發(fā)布時間：2022-03-09所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：為了提高照明系統(tǒng)的使用效率，減少電能的浪費(fèi);設(shè)計(jì)了一種以TI公司的cc2530芯片與Ralink公司RT5350芯片為核心的，結(jié)合了zigBee與wiFi技術(shù)的無線智能照明系統(tǒng);該系統(tǒng)在控制終端與各照明節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)建混合型無線通信網(wǎng)絡(luò)，并實(shí)現(xiàn)了將zig Bee網(wǎng)絡(luò)與uPnP標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合;控
摘要：為了提高照明系統(tǒng)的使用效率，減少電能的浪費(fèi);設(shè)計(jì)了一種以TI公司的cc2530芯片與Ralink公司RT5350芯片為核心的，結(jié)合了zigBee與wiFi技術(shù)的無線智能照明系統(tǒng);該系統(tǒng)在控制終端與各照明節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)建混合型無線通信網(wǎng)絡(luò)，并實(shí)現(xiàn)了將zig— Bee網(wǎng)絡(luò)與uPnP標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合;控制終端可實(shí)時監(jiān)測各照明節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，同時可發(fā)送控制命令到各終端節(jié)點(diǎn);分析了系統(tǒng)的工作原理、硬件架構(gòu)、軟件設(shè)計(jì);實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠可靠地完成信息的采集與發(fā)送，誤包率在50 m范圍內(nèi)可控制在4.o%以內(nèi)，系統(tǒng)具有誤包率低，穩(wěn)定可靠，成本低等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了照明系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化管理。
關(guān)鍵詞：ZigBee;wi Fi;通用即插即用;智能照明
O 引言
長久以來，人們對照明系統(tǒng)的控制主要是基于本地式開關(guān)，此種傳統(tǒng)控制方式制約了現(xiàn)代人快節(jié)奏的生活方式，與當(dāng)下節(jié)能環(huán)保概念相違背，因?yàn)檎彰饕恢笔浅鞘须娏ο牡拇髴簦S著城市的大規(guī)模擴(kuò)展，各種大型商場的建立，公共的照明設(shè)施越來越多，而如此眾多的照明設(shè)施就需要有專門的管理人員每天來檢查、控制。在大型商場中，由于管理操作的不便性，經(jīng)常出現(xiàn)關(guān)燈不及時，燈發(fā)生故障而不能及時被發(fā)現(xiàn)等諸多不利，這樣不但消耗人力，而且造成電能的浪費(fèi)。傳統(tǒng)的照明控制方式已滿足不了現(xiàn)代人的使用需求，于是智能照明控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。
如今很多公共照明設(shè)施出現(xiàn)了采用光控或聲控的方式，此種方式可及時地打開、關(guān)閉燈，節(jié)省了不少的電能，也有些場所采用無線控制方式，如紅外遙控，避免了布線繁雜的困擾口]，然而這些方式都只能對各個點(diǎn)實(shí)現(xiàn)一對一的控制，不能對所有設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的遠(yuǎn)程監(jiān)控。無線通信技術(shù)的發(fā)展為遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)提供了新的通信方式，ZigBee[2‘3]是一種基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的新興的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[4]，具有短距離、低功耗、低成本、低復(fù)雜度等優(yōu)勢，主要應(yīng)用在各種電子設(shè)備之間的無線通信中[5]，尤其適合應(yīng)用于樓宇的自動化設(shè)備中。然而支持ZigBee協(xié)議的硬件設(shè)備上都不具有以太網(wǎng)口或WLAN網(wǎng)口，更不支持TCP/IP協(xié)議棧，因此無法實(shí)現(xiàn)UPnP(通用即插即用)標(biāo)準(zhǔn)[6]，也無法與生活中常用的手機(jī)、PC直接相連，這給統(tǒng)一遠(yuǎn)程監(jiān)控帶來了不便。
本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee與WiFi技術(shù)的無線智能照明系統(tǒng)，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)與WiFi網(wǎng)絡(luò)之間架設(shè)嵌入式網(wǎng)關(guān)，建立混合型無線通信網(wǎng)絡(luò)口]，并將ZigBee網(wǎng)絡(luò)與uPnP標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)PC、手機(jī)端與各ZigBee節(jié)點(diǎn)之間的互聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)對所有照明節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一的實(shí)時監(jiān)控。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理
