基于ZigBee模块的智能照明控制系统的设计
摘 要
目前，随着科学技术不断的发展以及人们生活水平的提高，特别是互联网技术的日益成熟，这都推动了传统照明正在快速地向智能控制照明转变。传统的照明控制系统大多采用有线网络，只能够实现照明设备的简单开关控制。高校因其特有的职能和需求，普遍存在着电能浪费的现象。因此建设节约型校园是目前所面临的紧迫课题。
本文详细研究了大学的使用特点和照明需求存在的问题，提出了一种基于ZigBee技术的智能照明控制系统，以实现照明的智能控制。该方案主要依靠照度传感器和人体红外传感器等对感测到的当前的光线强度和人员的数量等信息进行自动判断和设置预先设计好的照明模式。该方案描述了系统基于网状拓扑结构的体系架构，并在此基础上从系统节点的硬件设计、室内环境信息的采集及照明模式的判断等方面分析了系统的实现过程。
该系统不但能有效克服传统照明模式管理落后、浪费能源及布线复杂等缺陷，而且结构简单、易于实现，适合环境，达到了节约能源的目的。
关键词：ZigBee，光照度传感器，人体红外传感器
第一章 绪论
1.1 课题背景和意义
当今社会是信息时代，信息技术对社会的发展具有了重要意义。随着科学技术不断的发展以及人们生活水平的提高，特别是互联网技术的日益成熟，这都推动了传统照明正在快速地向智能控制照明转变。目前我国已经将节能工作列入“十一五”工作重点，提出了“建设节约型社会”的号召。学校教学楼内照明大多处于一种粗放管理状态，要么无人管理，教育学生自觉控制开关；要么利用定时开关，根据学校的作息统一开启或关闭整幢教学楼的照明电源。对于第一种，若白天在强光下人眼对弱光不敏感，难以觉察到灯光的存在，并且当学生责任感不强时，就会常常出现“人走灯亮”的现象[1]。第二种状况虽然可以有一定的节能，但难以满足需求。据估计，教学楼耗电量占学校总耗电的40%，因照明而无效使用的电能更加的多。这时ZigBee技术以其独特的优势：省电、可靠、时延短、网络容量大、高安全、免执照频段、自组织等走进了我们的生活，它的出现非常适合内各传感器节点的无线连接不但符合学校网络通信的特点，而且还节省大量的人力、物力、财力。为此，提出了采用ZigBee协议设计智能照明控制系统，它的研究与实现具有非常重要的现实意义。
1.2 国内外发展现状
从上个世纪九十年代开始国外就开始从事智能照明控制系统的开发与应用。他们所做的照明控制整合了音像设备、电话、自然采光等，并达到了光源和百叶窗、空调等的协调控制。同时，将现场总线技术引入照明控制领域，出现了分布式照明控制系统。其中比较著名的有澳大利亚邦奇的分布式照明控制系统；另一方面，具有不同控制模式的系统因网络技术的不断渗透，尤其是无线传感网络的迅速兴起而相互结合，如法国PERFECT公司研制的结合无线射频功能的灯光控制专用芯片[2]。
目前国内几种常见的照明控制系统有以下几种：
（1）Dynallte智能照明控制系统
该系统主要由调光模块、开关模块、控制面板、手持式编程器和PC监控机等部件组成。系统的工作原理是：控制模块由微处理器控制，所有控制部件均互连在DyNet网络上，网络上每一个装置内的存贮器均存有操作所需的全部指令。用户利用控制面板按键选择一个预置场景是一种最简单的控制方式。
（2）EIB智能安装系统
EIB智能系统由总线、总线电源、智能传感器（光线传感器、模糊开关、时间控制器、移动传感器）、智能开关驱动器和其他智能元件构成。它是典型的现场总线系统，每个元件就是一个节点，这些节点连接在一根2芯双绞线介质的总线上，不分主从隶属关系实现相互之间的通讯从而实现控制和被控制。
针对以上国内外现状的分析，具有不同控制模式的系统因网络技术的不断渗透，尤其是无线传感网络的迅速兴起而相互结合，慢慢成为了主流，也逐步走进我们的生活。因此，本文选择了用无线传感网络来设计即采用ZigBee技术来研究。
1.3 ZigBee技术
1.3.1 ZigBee技术概述
首先ZigBee是IEEE802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术。由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（Zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位和远近信息的，也就是说蜜蜂依靠着这样的方式构成了群体中的通信网络，因此ZigBee的发明者们形象地利用蜜蜂的这种行为来形象地描述这种无线信息传输技术[3]。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题背景和意义 1
1.2 国内外发展现状 1
1.3 ZigBee技术 2
1.3.1 ZigBee技术概述 2
1.3.2 ZigBee技术特点 2
1.4 本课题研究的主要内容 3
第二章 系统总体方案设计 4
2.1 大学照明控制现状 4
2.2 系统总体架构 4
第三章 系统的硬件设计 6
3.1 ZigBee网络芯片选择 6
3.1.1 ZigBee硬件开发平台 8
3.1.2 电源模块设计 9
3.1.3 CC2530接口设计 9
3.1.4 无线射频天线设计 10
3.1.5 CC2530串口设计 11
3.2 光照度传感器 13
3.3 热释电人体红外传感器 14
3.4 终端控制模块设计 15
3.5 通信模块的设计 16
3.5.1通讯方式的选择 16
3.5.2 RS232/RS485转换设计 17
第四章 系统的软件设计 18
4.1 软件开发环境 18
4.1.1 Z-Stack协议栈 18
4.1.2 嵌入式IAR Embedded Workbench 18
4.2 软件流程设计 18
4.2.1 总体流程设计 18
4.2.2 基站节点流程设计 19
4.2.3 终端节点流程设计 20
4.3 子系统设计 21
4.3.1 自主控制子系统 22
4.3.2 子系统控制过程实现 23
4.4 通信模块软件设计与实现 26
4.4.1 串口通信方式选择 26
4.4.2 串口数据的发送和接收 27
第五章 总结 30
参考文献 31
谢 辞 32
附 录 33
参考文献
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