee 协议总体架构
协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发，MAC 层管理服务维护一个存储MAC 子层协议状态相关信息的数据库。
MAC 子层主要功能如下： 1) 协调器产生发出网络信标帧。 2) 其他设备与信标帧同步。
3) 支持PAN 网络的关联(Association)和取消关联(Disassociation)操作。 4) 保证设备的安全。
5) 使用CSMA-CA 机制访问信道。
6) 支持GTS(Guaranteed Time Slot ，时间槽保障)机制。 7) 提供两个对等的MAC 实体之间的可靠连接等。 2.1.3. 网络层(NWK)规范
网络层在MAC 层之间提供一个合适的接口，通过刺激MAC 层动作执行寻址和路由功能。它的关键任务包括：
1) 启动网络和分配网络地址。
2) 移除网络中的设备或者添加网络中的设备。 3) 通过路由器设备，将消息送往目的节点。 4) 加密已发送的数据。
5) 在网状网络中执行路由寻址并且储存路由表。 2.1.4. 应用层(APL)规范
应用层用于支持维持器件的功能属性[3]，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进行通信，ZigBee 应用层中包含有应用程序支持子层，应用程序架构，送往ZigBee 装置管控对象和与各厂商定义的应用程序对象。
2.2. ZigBee 组网及网络拓扑
ZigBee 定义了3种类型的设备，每种设备都有自己的功能要求：
1) ZigBee 协调器，在ZigBee 网络中是中心主节点，所有其他ZigBee 节点都是协调器的子节点，
ZigBee
徐建国，韩琮师
协调器不仅要建立ZigBee通信技术的网络，还要对ZigBee通信技术的网络进行管理维护，可以说ZigBee 通信技术的网络的核心。
2) ZigBee路由器，ZigBee路由器和平时生活中的路由器的作用相差不打，都是负责信息的传输，将
信息派送出去[4]。在ZigBee的星形拓扑结构中不能使用ZigBee路由器，在ZigBee树状和网状的拓扑结构中可以使用ZigBee路由器。
3) ZigBee终端设备，是负责实现ZigBee网络中最终功能的子节点。
依据ZigBee设备类型可分为两类设备，一类是全功能设备(FFD)，可以接收和发送数据和路由功能；
另一类是半功能设备(RFD)，不具备路由功能，只能收发数据。
星形拓扑结构是ZigBee三种拓扑结构中最简单的一种拓扑结构，由一个协调器和若干个终端组成，对接方式为点到点，每个终端都会连接协调器[5]，终端与终端之间不能进行连接，任何终端与终端的信息连接都必须经过协调器的转接发送。如图2所示。
树形拓扑结构在ZigBee三种拓扑结构中是最复杂的。由一个协调器
和若干个终端或路由器组成，层次结构非常分明，与协调器相连的每个终端和路由器都可以继续连接终端和路由，形成自己的子节点，以此类推形成树状。如图3所示。
网状拓扑结构是ZigBee三种拓扑结构中最复杂的一种拓扑结构，由一个协调器和若干个终端或路由器组成[6]。这种网状拓扑结构不仅拥有树形拓扑结构的特点，与协调器相连的每个终端和路由下面都可以继续连接终端和路由，形成自己的子节点；所有路由器之间可以直接进行通讯。如图4所示。
3. 硬件系统设计与实现
3.1. 硬件系统设计的要求
根据传统LED灯的缺陷与不足，并结合ZigBee无线通信技术，可以设计出智能人性化的照明系统
Figure 2. Star topology graph
图2.星形拓扑图
Figure 3. Tree topology diagram
图3.树形拓扑图
