發布時間：2022-03-09所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：為了提高照明系統的使用效率，減少電能的浪費;設計了一種以TI公司的cc2530芯片與Ralink公司RT5350芯片為核心的，結合了zigBee與wiFi技術的無線智能照明系統;該系統在控制終端與各照明節點之間構建混合型無線通信網絡，并實現了將zig Bee網絡與uPnP標準相結合;控
摘要：為了提高照明系統的使用效率，減少電能的浪費;設計了一種以TI公司的cc2530芯片與Ralink公司RT5350芯片為核心的，結合了zigBee與wiFi技術的無線智能照明系統;該系統在控制終端與各照明節點之間構建混合型無線通信網絡，并實現了將zig— Bee網絡與uPnP標準相結合;控制終端可實時監測各照明節點的狀態，同時可發送控制命令到各終端節點;分析了系統的工作原理、硬件架構、軟件設計;實驗結果表明，該系統能夠可靠地完成信息的采集與發送，誤包率在50 m范圍內可控制在4.o%以內，系統具有誤包率低，穩定可靠，成本低等優點，實現了照明系統的網絡化管理。
關鍵詞：ZigBee;wi Fi;通用即插即用;智能照明
O 引言
長久以來，人們對照明系統的控制主要是基于本地式開關，此種傳統控制方式制約了現代人快節奏的生活方式，與當下節能環保概念相違背，因為照明一直是城市電力消耗的大戶，隨著城市的大規模擴展，各種大型商場的建立，公共的照明設施越來越多，而如此眾多的照明設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，經常出現關燈不及時，燈發生故障而不能及時被發現等諸多不利，這樣不但消耗人力，而且造成電能的浪費。傳統的照明控制方式已滿足不了現代人的使用需求，于是智能照明控制系統應運而生。
如今很多公共照明設施出現了采用光控或聲控的方式，此種方式可及時地打開、關閉燈，節省了不少的電能，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實現一對一的控制，不能對所有設備進行統一的遠程監控。無線通信技術的發展為遠程監控系統提供了新的通信方式，ZigBee[2‘3]是一種基于IEEE 802.15.4標準的新興的無線網絡技術[4]，具有短距離、低功耗、低成本、低復雜度等優勢，主要應用在各種電子設備之間的無線通信中[5]，尤其適合應用于樓宇的自動化設備中。然而支持ZigBee協議的硬件設備上都不具有以太網口或WLAN網口，更不支持TCP/IP協議棧，因此無法實現UPnP(通用即插即用)標準[6]，也無法與生活中常用的手機、PC直接相連，這給統一遠程監控帶來了不便。
本文設計了一種基于ZigBee與WiFi技術的無線智能照明系統，在ZigBee網絡與WiFi網絡之間架設嵌入式網關，建立混合型無線通信網絡口]，并將ZigBee網絡與uPnP標準相結合，實現PC、手機端與各ZigBee節點之間的互聯，從而實現對所有照明節點進行統一的實時監控。
1 系統結構與工作原理
系統主要由ZigBee網絡、嵌入式網關和wiFi網絡三部分組成。如圖1所示，其中，ZigBee網絡中包含照明終端，路由節點和協調器，各節點之間的通信距離為30～70 m，可根據節點周邊環境在合適的地方配置路由器，構成網狀網絡，來使 zigBee網絡覆蓋整棟大樓。協調器是ZigBee網絡的核心設備，通過協調器采集各照明終端的狀態信息，并實現對ZigBee節點的控制。通過串口將協調器與嵌入式網關相連接，嵌入式網關中運行UPnP協議的設備部分，為ZigBee網絡的每一個節點創建一個虛擬的UPnP設備，將虛擬的UPnP設備與實際的終端節點一一對應，實現設備的上報與發現。最后，通過 wiFi網絡將控制終端如電腦，手機等與嵌入式網關相連接，從uPnP網絡中的控制點來看，每個zigBee節點都是實現了 UPnP協議的設備。系統通過嵌入式網關，將ZigBee網絡與 wiFi網絡互連，實現PC、手機對各照明終端的狀態監控。
2硬件架構設計
無線智能照明系統的硬件架構主要包括兩大部分：
1)構建ZigBee網絡的照明終端、路由節點和協調器;
2)連接ZigBee網絡與WiFi網絡的嵌入式網關設備。以下分別介紹這兩大部分。
2.1 zigB∞無線通信節點
