1 引 言
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。
简单的说，Zigbee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。Zigbee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个Zigbee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，Zigbee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个Zigbee“基站”却不到1000元人民币。每个Zigbee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个Zigbee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。
无线智能照明系统的控制器与照明灯节点之间只需传输开关信号和调光信号等开光量，且数据发送频率不高，而ZigBee的最大传输速率可以达到250 kb/s，这对于实现无线智能照明系统来说已经足够;无线智能照明系统的各个灯节点往往需要组成一个星型网、簇状网或者网状网，节点数量在几十到几千个之间，ZigBee对以上拓扑结构都做了很好的支持，且网络最大节点数可达65 535，很好地满足了无线智能照明系统对网络结构及容量的要求;不同厂家生产的无线智能照明系统的各种节点之间要求具有互操作性，ZigBee是一个开放式全球标准，世界各大ZigBee方案提供商都通过ZigBee Alliance的兼容性测试，并且ZigBee Allianee针对照明系统，专门制定了相应的Profile，照明系统对成本非常敏感，这将决定它能否实用化和产业化，ZigBee是一种低速率、低成本的无线通信技术，相比于Wi-Fi和UWB等这些适用于无线局域网和多媒体应用的高速率无线标准而言，成本非常低廉。本文主要讨论基于ZigBee技术的无线智能照明系统的软硬件设计。
2 基于ZigBee的智能照明系统的实现
ZigBee是一种在无线个人网络领域中新兴的无线网络技术。电子与电气工程师协会IEEE于2000年底成立了802.15.4工作组，规定了ZigBee的物理层和媒体接入控制层。2001年8月成立了 ZigBee联盟，负责ZigBee规范的制定和应用推广工作，2004年12月推出ZigBee规范的正式版本ZigBee SpecificationV1.0。目前，ZigBee标准在ZigBee联盟的推动下正日趋增强和完善，其实际工程应用正日益普及。世界各大半导体巨头TI，FreeScale和Ember等各自推出了符合ZigBee标准的芯片及协议栈。其中，TI公司的CC2430加Z-Stack协议栈是业内公认的最佳解决方案。本文的无线智能照明系统就是在这个平台上实现的。
2.1 硬件设计
无线智能照明系统的网络节点分为协调器、路由器和终端节点三种。其中，协调器的硬件结构框图如图1所示。
CC2430 芯片是首款符合ZigBee技术标准的系统单芯片，片内集成增强的8051微控制器内核和符合IEEE802.15.4标准的2.4 GHz射频收发器，具有优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性能，处于休眠模式时整个芯片的流耗小于0.9 μA，从硬件上支持CSMA/CA机制，还集成有ADC，AES安全协处理器和USART等片上外设及丰富的I/O口资源。只需添加晶振等少量的元器件即可完成ZigBee节点的设计。协调器节点还带有震动感测器和亮度感测器，用于感测现场的震动信息和亮度信息。当震动感测器测得震动较弱，即认为现场人员已经离开，此时可以自动关掉照明灯或者调暗亮度。当亮度感测器测得光线太亮，如晴朗的白天，即可自动调低亮度，当亮度感测器测得光线太暗，如夜晚或者阴雨的白天，即可调高亮度。系统只需在一个节点上集成震动感测器和亮度感测器，即可通过ZigBee网络向各个灯节点传输控制信息，实现对整个照明系统的智能控制、成本低廉。当然也可以将震动感测器和亮度感测器做成一个单独的ZigBee网络节点，用于感测现场不同位置的震动信息和亮度信息。
2.2 软件设计
软件设计基于TI公司推出的跟CC2430芯片配套的Z-Stack协议栈和IAR集成开发环境。Z-Stack在业内处于领先水平，目前还在不断完善和增强，其最新版本Z-Stack 1.4.2，通过ZigBee测试机构德国莱茵集团的ZigBee兼容性测试，符合ZigBee 2006 specification，已被全球众多ZigBee应用开发厂家所采用，支持多种硬件平台，包括面向IEEE/ZigBee的CC2430片上系统解决方案，基于CC2420收发器的新平台和MSP430超低功耗微处理器。Z-Stack还支持具备定位感知功能的CC2431，该特性使用户能够设计出可根据节点当前位置改变节点行为的新型ZigBee应用。
针对ZigBee在家庭网络方面的应用，ZigBee Alliance制定专门的应用框架，即ZigBee Home Automation Public Application Profile。所谓Profile是对逻辑设备及其接口的描述集合，是针对某个特定应用的公约和准则，其目的是使不同厂家按照同一个ProfiIe设计的产品之间可以相互操作、相互替换。
Z-Stack提供了丰富的函数调用接口，其中用于发送数据报的函数如下：
其他具体的程序设计在这里不做一一阐述。
3 无线智能照明系统的实验结果
在一个两室两厅的套房中布置1套基于ZigBee技术实现的无线智能照明系统的实验网络，其网络结构如图2所示。
在每盏灯中都集成有ZigBee模块，其中协调器节点是必需的。在其他地方，根据是否需要路由功能，可以配置为路由器或者终端节点。可以对网络中的照明灯单个分别进行控制，也可以把所有的照明灯作为一个整体，进行同时控制;实现了对照明灯的简单开关控制和256级的调光控制;既可以设置成手动控制模式，也可以设置成自动控制模式，由协调器根据亮度感测器和震动感测器返回的亮度信息和震动信息，自动发送控制命令，完成对所有照明灯的控制。系统设计成本低廉，可靠性高、响应速度快、智能化程度高，是不断发展的电子信息技术在照明领域中的应用，必将带来照明技术的革新。
4 结语
基于ZigBee技术的无线智能照明系统目前主要应用在智能大厦和高档住宅。但是，随着技术水平的不断完善，相关产品的价格会逐步降低，巨大的民用市场将是最终的发展方向。该系统在提高照明系统的信息化、智能化程度的同时，对节约电能的消耗也起到了很大的作用，符合国家节能减排的发展战略。
