1、1 摘 要 随着科学技术的反战与人类生活水平的逐步提高，人民群众对现代智能建筑、智能家居、智能照明的要求已经不仅仅局限于普通的照明需要，还需要现代智能照明系统能够满足不同人群、不同种族的不同审美需求与舒适度要求，因此，传统采用人工控制方式为主的照明控制管理系统已经远远不能满足现代社会对照明的要求。因此，设计、开发一套符合社会需求的现代智能照明控制系统就显得有位迫切。本文提出了一种较新的智能照明控制系统设计方案。本方案主要是 MCU 为核心控制处理器，加 以现在飞车流行的无线传感器网络对现代照明控制系统实施远程控制，其目的是为了实现现代照明控制系统真正意义的自动化、智能化、远程化，最终实现成本节
2、约、能耗降低、绿色环保的社会节能要求。 本文详细叙述了楼宇照明系统网络通信技术 ZigBee 技术。因此，详细介绍了 ZigBee技术的特点、组网方式、以及非常重要的 Z-Stack 协议栈。另外，本文详细介绍了 ZigBee在楼宇照明系统中的应用，包括分布式控制、核心处理器流程和控制终端的实现。 关键词：楼宇照明；现代智能； ZigBee 技术。 2 Abstrac With the development of science and technology gradually improve the anti war and the level of human life, peoples
3、 requirements of modern intelligent building and HomeFurnishing,intelligent lighting is not limited to ordinary lighting needs, but also the needs of modern intelligent lighting system can meet different people and different aesthetic needs of different tribes and comfort requirements, therefore, th
4、e traditional the manual control management system based lighting control can not meet the requirement of modern lighting. Therefore, it is urgent to design and develop a modern intelligent lighting control system that meets the needs of society. A new design scheme of intelligent lighting control s
5、ystem is proposed in this paper. The program is mainly for the MCU control of the core processor, the wireless sensor network to now popular speed on the implementation of the remote control system of modern lighting control, its purpose is to realize the true meaning of the modern lighting control
6、system automation, remote and intelligent realize cost savings, reduce energy consumption and green energy requirements of society.This paper describes in detail the network communication technology of building lighting system - ZigBee technology. Therefore, the characteristics of ZigBee technology,
7、 the way of networking and the very important Z-Stack protocol stack are introduced in detail. In addition, this paper introduces the application of ZigBee in building lighting system, including distributed control, core processor flow and control terminal implementation. Key words: building lightin