系統(tǒng)主要由ZigBee網(wǎng)絡(luò)、嵌入式網(wǎng)關(guān)和wiFi網(wǎng)絡(luò)三部分組成。如圖1所示，其中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中包含照明終端，路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器，各節(jié)點(diǎn)之間的通信距離為30～70 m，可根據(jù)節(jié)點(diǎn)周邊環(huán)境在合適的地方配置路由器，構(gòu)成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，來使 zigBee網(wǎng)絡(luò)覆蓋整棟大樓。協(xié)調(diào)器是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備，通過協(xié)調(diào)器采集各照明終端的狀態(tài)信息，并實(shí)現(xiàn)對ZigBee節(jié)點(diǎn)的控制。通過串口將協(xié)調(diào)器與嵌入式網(wǎng)關(guān)相連接，嵌入式網(wǎng)關(guān)中運(yùn)行UPnP協(xié)議的設(shè)備部分，為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的每一個節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建一個虛擬的UPnP設(shè)備，將虛擬的UPnP設(shè)備與實(shí)際的終端節(jié)點(diǎn)一一對應(yīng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的上報(bào)與發(fā)現(xiàn)。最后，通過 wiFi網(wǎng)絡(luò)將控制終端如電腦，手機(jī)等與嵌入式網(wǎng)關(guān)相連接，從uPnP網(wǎng)絡(luò)中的控制點(diǎn)來看，每個zigBee節(jié)點(diǎn)都是實(shí)現(xiàn)了 UPnP協(xié)議的設(shè)備。系統(tǒng)通過嵌入式網(wǎng)關(guān)，將ZigBee網(wǎng)絡(luò)與 wiFi網(wǎng)絡(luò)互連，實(shí)現(xiàn)PC、手機(jī)對各照明終端的狀態(tài)監(jiān)控。
2硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)
無線智能照明系統(tǒng)的硬件架構(gòu)主要包括兩大部分：
1)構(gòu)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)的照明終端、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器;
2)連接ZigBee網(wǎng)絡(luò)與WiFi網(wǎng)絡(luò)的嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)備。以下分別介紹這兩大部分。
2.1 zigB∞無線通信節(jié)點(diǎn)
zigBee網(wǎng)絡(luò)主要由終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，本系統(tǒng)采用了TI公司的CC2530芯片作為zigBee無線通信的核心，CC2530集成了符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz 的RF收發(fā)器，增強(qiáng)型8051CPU和系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，滿足低成本、低功耗的要求，并結(jié)合TI開發(fā)的ZigBee協(xié)議棧[8]，可方便用戶開發(fā)，提供了強(qiáng)大完整的無線ZigBee解決方案。
2.2嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)
嵌入式網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)將ZigBee網(wǎng)絡(luò)與wiFt網(wǎng)絡(luò)互連，并實(shí)現(xiàn)UPnP協(xié)議，對于嵌入式設(shè)備的要求如下：
1)具有射頻單元，支持wiFi，以實(shí)現(xiàn)PC，手機(jī)等控制端的接人。
2)具有串口，能夠與ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備協(xié)調(diào)器互連。
3)具有能夠支持TCP/IP協(xié)議棧的嵌入式操作系統(tǒng)。
4)能運(yùn)行C語言編寫的網(wǎng)關(guān)程序。