zigBee網絡主要由終端節點、路由節點與協調器節點構成，本系統采用了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標準的2.4 GHz 的RF收發器，增強型8051CPU和系統內可編程閃存，滿足低成本、低功耗的要求，并結合TI開發的ZigBee協議棧[8]，可方便用戶開發，提供了強大完整的無線ZigBee解決方案。
2.2嵌入式網關硬件設計
嵌入式網關主要負責將ZigBee網絡與wiFt網絡互連，并實現UPnP協議，對于嵌入式設備的要求如下：
1)具有射頻單元，支持wiFi，以實現PC，手機等控制端的接人。
2)具有串口，能夠與ZigBee網絡的核心設備協調器互連。
3)具有能夠支持TCP/IP協議棧的嵌入式操作系統。
4)能運行C語言編寫的網關程序。
本系統選用以Ralink公司的RT5350芯片為核心的嵌入式設備，其硬件架構如圖2所示，RT5350內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無線數據帶寬，其中SDRAM主要用于存放系統及用戶數據，Flash則主要用于存放嵌入式操作系統、應用程序，其中串口、MAC/基帶處理器及RF是系統的主要通信模塊，串口一方面用于系統映像文件的下載，另一方面主要用于與ZigBee網絡中協調器的互聯，MAC/基帶處理器及射頻提供系統Wi Fi網絡的連接。
3系統軟件設計
系統軟件設計主要分為兩部分，一部分為ZigBee節點的軟件設計，包括協調器、路由器、照明終端節點，各節點的軟件設計是基于TI公司開發的z—Stack2007協議棧，通過任務查詢，事件觸發來實現任務調度機制;另一部分為嵌入式網關中虛擬設備的實現，主要用于實現為ZigBee網絡中的每一個節點創建一個虛擬的uPnP設備，并能通過UPnP協議對 ZigeBee節點進行控制。
3.1數據傳輸格式設計
網關與協調器之間是通過固定的數據格式進行通訊，數據傳輸格式定義如表1所示，共8個字節，其中：
1)幀頭1和幀頭2為固定值oxFE和OxFD。
2)設備類型指ZigBee終端節點的設備種類，例如：oxOo 表示電燈，oXol表示電扇等，在本設計中為oxoo。
3)設備序號指該ZigBee設備在該設備類型中的序號，取值oxoo到0xFF。
4)幀類型表示該設備當前狀態：oxoo為不存在幀，表示設備不可用;ox01為存在幀，表示設備可用;Ox02表示變量幀;ox03為準備幀，表示設備初始信息發送完畢。
5)變量名稱表示此數據幀中變量值的意義，例如oxoo表示開關狀態，Ox01表示燈光亮度。
6)變量值指變量名稱所對應的值的大小。
7)幀校驗位由z—stack協議棧自動添加。
3.2協調器軟件流程
協調器是zigBee網絡的核心，主要負責ZigBee網絡的建立與管理，以及與嵌入式網關之間的通訊互連。由協調器向網關報告其發現的ZigBee設備，網關通過給協調器發送命令幀來完成對ZigBee節點的控制，其工作流程如圖3所示。
3.3路由節點軟件流程
路由器節點主要完成數據的轉發功能，根據需要，可設置多個路由節點使ZigBee網絡的覆蓋面更廣，可組成網狀拓撲結構，提高ZigBee網絡的可靠性。
路由節點的軟件工作流程如下：
1)上電初始化，申請加入網絡，尋找合適的父節點，加入網絡。
2)搜索信號，判斷轉發路徑。
3)將數據以ZigBee通信協議打包轉發至下一節點。
3.4照明終端節點軟件流程
1)照明終端節點首先進行初始化，申請加入網絡。
2)照明終端成功加入網絡后，則向協調器發送ZigBee設備存在幀，等待網關為其在虛擬設備列表中建立新的設備節點。
3)照明終端通過協調器向網關發送ZigBee設備所具有的變量值。
4)接收控制點通過網關發來的變量幀，并完成設備中的變量值設置，同時給控制點回復“動作完成響應”。終端節點軟件工作流程如圖4所示。
3.5 網關中虛擬設備的實現
在整個嵌入式網關設計中，控制點與虛擬設備的實現都是基于UPnP協議框架。UPnP指通用即插即用[91…，當任何設備只要加入網絡，所有網絡上的設備就能知道有新的設備加入，同時這些設備之間可直接獲得其他設備的信息，并且可發送控制命令。UPnP設備體系結構包括設備之問，控制點之間，設備與控制點之間的通信，UPnP協議主要由SSDP模塊、Web Server模塊、SOAP模塊、GENA模塊組成，分別負責設備發現、設備描述、設備控制、訂閱功能。以下主要介紹在本無線智能照明系統設計中，實現照明終端在嵌入式網關中的設備虛擬化。
3.5.1設備尋址的設計與實現
在UPnP協議中，需要為每個加入網絡的設備通過DHCP 的方式動態分配一個IP地址，在本設計中，由于加入網絡的是ZigBee設備，無法為其分配一個獨立的IP地址，因此，在本設計中讓所有設備都共用同一個IP地址，同時為了區分每個加入網絡的設備，而采用設備的UDN(唯一設備名稱)來標識每個設備。
