一个基于ZigBee协议的智能照明应用实例的实现
作者：阮星蔡闯华
来源：《赤峰学院学报·自然科学版》 2011年第8期
阮 星，蔡闯华
（武夷学院 数学与计算机系，福建 武夷山 354300）
摘 要：智能家居，又称为智能住宅（SMART HOME），是以住宅为平台，利用综合布线技术、自动控制技术、网络通信技术、安全防范技术、音视频技术将家居生活有关的设备集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，为家庭用户提供诸如自动抄表、可视对讲、网络家电、电器自动控制、家庭安防等功能，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境.智能家居起源于上世纪80年代的美国，随着我国人民生活水平的不断提高，已经有越来越多的厂商和个人开展了对智能家居的研究，并有各类相关产品问世. 本文以智能照明为例，研究基于ZigBee技术构建智能家居的可行性与高效性，提出了一个基于ZigBee技术实现智能照明系统的方案，验证与探讨ZigBee技术在智能家居中的应用前景.
关键词：智能家居；智能照明；ZigBee
中图分类号：TP393.02文献标识码：A文章编号：1673-260X（2011）08-0038-03
1 系统结构概述
系统由一台亮度数据集中器（ZigBee协调器）和安装在各处的亮度监测节点（ZigBee设备）组成一星型结构网络.ZigBee网络协调器通过发送超帧使各ZigBee设备与它同步，并使ZigBee设备周期性地进入低功耗状态，以达到节电目的.亮度监测节点将实时的亮度值通过无线信道传送给ZigBee网络协调器，ZigBee网络协调器再通过串行接口或者以太网与PC机连接，以实现各点亮度的实时监测.根据所处的实验环境的特点，以及对芯片熟悉程度等方面进行选择，本实例选择了飞思卡尔公司所提供的ZigBee硬件平台方案：MC9S08GB60与MC13192. 2 亮度监测节点
亮度监测节点的结构很简单，它是一台ZigBee精简功能设备，主要由光传感器、MCU和ZigBee收发器组成.
超声波振子
光传感器采用ISL29004，ISL29004是新一代光-数字传感器，集成了电流放大器、能将光照度转化成简便易用的16位、I2C标准数字输出信号，为用户提供了单芯片解决方案.ISL29004内部有2个光敏
二极管，二极管1检测环境中可见光和红外光总的照度，二极管2只检测环境中红外光照度 ，两个二极管的光谱响应是彼此独立的，而且能耗极低，理论工作电流只有0.3毫安. 用户可以通过编程控制ADC的工作模式，既可以仅输出光敏二极管1或2的检测结果，在模式2下还可以输出经内部减函数计算的滤除红外光影响的结果.ISL29004内有8个8位的寄存器，1个命令寄存器，1个控制寄存器，2个中断阈值寄存器，4个只读数据寄存器.命令寄存器可以设定ADC的工作模式以及分辨率；控制寄存器可以调整增益从而选择照度检测范围；只读数据寄存器 LSB_Sensor和MSB_Sensor可以读取ADC最近的数字输出；只读数据寄存器LSB_timer和MSB_timer可以读取ADC最近一次积分的周期数.8个寄存器的地址依次为00H～07H.ISL29004有2个I2C接口地址选择引脚A0、A1，可以在1条I2C总线线路上安装4个ISL29004，并且可以和其他I2C外围节点共存.
3 震动监测节点
震动传感器通过监测房间内是否有人员走动，来判断当前的房间内是否有人，由此来决定是否开启灯具，避免无人时灯具仍然点亮，而造成浪费.由于对震动传感器的要求不高，可以根据需要选择相关产品，本实例中，震动传感器采用的是一线的产品801S，具有极宽的震动侦测范围，并且侦测震动时没有方向限制，接脚表面特别镀金，提供60000000次震动保证，低损耗、灵敏度可由电路调整.
终端节点的工作流程如图1所示.
碧桂园ERP
4 数据集中器
数据集中器承担着采集各亮度监测节点的数据及上传的任务.它是一台ZigBee全功能设备，担任网络协调器的角.在亮度监测节点不是太多的情况下，可以使用飞思卡尔公司的MC9S08GB60.此外，还需要一个RS-232接口，以便与PC机连接，实现亮度的实时监测、记录.其他结构与亮度监测节点相似，也需要ZigBee收发芯片MC13192，但应有稳定的电源供电，无须考虑功耗问题.图2描述了协调器工作的流程.
MC9S08GB60是一款飞思卡尔公司S08系列的8位MCU.HCS08核，最高总线频率可达40MHz；时钟源可选晶体振荡器、陶瓷谐振器、外部时钟或经精确NVM校准的内部时钟.它内部具有64KB的FLAS
H和4KB的RAM存储空间.增加了16位指令，能灵活方便的访问16位HX寄存器，同时支持1个WAIT和3个STOP模式，对低功耗模式提供更全面的支持，在40MHz的工作频率下，其功率消耗不到1mW，而且该微控制器具有多种省电模式供选择；除了具有丰富的片上存储资源和多种省电模式以外，模数转换模块具有8路10位的A/D通道，2MHz的采样频率；内部集成了1个SPI模块，适合与MC13192的通信；2个SCI模块，方便与PC通信；具有背景调试模块，能利用单线对9S08核的系列MCU进行方便地写入和调试，加快开发的速度并大大降低了调试的难度[1].