8、g; modern intelligence; ZigBee technology 3 目 录 第 1 章 ZigBee 技术概述 . 4 1.1 ZigBee 技术的特点 . 4 1.2 ZigBee 协议框架 . 5 1.3 Z-Stack 协议栈基本概念 . 5 1.3.1 设备类型 . 5 1.3.2 信道 . 5 1.4 Z-Stack 栈协议规范 . 6 1.5 ZigBee 组网技术 . 6 1.6 ZigBee 的应用前景 . 6 第 2 章 系统结构设计 . 8 2.1 基本原则 . 8 2.2 系统总体结构方案设计 . 8 2.3 核心处理器设计 . 9 2.4 Zigbe
9、e 节点程序设计 . 10 2.5 核心处理器与终端控制通信设计 . 12 第 3 章 楼宇照明控制系统硬件设计 . 13 3.1 硬件系统总体设计 . 13 3.2 核心控制器处理单元 . 14 3.3 分布式控制器接口电路设计 . 14 3.4 RS 通信协议设计 . 15 总 结 . 17 致 谢 . 18 参考文 献 . 19 4 第 1 章 ZigBee 技术概述 1.1 ZigBee 技术的特点 ZigBee 是一种无线连接，可工作在 2.4GHz（全球流行）、 868MHz（欧洲流行）和 915MHz（美国流行） 3 个频段上，分别具有最高 250Kbps、 20Kbps 和 4
10、0Kbps的传输速率，它的传输距离在 10 75m 的范围内，但可以继续增加。作为一种无线通信技术， ZigBee 具有如下特点。 （ 1）低功耗 :由于 ZigBee 的传输速率低，发射功率仅为 1MW，而且采用了休眠模式，功率低，因此 ZigBee 设备非常省电。据估算， ZigBee 设备仅靠两节5 号电池就可以维持长达 6 个月到 2 年左右的使用时间，这是其他无线设备望尘莫及的。 （ 2）成本低 :通过大幅简化协议（不到蓝牙的 1/10），降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以 8051 的 8 位微控制器测算，全功能的主要节点需要 32KB代码，子功能节点少至 4KB 代码，而且
11、 ZigBee 免协议专利费。低成本对于 ZigBee是一个关键的因素。 （ 3）时延短 :通信时延和从休息状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延 30ms，休眠 激活的时延是 15ms，活动设备信道接入的时延为 15ms。相比较而言，蓝牙需要 3 10s、 WiFi 需要 3s。因此 ZigBee 技术适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）领域。 （ 4）高容量 :ZigBee 可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理 254 个子节点。同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成 65000 个节点的大网。一个星型结构的 ZigBe
12、e 网络最多可以容纳 254 个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多 100 个ZigBee 网络，而且网络组成灵 活。 （ 5）可靠性 :ZigBee 的可靠性在很多方面进行保证，物理层采用了扩频技术，能够在一定程度上抵抗干扰， MAC 应用层（ APS 部分）有应答重传功能。 MAC层的 CSMA 机制使节点发送前先监听信道，可以起到避开干扰的作用。当 ZigBee网络受到外界干扰无法正常工作时，整个网络可以动态地切换到另一个工作信道上。 （ 6）安全 :ZigBee 提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单（ Access Control List,ACL）防止非法
13、获取数据以及采用高级加密标准 (Advanced Encryption Standard,AES-128)的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全性。 （ 7）近距离 :相邻节点间的有效覆盖范围在 10 75m 之间，再增加 RF 发射5 功率后，可增加到 1 3km。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭和办公室环境。 （ 8）低功率 :ZigBee 工作在 20 250Kbps 的较低功率，分别提供 250Kbps（ 2.4GHz）、 40Kbps（ 915MHz）和 20Kbps（ 868MHz）的原