3.5.2設備發現的設計與實現
設備發現主要包括兩種情況，一種是當zigBee設備接入網絡時，需通過廣播的方式，向ZigBee與wiFi混合網絡中的所有控制點宣告“設備可用”，而當ZigBee設備退出網絡時，需向控制點宣告“設備不可用”。另一種情況是控制點通過廣播的方式搜索加入網絡的ZigBee設備，當搜索到可用設備后，該設備通過單播響應控制點的請求。如圖5，描述了設備宣告的實現步驟。其中設備管理模塊主要是對設備描述文件進行解釋，從而獲得該設備的服務信息，并且在設備描述列表中為該設備分配一個ID號，用于索引。
3.5.3設備描述的設計與實現
當Pc、手機等控制點獲得由zigBee設備發來的“設備可用”宣告后，為獲取更多有關設備的通用信息，如Z培Bee設備的制造廠商名、設備序列號等，同時為獲得設備的服務描述，如本設計中ZigBee終端可提供照明，可監控燈開關狀態等，會基于HTTP傳輸機制向設備發送設備描述請求數據包，其主要步驟為：
1)控制點通過wiFi網絡請求數據包處理模塊生成“HT— TP GET”數據請求包，并通過網絡通訊模塊發送給ZigBee 設備。
2)ZigBee設備端接收到“HTTP GET”請求后，將控制點所需的信息以設備描述文件名的方式發送給web服務器。
3)Web服務器讀取虛擬目錄中的設備描述文件內容，并再次提交給數據包處理模塊，數據包處理模塊將設備描述文件的內容打包發送給控制點作為請求的響應。
4)控制點獲得響應數據包后，將它交給xML解釋模塊， XML解釋模塊將設備相關信息再通過WiFi網絡返回給控制點。
3.5.4設備控制的設計與實現
設備控制主要分為兩種：一種是動作請求，由控制點將動作請求通過WiFi網絡發送給嵌入式網關，再由網關發送給 ZjgBee終端，如打開或關閉照明終端，終端設備接收到命令后執行相應的操作;另一種是變量查詢，由控制點向ZigBee 設備發送變量查詢請求，如查詢照明終端的開關狀態，ZigBee 設備通過zigBee網絡，網關，wi Fi網絡將變量結果返回給控制點，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現方式如圖6所示。
4 實驗結果
為檢測本系統數據傳輸質量，在一幢樓的不同地方放置多個帶有Z培Bee節點的照明終端進行實驗測試，實驗中，將PC 連接上WiFi，兩種網絡通過嵌入式網關進行協議轉化與數據通訊。通過PC端發送控制命令，同時將ZigBee終端的返回信息打印出來，實驗主要通過對網絡誤包率及數據包的RSSI (信號接收強度)兩個指標進行檢測，以測試該混合網絡的可靠性。
為提高數據的可信度，分別對每個測量點進行了30次數據測量，取這30組數據的平均值，分析該點的RSSI及誤包率。實驗結果如圖7所示，其中圖7(a)顯示的為誤包率，指實際接收到的數據包個數占總發送數據包個數的百分比，圖 7(b)為信號接收強度。從圖7(a)中可以看出，當距離在5 m以內，誤包率為O;當距離在30 m以內時，誤包率可控制在2%，說明在這段距離內，該混合網絡的數據傳輸具有較強的可靠性;而當距離在30～50 m時，雖然誤包率明顯增大，但控制在4%以內，仍可以保證系統的正常運行。從圖7(b) 中可以看出，Rssj值強烈依賴于信號傳輸距離的限制，在5 m 范圍內，RSS，值保持在一65～一40 dBm。而隨著距離的增大， RSsj值有呈指數衰減的趨勢。
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實驗結果表明，該無線控制系統在50 m范圍內，具有較強的數據傳輸能力，實現了ZigBee網絡與WiFi網絡的互聯，且有較高的可靠性。
5 結論
本文設計了一種基于zigBee與wi Fi的無線智能照明系統，從硬件模塊的設計到軟件流程的分析，結合了ZigBee網絡與WiFi網絡的各自優勢，實現了將ZigBee與wiFi兩種網絡互連，構成混合型無線網絡，且在軟件模塊中實現了UPnP 標準，通過虛擬設備的建立，將uPnP標準與ZigBee網絡相結合，使得無線智能照明系統控制更加方便簡單，提高了公共照明設施的管理效率。通過實驗驗證，該混合型網絡運行穩定，且具有較高的可靠性。——論文作者：陳章進1，一，張建峰1，李翰超1
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