本系統(tǒng)選用以Ralink公司的RT5350芯片為核心的嵌入式設(shè)備，其硬件架構(gòu)如圖2所示，RT5350內(nèi)部集成了基帶處理器，射頻，射頻功率放大器，一顆高性能的MIPS 24Kc 360 MHz處理器，支持150 Mbps無線數(shù)據(jù)帶寬，其中SDRAM主要用于存放系統(tǒng)及用戶數(shù)據(jù)，F(xiàn)lash則主要用于存放嵌入式操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序，其中串口、MAC/基帶處理器及RF是系統(tǒng)的主要通信模塊，串口一方面用于系統(tǒng)映像文件的下載，另一方面主要用于與ZigBee網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器的互聯(lián)，MAC/基帶處理器及射頻提供系統(tǒng)Wi Fi網(wǎng)絡(luò)的連接。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為兩部分，一部分為ZigBee節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)，包括協(xié)調(diào)器、路由器、照明終端節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)是基于TI公司開發(fā)的z—Stack2007協(xié)議棧，通過任務(wù)查詢，事件觸發(fā)來實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度機(jī)制;另一部分為嵌入式網(wǎng)關(guān)中虛擬設(shè)備的實(shí)現(xiàn)，主要用于實(shí)現(xiàn)為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建一個虛擬的uPnP設(shè)備，并能通過UPnP協(xié)議對 ZigeBee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制。
3.1數(shù)據(jù)傳輸格式設(shè)計(jì)
網(wǎng)關(guān)與協(xié)調(diào)器之間是通過固定的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行通訊，數(shù)據(jù)傳輸格式定義如表1所示，共8個字節(jié)，其中：
1)幀頭1和幀頭2為固定值oxFE和OxFD。
2)設(shè)備類型指ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)備種類，例如：oxOo 表示電燈，oXol表示電扇等，在本設(shè)計(jì)中為oxoo。
3)設(shè)備序號指該ZigBee設(shè)備在該設(shè)備類型中的序號，取值oxoo到0xFF。
4)幀類型表示該設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)：oxoo為不存在幀，表示設(shè)備不可用;ox01為存在幀，表示設(shè)備可用;Ox02表示變量幀;ox03為準(zhǔn)備幀，表示設(shè)備初始信息發(fā)送完畢。
5)變量名稱表示此數(shù)據(jù)幀中變量值的意義，例如oxoo表示開關(guān)狀態(tài)，Ox01表示燈光亮度。
6)變量值指變量名稱所對應(yīng)的值的大小。
7)幀校驗(yàn)位由z—stack協(xié)議棧自動添加。
3.2協(xié)調(diào)器軟件流程
協(xié)調(diào)器是zigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，主要負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立與管理，以及與嵌入式網(wǎng)關(guān)之間的通訊互連。由協(xié)調(diào)器向網(wǎng)關(guān)報(bào)告其發(fā)現(xiàn)的ZigBee設(shè)備，網(wǎng)關(guān)通過給協(xié)調(diào)器發(fā)送命令幀來完成對ZigBee節(jié)點(diǎn)的控制，其工作流程如圖3所示。
3.3路由節(jié)點(diǎn)軟件流程
路由器節(jié)點(diǎn)主要完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)功能，根據(jù)需要，可設(shè)置多個路由節(jié)點(diǎn)使ZigBee網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面更廣，可組成網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高ZigBee網(wǎng)絡(luò)的可靠性。
路由節(jié)點(diǎn)的軟件工作流程如下：
1)上電初始化，申請加入網(wǎng)絡(luò)，尋找合適的父節(jié)點(diǎn)，加入網(wǎng)絡(luò)。
2)搜索信號，判斷轉(zhuǎn)發(fā)路徑。
3)將數(shù)據(jù)以ZigBee通信協(xié)議打包轉(zhuǎn)發(fā)至下一節(jié)點(diǎn)。
3.4照明終端節(jié)點(diǎn)軟件流程
1)照明終端節(jié)點(diǎn)首先進(jìn)行初始化，申請加入網(wǎng)絡(luò)。
2)照明終端成功加入網(wǎng)絡(luò)后，則向協(xié)調(diào)器發(fā)送ZigBee設(shè)備存在幀，等待網(wǎng)關(guān)為其在虛擬設(shè)備列表中建立新的設(shè)備節(jié)點(diǎn)。