14、始数据吞吐率，满足低速 率传输数据的应用需求。 1.2 ZigBee 协议框架 ZigBee 堆栈是在 IEEE802.15.4 标准基础上建立的，定义了协议的 MAC 和PHY 层。 ZigBee 设备应包括 IEEE802.15.4 的 MAC 和 PHY 层，以及 ZigBee 堆栈层：网络层、应用层和安全服务提供层。 完整的 ZigBee 协议栈由物理层、介质访问控制层、网络层、安全层和高层应用规范组成，如下表 2.1 所示： 表 2-1 ZigBee 协议栈 应用层 应用层 用户 ZigBee 平台通信栈 应用程序接口 ZigBee 联盟平台 安全层（ 128b 加密） 网络层（星状
15、 /网格 /树状） 硬件实现 MAC 子层 IEEE 802.15.4 物理层 868MHz/915MHz/2.4GHz 1.3 Z-Stack 协议栈基本概念 1.3.1 设备类型 协调器、路由器、 终端设备 1.3.2 信道 ZigBee 采用直接序列扩频（ DSSS）工作在工业科学医疗（ ISM）频段在 2.4G频段上 IEEE802.15.4/ZigBee 规定了 16 个信道，每个信道频道带宽度为 5MHz。 ZigBee 与其他通信协议的信道冲突： 15， 20， 25， 26 信道与 Wi-Fi信道冲突较小；蓝牙基本不会冲突；无绳电话尽量不与 ZigBee 同时使用。 6 1.4
16、 Z-Stack 栈协议规范 ZigBee 联盟为协议栈定义了两个规范 :Zigbee 和 ZgBee PRO。所有设备，只要遵循该规范，即使在不同厂商买的不同设备同样可以形成网络。 ZigBee 和 ZigBee PRO 之间最主要的特性差异就是对高级别安全性的支持。高级别安全性提供了一个在点对点连接之间建立链路密室的机制，并且当网络设备在应用层无法得到信任时增加了更多的安全性。像许多 PRO 特性那样，高级安全特性，对于某些应用而言非常 有用。但在有效利用宝贵节点空间方面却付出很大代价。 如果所建立的网络为一个 ZigBee 网络 ,那么 ZigBee PRO 设备将只能以有限的终端设备的
17、角色连接和参与到该网络中，即该设备将通过一个父级设备与该网络保持通信，且不参与到路由或允许更多的设备连接到该网络中。同样如果网络最初建立了一个 PRO 网络，那么 ZigBee PRO 设备也只能以有限的终端设备的角色参与到该网络中来。 如果应用开发者改变了规范。那么他的产品将不能遵循 ZigBee 联盟定义。规范的产品做成网络，也就是说该开发者开发的产品具有特殊性，通常称为关 闭的网络。 1.5 ZigBee 组网技术 ZigBee 协议是 -个采用 O-QPSK 偏移四相监控调制和直序扩频序列 (Dsss)技术的标准化、实用化、具有自组网与自愈能力的传感器阿络协议，它具有 16 个信道间隔
18、为 5MHZ 的信道，从而将信号分解为具有多个信号编码的 “化整为零 ”的信号形式，目的在于提高信号处理的安全性与可靠性。 ZigBee 网络节点主要分为路由节点 (FFD)、终端节点 (RFD)、协调器节点 FFD)等三种类型节点。其中， RFD 节点的主要功能是接收上一层级件输的信息数据，并且能够采集件感器网络终端的数据信 息。 ZigBee 路由算法可以认为是一个应用在可能的情况下的分层路由策略。路由层充分研究了特设按需距离矢量（ Ad hoc On Demand Distance Vector, AODV)算法和摩托罗拉的 Cluster-Tree 算法。 1.6 ZigBee 的应用
19、前景 整体物联网平台被称为感知网，家庭中各种各样的网关、传感器、摄像机等终端通过 ZigBee 接入到这个平台，然后通过 3G/4G、 WIFI 进入互联网。用户在家可以直接用手机通过 WiFi 传到网关，去控制家里各种各样的传感器终端，不7 在家时，可通过登录感知网门户用手机或计算机轻松查看和控制家里各种传感器终端。在这个应用图谱中， 3G/4G 和 WiFi 是联网的动脉，而 ZigBee 就是连接传感终端的毛细血管。 ZigBee-IP网关是感知网中的核心装备，该网关集成了 3G/4G、 WIFI 和 ZigBee这 3 种无线模块，能够通过 3G/4G 上网，也具备家里的无线路由器功能
20、。 ZigBee-IP 网关的基本功能是打电话、上网等通信功能，再进一步是安防报警功能，包括门磁、遥控器、红外探测器、烟雾探测器、煤气探测器都可以通过ZigBee 无线方式接入到网关，报警 信号会马上被传送到控制部分启动应急措施。再进一步是智能家居功能，家里的灯光控制器、开关面板、电源插座等都可以通过 ZigBee 接入网关，用户可在下班之前把热水器和空调打开和远程关掉。每一个开关插座上能够实现精细的电量统计。最后一类功能是智慧传感，如血氧计、血糖计、血压计通过 ZigBee 接入网关，实时帮助用户记录身体健康数据，并把它传送到某一医疗网站上，网站后台的医疗服务团队就可根据这些数据随时给用户提
21、供健康咨询服务。其应用领域主要包括以下几方面。 家庭和楼宇网络 ： 空调系统的温度控制、照明的自动控制、窗帘的自动控制、煤气计量控制、家用电器的远程控制等。 工业控制 ： 各种监控器、传感器的自动化控制。 商业 ： 智慧型标签等。 公共场所 ： 烟雾探测器等。 农业控制 ： 收集各种土壤信息和气候信息。 医疗 ： 老人与行动不便者的紧急呼叫器和医疗传感器等 。 8 第 2 章 系统结构设计 2.1 基本原则 现代楼宇智能照明控制系统的总体设计应该遵循如下几个原则 : 1.现代楼宇层数多、用户数量巨大、公共区域范围较广，因此，在整个楼宇建筑物均采用自动控制的管理方式其实并不现实，因此，在满足楼宇