MC13192是飞思卡尔公司于2005年推出的工作在2.4GHz频率下短距离、低功耗，工业、科学和医疗（ISM）的无线数据收发器.支持点对点、星型、网型结构的网络.它包含基于IEEE 802.15.4 标准设计的物理层结构，选择一款合适的MCU后，可提供一种性价比极高的2.4GHz频率短距离数据传输的无线方案.MC13192与MCU的接口简单，只需四线的SPI，一个IRQ中断请求线和三个控制线，可以很容易地与任何一种MCU接口，它和某一种性能适当的MCU结合在一起组成无线节点，即可形成低成本、低功耗、短距离、低数据速度的无线数据链路或网络[2].SPI用于MC13192和MCU进行双向的数据通信，MCU对MC13192的配置和控制命令同样也是通过SPI传输的.当MC13192的工作状态发生变化时，MC13192将通过IRQ管脚通知MCU，并由MCU作相应的仲裁处理.
协调器工作流程如图2所示.
5 实例分析
由于此实例只涉及单一的ZigBee网络，只需要一台网络协调器，因此不需要网络层，直接将应用程度建立在MAC层上即可.
数据集中器是ZigBee协调器，它需要先开始工作.上电后，它首先初始化协议栈，然后进行能量检测，选择合适的信道，启动协调器；此后即可允许ZigBee设备与其连接，接收它们传输的各节点的亮度值，并将其传输给PC机.亮度监测节点上电后，首先进行信道扫描，寻网络协调器，然后与协调器建立连接，连接成功后，即通过协调器发送的信标与协调器实现同步，开始按周期采集本处的亮度值，把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MC9S08GB60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，比阈值小则说明外界光强较弱，需增加灯具的发光亮度；反之，需降低灯具的发光亮度[3].震动监测节点的工作过程与亮度监测节点相似.
本方案中的亮度测量采用的元件为ISL29004，其优点是电路简单，理论工作电流为0.3毫安，完成一次测量约耗时100毫秒.由于亮度监测节点的结构很简单，MCU的大部分I/O引脚没有使用，将来如果改用内部集成了MCU的ZigBee芯片MC13XXX，则结构可进一步得到简化，成本可进一步得到降低.MC13192的SPI接口直接与MCU的SPI接口连接，接收和发送使用PCB天线；ISL29004连接在MCU的一个I/O口上.整个亮度监测节点包括电池在内，体积小巧，安放方便.
由于亮度监测节点采用电池供电，需要尽可能长地延长电池的使用寿命，因此，对节点的功能管理也提出了更高的要求.在总线频率为8MHz时，MC9S08GT32的平均工作电流为6毫安，而在STOP状态的最大电流为10微安；MC13192的最大工作电流为40毫安，在Hibernate状态的电流为6微安[4].因为对亮度监测的实时性不需要很高，所以可以选择采用较长的超帧周期，以使各监测点可以长时间处于睡眠状态，降低功耗，减少工作电能的需求.实验时取信标序号为14，对应的信标周期为251.65824秒，超帧序号取0，对应的活动时间为15.36毫秒，每台ZigBee设备仅使用其中的一个时隙，时间为15.36/16=0.96（毫秒），占空比约为0.000003815.以E来表示电能，照此计算，在一个信标周期里消耗的电能估算如下：
1）亮度检测：E=（0.3+6）×（0.1/3600）h
=0.000175mAh
中菲关系 2）工作能耗：E=（6+40）×（0.96×0.001/3600）h
=0.00000123mAh
3）休眠能耗：
E=（6+10）×0.001×251.65824/3600h
素娥篇 =0.00112mAh
一天共有24×3600/251.65824≈344个信标周期，共耗电（0.000175+0.00000123+0.00112）mAh×344≈0.446mAh，在理论上，一只750mAh的电池可以持续供电750/0.446=1681天，接近四年半.考虑到漏电等等原因，实际使用时间会比理论时间要短一些，但也是在可接受的范围内，有着实际的应用意义.
6 结束
本文以一个智能照明的应用实例来验证ZigBee技术在智能家居中的应用前景.家庭作为社会的基本组成单元，实现信息化无疑是整个社会信息化的重要标志，对科技进步、经济繁荣进而实现社会的和谐发展都有着极为重要的意义，在社会高度发展，人们对生活环境要求日益提高的今天，设计和实现
智能家居系统是一个很有现实意义的问题，对提高生活质量、促进科技发展、实现经济繁荣都有积极作用.
参考文献：谋杀章鱼保罗
〔1〕芦宁.ZigBee无线技术在智能家居中的应用[D].哈尔滨工业大学，2006.
〔2〕周洪,胡文山,张立明，等.智能家居控制系统[M].北京：中国电力出版社，2006.
〔3〕刘辉.ZigBee无线传感器网络的设计及应用[D].苏州大学，2008.
化工工艺设计手册 〔4〕吕治安.ZigBee网络原理与应用开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.
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