3)照明終端通過協(xié)調(diào)器向網(wǎng)關(guān)發(fā)送ZigBee設(shè)備所具有的變量值。
4)接收控制點(diǎn)通過網(wǎng)關(guān)發(fā)來的變量幀，并完成設(shè)備中的變量值設(shè)置，同時給控制點(diǎn)回復(fù)“動作完成響應(yīng)”。終端節(jié)點(diǎn)軟件工作流程如圖4所示。
3.5 網(wǎng)關(guān)中虛擬設(shè)備的實(shí)現(xiàn)
在整個嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)中，控制點(diǎn)與虛擬設(shè)備的實(shí)現(xiàn)都是基于UPnP協(xié)議框架。UPnP指通用即插即用[91…，當(dāng)任何設(shè)備只要加入網(wǎng)絡(luò)，所有網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備就能知道有新的設(shè)備加入，同時這些設(shè)備之間可直接獲得其他設(shè)備的信息，并且可發(fā)送控制命令。UPnP設(shè)備體系結(jié)構(gòu)包括設(shè)備之問，控制點(diǎn)之間，設(shè)備與控制點(diǎn)之間的通信，UPnP協(xié)議主要由SSDP模塊、Web Server模塊、SOAP模塊、GENA模塊組成，分別負(fù)責(zé)設(shè)備發(fā)現(xiàn)、設(shè)備描述、設(shè)備控制、訂閱功能。以下主要介紹在本無線智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)照明終端在嵌入式網(wǎng)關(guān)中的設(shè)備虛擬化。
3.5.1設(shè)備尋址的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
在UPnP協(xié)議中，需要為每個加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備通過DHCP 的方式動態(tài)分配一個IP地址，在本設(shè)計(jì)中，由于加入網(wǎng)絡(luò)的是ZigBee設(shè)備，無法為其分配一個獨(dú)立的IP地址，因此，在本設(shè)計(jì)中讓所有設(shè)備都共用同一個IP地址，同時為了區(qū)分每個加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，而采用設(shè)備的UDN(唯一設(shè)備名稱)來標(biāo)識每個設(shè)備。
3.5.2設(shè)備發(fā)現(xiàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
設(shè)備發(fā)現(xiàn)主要包括兩種情況，一種是當(dāng)zigBee設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)時，需通過廣播的方式，向ZigBee與wiFi混合網(wǎng)絡(luò)中的所有控制點(diǎn)宣告“設(shè)備可用”，而當(dāng)ZigBee設(shè)備退出網(wǎng)絡(luò)時，需向控制點(diǎn)宣告“設(shè)備不可用”。另一種情況是控制點(diǎn)通過廣播的方式搜索加入網(wǎng)絡(luò)的ZigBee設(shè)備，當(dāng)搜索到可用設(shè)備后，該設(shè)備通過單播響應(yīng)控制點(diǎn)的請求。如圖5，描述了設(shè)備宣告的實(shí)現(xiàn)步驟。其中設(shè)備管理模塊主要是對設(shè)備描述文件進(jìn)行解釋，從而獲得該設(shè)備的服務(wù)信息，并且在設(shè)備描述列表中為該設(shè)備分配一個ID號，用于索引。
3.5.3設(shè)備描述的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
當(dāng)Pc、手機(jī)等控制點(diǎn)獲得由zigBee設(shè)備發(fā)來的“設(shè)備可用”宣告后，為獲取更多有關(guān)設(shè)備的通用信息，如Z培Bee設(shè)備的制造廠商名、設(shè)備序列號等，同時為獲得設(shè)備的服務(wù)描述，如本設(shè)計(jì)中ZigBee終端可提供照明，可監(jiān)控?zé)糸_關(guān)狀態(tài)等，會基于HTTP傳輸機(jī)制向設(shè)備發(fā)送設(shè)備描述請求數(shù)據(jù)包，其主要步驟為：
1)控制點(diǎn)通過wiFi網(wǎng)絡(luò)請求數(shù)據(jù)包處理模塊生成“HT— TP GET”數(shù)據(jù)請求包，并通過網(wǎng)絡(luò)通訊模塊發(fā)送給ZigBee 設(shè)備。
2)ZigBee設(shè)備端接收到“HTTP GET”請求后，將控制點(diǎn)所需的信息以設(shè)備描述文件名的方式發(fā)送給web服務(wù)器。
3)Web服務(wù)器讀取虛擬目錄中的設(shè)備描述文件內(nèi)容，并再次提交給數(shù)據(jù)包處理模塊，數(shù)據(jù)包處理模塊將設(shè)備描述文件的內(nèi)容打包發(fā)送給控制點(diǎn)作為請求的響應(yīng)。
4)控制點(diǎn)獲得響應(yīng)數(shù)據(jù)包后，將它交給xML解釋模塊， XML解釋模塊將設(shè)備相關(guān)信息再通過WiFi網(wǎng)絡(luò)返回給控制點(diǎn)。