22、照明自动控制的基础上，可以适当考虑人工控制方式，将它作为自动控制方式的存效补充。 2.现代楼宇智能照明控制系统所需节点数量较大，若采用所有数据全部送到中央处理器进行分析后再给出下一步执行指令的模式，势必造成数据件输控制的巨大压力，而且还有可能引起长延时，因此，现代楼宇智能照明控制系统应该采用分布式控制结构，也就是利用网络节点具备的数据处理能力，分散控制各自区域内照明设备，这样，就不再需 要将所有数据件输到中央处理器。那么，核心处理器的主要职能则是对整个系统的监管、控制、适时调整。本文所采用的分布式结构如下图所示。由图可见，分布式处理节点就来用 zigbee 节点加以实现。 图 2-1 楼宇智能
23、照明控制系统分布式控制结构 2.2 系统总体结构方案设计 由图 2-1 基本可知，分布式网络架构的楼宇智能照明控制系统主要包含了控制终端、分布式节点、核心处理器等三大类设备。其系统结构图如图 2-2 所示 。 图 2-2 分布式控制系统结构图 9 由图 2-2 可见，控制终端主要是指数据來集与执行设备。数据采集主要是指加装在控制端的各种类型的件感器，用来实时监测件感器数据。执行设备则是指类似于电动窗帘、镇流器等用来调节照明设备相关参数或者是改变照明环境的设备。 核心处理器则是整个楼宇智能照明控制系统的中央处理单元，主要实现数据汇总、分析、给出执行指令等职能。 ZigBee 网络最多时可以容纳
24、65535 个节点，而现代楼宇智能照明控制系统本身需要组建的是低功耗、低传输速率的能够处理大量数据信息的网络结构，这恰恰是 ZlgBee 网络能够满足的。此外， ZigBee 节点不但能够 来集终端控制设备的实时数据，还具备一定的数据处理能力，可以实现在特定区域内对照明设备及其相关要求的自动控制 。 2.3 核心处理器设计 选用 MCU 作为核心处理器主要功能在于存储相关数据信息，通过 ZigBee节点实现与控制终端的数据、指令交互应答，从而实现整栋楼宇照明控制的自动合理监护。 MCU 核心处理器采用 C/S 架构，这是取稳定性好，低成本，安全性高的优势。网络接口用来建立能够同时接受多个终端命
25、令的用户控制终端的通信接口。控制逻辑部分则主要用来实现控制终端算法的嵌入式数据库访问。数据库中储存的则是控制终端、控制 算法、控制用户、 ZigBee 节点的物理地址、对因设备连接状态信息等相关数据信息。 核心处理器的处理流程图如图 2-3 所示 。 图 2-3 核心处理器处理流程图 10 由图 2-3 可见，核心处理器处理流程总计建立了三个并行执行的程序流程，具体描述如下： 1.监听用户控制终端子程序。系统初始化之后，监听用户端口相关数据信息，根据应答机制，决定是否建立与控制终端的应答机制。若可以，则从数据库中获取数据相关信息，接受用户命令，并将用户命令转化为 ZigBee 节点能够接受的数
26、据格式，发送给 ZigBee 节点，由 ZigBee 节点执行下一步命令。此过程结束后，返回监听端口状态，直到下一次数据交互请求开始。 2.监听 ZigBee 端口程序。系统初始化之后， ZigBee 节点实时向核心处理器汇报节点信息及时反馈 ZigBee 节点的物理地址以及对应设备连接状态信息等。核心处理器接受 ZigBee 节点数据信息并实现与嵌入式数据库之间的数据交互，更新数据库信息，直至本次数据交互完成为止。 3.定时功能。此子程序主要是实现前述的定时场景模式切换以及定时查询楼宇照明状态信息。 2.4 Zigbee 节点程序设计 1.功能设计物理层 (PHY)提供了两种服务：（ 1)P
27、HY 数据服务： (2)PHY 到物理层管理实（ the physical layer management entity，简称 PLME)的管理服务接口。PHY 数据服务能够通过各物理无线电信道实现物理层协议数据单元 (PHY protocol dataunits,PPDU)的化输。 PHY 的功能主要是激活无线电收发器、能量检测（ energy detection， ED)、链路质量指示（ link quality indication， LQI)、通道选择、空闲信道评估 (clear channel assessment， CCA)。该标准提供了基于直接序列扩频（ Direct Sequence Spread Spectrum， DSSS)的两种 PHY 选项，在 2.4GHz、 915MHz、 868MHz 时的数据速率分别为 250kbps、 40kbps、 20kbps。由于传播损耗较低，较低频率下将提供更长的时间范围，而低速率则可以保证数据依输具有更高的灵敏度和更大的覆盖范围。 2.程序结构作为分布式系统的关键所在， ZigBee 网络节点的结构图如图 2-4所示 。