徐建国，韩琮师
Figure 4. Network topology diagram
图4.网状拓扑图
设计，具体要求如下：
1) 可用性：整体设计必须以人为本，整个系统必须按照要求完成它的作用，在实际中必须体现以人为本的可用性。
2) 易于管理性：方便使用者管理整个ZigBee的网络系统，和灯光控制系统，当出现任何问题时，可以得知问题的来源，方便维护修理。
3) 经济性：整体成本价格必须符合社会实际情况，且能融入到工作和生活的需求中，有良好的成本效益。
4) 稳定性：为了保证硬件的稳定和耐用，长时间的使用不会出现异常，还要从写入硬件的程序入手，提高程序设计可靠性。
3.2. 硬件系统的组成
3.2.1. 协调器设计
协调器是由ZigBee无线模块、CC2530控制模块、串口通信、通用I/O模块、电源模块、按键模块组成[7]。
协调器作用：主要向终端发送需求指令和数据命令。如图5所示。
协调器各个模块的作用：
CC2530内核：CC2530内核是协调器的内核处理器[8]，用于处理传输过的各种数据，包括按键命令，网络中终端的加入和退出请求，ZigBee网络的建立与维护。对相应的数据进行发送处理。
无线模块：无线模块是在CC2530模块中，是发送和接受终端节点的数据作用，并将这些数据传输给CC2530内核。其中规定了发送和接受的数据都必须以IEEE802.15.4协议的格式，运用ZigBee无线通信技术。
通用I/O模块：I/O模块分为I/O设备和I/O接口两个部分，分别代表单片机数据的进、出端口，输入输出I/O流可以看成对字节或者包装后的字节的读取[9]；强电进入系统的同时实现联动控制系统的弱电线路与被控设备的强电线路之间的转换。
电源模块：给协调器供电。
按键模块：按键模块由一个复位按钮，一个对LED灯的亮灭手动控制和自动控制的切换按钮，一个控制LED灯的亮灭按钮组成，根据用户不同的需求，对终端上的LED灯进行操作。
徐建国，韩琮师
Figure 5. Coordinator structure diagram
图5.协调器结构图
3.2.2. 终端设计
终端由ZigBee无线模块、CC2530控制模块、光敏模块、通用I/O模块、电源模块、按键模块组成。
终端的作用：接收协调器发送过来的数据命令和需求指令，根据不同的命令实现对LED灯的控制[10]。
如图6所示。
终端各个模块的作用：
光敏模块：光敏模块的作用是检测此时外界光照的强弱，并将采集的光照强度信息即光信号转化为电信号，再将数据发送给终端的CC2530进行处理[11]。
CC2530内核：用于处理传输过的各种数据，并接受来自光敏模块对外界光照强度的检测结果，最后控制LED灯是否亮灭。
无线模块：用于发送和接受终端节点的数据，与协调器的ZigBee无线模块的作用相同[12]。
通用I/O模块：提供直流电源，对调光信号进行输出。
电源模块：给终端供电。
LED灯：用亮灭来实现对CC2530控制模块的命令。
3.3. 硬件电路设计
3.3.1. ZigBee底板电路
ZigBee底板用来插ZigBee的核心板。RST复位引脚、DEBUG_DD和DEBUG_DC下载程序的引脚
[13]。如图7所示。
3.3.2. 光敏电路
光敏电路是通过光敏模块检测外界的光的强弱[14]，然后将光信号转化为电信号传送给终端，整体的光敏电路是通过数模转化完成对光信号的转换，通过高低电平来确定强光时为高电平1，弱光时为低电平0。如图8所示。
3.3.3. 电源电路
电源开关电路，因为ZigBee主控需要3.3V工作电压，控制ZigBee板的开关。如图9所示。
电源指示灯电路，当ZigBee不出现障碍时，接通电源会保持常亮状态，LED灯0为电源指示灯。如图10所示。
3.3.