3.5.4設(shè)備控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
設(shè)備控制主要分為兩種：一種是動作請求，由控制點(diǎn)將動作請求通過WiFi網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給嵌入式網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)發(fā)送給 ZjgBee終端，如打開或關(guān)閉照明終端，終端設(shè)備接收到命令后執(zhí)行相應(yīng)的操作;另一種是變量查詢，由控制點(diǎn)向ZigBee 設(shè)備發(fā)送變量查詢請求，如查詢照明終端的開關(guān)狀態(tài)，ZigBee 設(shè)備通過zigBee網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)，wi Fi網(wǎng)絡(luò)將變量結(jié)果返回給控制點(diǎn)，這兩種控制均是基于TCP的HTTP消息傳輸。其中主要介紹動作請求的實(shí)現(xiàn)方式如圖6所示。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為檢測本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，在一幢樓的不同地方放置多個帶有Z培Bee節(jié)點(diǎn)的照明終端進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，實(shí)驗(yàn)中，將PC 連接上WiFi，兩種網(wǎng)絡(luò)通過嵌入式網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)化與數(shù)據(jù)通訊。通過PC端發(fā)送控制命令，同時將ZigBee終端的返回信息打印出來，實(shí)驗(yàn)主要通過對網(wǎng)絡(luò)誤包率及數(shù)據(jù)包的RSSI (信號接收強(qiáng)度)兩個指標(biāo)進(jìn)行檢測，以測試該混合網(wǎng)絡(luò)的可靠性。
為提高數(shù)據(jù)的可信度，分別對每個測量點(diǎn)進(jìn)行了30次數(shù)據(jù)測量，取這30組數(shù)據(jù)的平均值，分析該點(diǎn)的RSSI及誤包率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，其中圖7(a)顯示的為誤包率，指實(shí)際接收到的數(shù)據(jù)包個數(shù)占總發(fā)送數(shù)據(jù)包個數(shù)的百分比，圖 7(b)為信號接收強(qiáng)度。從圖7(a)中可以看出，當(dāng)距離在5 m以內(nèi)，誤包率為O;當(dāng)距離在30 m以內(nèi)時，誤包率可控制在2%，說明在這段距離內(nèi)，該混合網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸具有較強(qiáng)的可靠性;而當(dāng)距離在30～50 m時，雖然誤包率明顯增大，但控制在4%以內(nèi)，仍可以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。從圖7(b) 中可以看出，Rssj值強(qiáng)烈依賴于信號傳輸距離的限制，在5 m 范圍內(nèi)，RSS，值保持在一65～一40 dBm。而隨著距離的增大， RSsj值有呈指數(shù)衰減的趨勢。
相關(guān)論文還可以參考：照明技術(shù)方面新發(fā)表的論文
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該無線控制系統(tǒng)在50 m范圍內(nèi)，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳輸能力，實(shí)現(xiàn)了ZigBee網(wǎng)絡(luò)與WiFi網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，且有較高的可靠性。
5 結(jié)論
本文設(shè)計(jì)了一種基于zigBee與wi Fi的無線智能照明系統(tǒng)，從硬件模塊的設(shè)計(jì)到軟件流程的分析，結(jié)合了ZigBee網(wǎng)絡(luò)與WiFi網(wǎng)絡(luò)的各自優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了將ZigBee與wiFi兩種網(wǎng)絡(luò)互連，構(gòu)成混合型無線網(wǎng)絡(luò)，且在軟件模塊中實(shí)現(xiàn)了UPnP 標(biāo)準(zhǔn)，通過虛擬設(shè)備的建立，將uPnP標(biāo)準(zhǔn)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，使得無線智能照明系統(tǒng)控制更加方便簡單，提高了公共照明設(shè)施的管理效率。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該混合型網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定，且具有較高的可靠性。——論文作者：陳章進(jìn)1，一，張建峰1，李翰超1
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