4. 组网指示灯电路
组网指示灯电路，用来显示ZigBee网络建立状况，当协调器建立ZigBee网络终端，并且加入该网
徐建国，韩琮师
Figure 6. Terminal diagram 图6. 终端图
Figure 7. ZigBee bottom circuit diagram 图7. ZigBee 底板电路图
Figure 8. Guang Min circuit diagram 图8. 光敏电路图
络之后，终端和协调ZigBee 底板的组网指示灯就会亮起，说明网络建立成功。如图11所示。 3.3.5. 按键电路
复位键电路，即初始化的电路。复位电路有三种：上电复位、按钮复位、积分型上电复位，本设计采用手动复位的方式。复位电路并不会让程序消失，只会让其之前的计算数据消失，复位键电路需要复位健的输入端加上高的电平。如图12所示。
徐建国，韩琮师
Figure 9. Power switch circuit diagram 图9. 电源开关电路图
Figure 10. Power indicator lamp circuit diagram 图10. 电源指示灯电路图
Figure 11. Network indicator lamp circuit diagram 图11. 组网指示灯电路图
Figure 12. Reset key circuit diagram 图12. 复位按键电路图
自动手动控制按键电路，LED 灯有两种控制方式，一是通过光照强度检测控制，二是通过协调器控制，次按键用来切换手动控制和自动控制。如图13所示。
开关按键电路，次按键是协调器上的按键，在协调器切换到手动模式的情况下，通过协调器上的开关按键控制LED 灯的亮灭。如图14所示。 3.3.6. 程序下载电路
将从IAR 开发平台开发好的程序，通过JTAG 接口写入ZigBee 的核心板中，对芯片的内部进行编程，DEBUG_DD 和DEBUG_DC 是下载程序的引脚。如图15所示。 3.3.7. 电压转换电路
在5 V 转3.3 V 电路中，因为ZigBee 主控需要3.3 V 工作电压，由于外部都是5 V 直流电源供电。此电源模块从外部电源的输出端取5 V 直流电，然后通过AMS1117线性稳压器，转变为ZigBee 主控所需要的3.3 V 直流电源，从而ZigBee 主控正常工作。如图16所示。
徐建国，韩琮师
Figure 13. Automatic manual switch button circuit diagram 图13. 自动手动切换按键电路图
Figure 14. Switch key circuit diagram 图14. 开关按键电路图
Figure 15. Program download circuit diagram 图15. 程序下载电路图
Figure 16. Voltage conversion circuit diagram 图16. 电压转换电路图
4. 系统测试与结果分析
4.1. 自动模式
将协调器切换为自动模式，光敏模块对外界光照强度进行检测。实验效果如图17和图18所示。用手或者物体来挡住光照检测终端的光敏模块的光，可以看出LED 灯泡处于常亮状态，实验效果与预期一致。在协调器上，此LED 灯在实验中不受任何控制，保持常亮。
4.2. 手动模式
将协调器切换为手动模式，用协调器来控制灯的亮灭。实验效果如图19和图20所示切换开关实现
徐建国，韩琮师
Figure 17. Adequate lighting in automatic mode 图17. 自动模式光照充足
Figure 18. Insufficient lighting in automatic mode 图18. 自动模式光照不足
Figure 19. Manual mode switch 图19. 手动模式关
徐建国，韩琮师
LED 灯的亮灭，当用协调器向终端发送开灯指令LED 灯为常亮状态，实验效果与预期效果一致。
当协调器向终端发送关灯指令LED 灯熄灭，此时用手指遮住光照检测终端的光敏传感器，可以看出LED 泡并没有亮，继续保持熄灭状态，实验效果与预期一致。如图21所示。
5. 小结
在本次基于ZigBee 的无线照明系统终端控制设计中，对ZigBee 技术与LED 灯的结合运用进行了分析，将C 语言程序烧入到ZigBee 的核心板CC2530中。并完成自动和手动两种模式下对LED 灯的控制。
本次基于ZigBee 的无线照明系统终端控制设计的工作内容如下：
1) 了解当代LED 灯的发展状况，分析传统照明系统的缺点，了解无线通信技术对LED 灯的用途，当前主流无线通信技术选用ZigBee 技术的分析比较，还有选用ZigBee 技术作为当前LED 灯智能化通信原因。
2) 学习ZigBee 核心技术，建立明确的LED 灯的总体设计方案，实现协调器与终端节点具体设计。 3) 学习C 语言程序在ZigBee 中的应用，运用IAR 平台，写入ZigBee 电路板软件程序设计和分析解释。
Figure 20. Manual mode open 图20. 手动模式开
Figure 21. Manual mode 图21. 手动模式
徐建国，韩琮师
4) 设计并实现了模拟用于家居现场的智能照明控制的。
基金项目
国家重点研发计划(课题编号：2017YFC0804406)。
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创新创业训练计划 项目结题报告 项目编号： 项目名称：智能搜狗 项目级别： 项目负责人： 项目类型： 创新训练 创业训练 创业实践指导教师： 所在学部学院： 教务处制
大连理工大学大学生创新创业训练计划 项目原创性声明 本人郑重声明：所呈交的项目结题报告以及所完成的作品实物等相关成果，是本人和项目组其他成员独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果，不侵犯任何第三方的知识产权或其他权利。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 项目负责人签名： 年月日 项目指导教师审核签名： 年月日
智能搜狗Intelligent Searching
摘要 今年来，随着人们生活水平的提高，人们对日常生活中一些重要的物品或者是家里养的宠物等可移动事物的实时位置尤为关心，希望随时随地都能知道其具体方位，但是现有的GPS技术还未全面普及，价格依然很昂贵，所以，本项目着重研究利用低成本硬件设备实现实时定位的功能，将无线定位技术带入人们生活的方方面面。 通过前期的调查研究，我们发现现在市场上的定位装置价格普遍昂贵，而且功耗较高，本项目利用ZIGBEE模块的低成本、低功耗的特点很好的解决了这些问题。 关键词：无线定位；ZIGBEE
Abstract In recent years,with the development of people’s living standard,people place more attention on the real-time position of something important or mobilizable at home like pets,they want it to be capable that they can attain the specific position of the object at anytime and anywhere.But the GPS has not been popularized,and the price is still very high.Therefore,our project is to do some research to find how to achieve real-time positioning with low-cost hardware,and bring wireless positioning technology into people’s daily life. According to the early investigation,we found that the positioning devices in the market are generally very expensive and have high consumption of energy.Our project is to use the low-cost ZIGBEE module with low power consumption to solve these problems. Key Words：Wireless Positioning;ZIGBEE
无线定位技术对比RFID UWB ZIGBEE
RFID是射频识别技术的英文(Radio Frequency Identification)的缩写，射频识别技术是20世纪90年代开始兴起并逐渐走向成熟的一种自动识别技术，射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传 递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。一般是基于RSSI来进行区域性感知，目前，RFID技术在工业自动化、物体跟踪、交通运输控制管理、防伪和军事用途方面已经有着广泛的应用。RFID系统的工作原理： RFID 读卡器 针对监狱系统的特殊情况，我们采用的RFID 阅读器的工作模式为“被动式”，正常工作时阅读器处于接收状态，实时接收电子标签发出的信号，并将接收到的数据转送到后台管理系统中。在可视环境下，最大识别距离（通讯距离）可以达到80米。在具体应用中与无源标签相比较，超长的识别距离具有非常大的优势。当用户对识别距离的长短有不同要求，或应用环境比较复杂时，可以通过设置阅读器上的衰减开关来调节并设定识别距离。 RFID 有源定位标签 采用“主动（active）方式“进行工作，主动发射信号给阅读器。 该方式工作时消耗的能量相对比较高，因此，我们在标签内部增加了高能电池，用来为标签提供能量。标准环境下，电池提供的能量可以保证标签连续工作1年左右。工作频率标签工作频率范围是2.4GHz ～ 2.485GHz，属于微波频段。目前，小功率设备可以自由使用该频段进行工作，不需要向管理部门申请和缴付任何费用。
超宽带(UWB)是射频应用技术领域的一项重大突破。Ubisense 公司利用该技术构建了革命性的实时定位系统(RTLS)，该系统能够在传统的挑战性应用环境中达到较高的定位精度，并具有很好的稳定性；而诸如RFID、WiFi等技术并不能完成该类应用。超带宽（UWB）是射频应用技术领域的一项重大突破，改系统能够在传统环境中达到较高的定位精度，并具有很好的稳定性，创造了RTLS领域的新格局。 1，UWB与其他定位技术的优势 射频技术发展趋势 以往基于场强信号和信号质量技术来定位的RFID,WIFI,ZIGBEE等传统定位技术，定位精度往往不能令人满意，UWB定位技术的出现填补了高精度定位领域的空白。 定位传感器 它包含一个天线阵列，以及UWB 信号接收器；可以通过检测定位标签发出的UWB 信号，来计算该标签的实际位置。在工作过程中，每个传感器独立测定UWB 信号的方向角和仰角(AOA)；而到达时间差信息(TDOA)则必须由一对传感器来测定，而且这两个传感器均部署了时间同步线；这种独特的AOA、TDOA相结合的测量技术，可以构建灵活而强大的定位系统。目前Ubisense 单个传感器能测得较为准确的标签位置；而通过两个传感器的接收信号能测定更为精密的3D 信息；传感器的这种特性大大降低了系统部署的硬件开销，显著改善了系统的稳定性与可靠性。 定位标签