基于ZigBee与WiFi的无线智能照明系统设计

buwan11

摘要∶为了提高照明系统的使用效率，减少电能的浪费;设计了一种以TI公司的cc2530芯片与Ralink 公司RT5350芯片为核心的，结合了ZigBee 与 WiFi技术的无线智能照明系统;该系统在控制终端与各照明节点之间构建混合型无线通信网络，并实现了将 ZigBee网络与UIPnP标准相结合;控制终端可实时监测各照明节点的状态，同时可发送控制命令到各终端节点;分析了系统的工作原理、硬件架构、软件设计;实验结果表明，该系统能够可靠地完成信息的采集与发送，误包率在50 m 范围内可控制在4.0%以内，系统具有误包率低，稳定可靠，成本低等优点，实现了照明系统的网络化管理。

长久以来，人们对照明系统的控制主要是基于本地式开关，此种传统控制方式制约了现代人快节奏的生活方式，与当下节能环保概念相违背，因为照明一直是城市电力消耗的大户，随着城市的大规模扩展，各种大型商场的建立，公共的照明设施越来越多，而如此众多的照明设施就需要有专门的管理人员每天来检查、控制。在大型商场中，由于管理操作的不便性，经常出现关灯不及时，灯发生故障而不能及时被发现等诸多不利，这样不但消耗人力，而且造成电能的浪费。传统的照明控制方式已满足不了现代人的使用需求，于是智能照明控制系统应运而生。
如今很多公共照明设施出现了采用光控或声控的方式，此种方式可及时地打开、关闭灯，节省了不少的电能，也有些场所采用无线控制方式，如 红外遥控，避免了布线繁杂的困扰，然而这些方式都只能对各个点实现一对一的控制，不能对所有设备进行统一的远程监控。无线通信技术的发展为远程监控系统提供了新的通信方式，ZigBee是一种基于IEEE 802.15.4标准的新兴的无线网络技术，具有短距离、低功耗、低成本、低复杂度等优势，主要应用在各种电子设备之间的无线通信中，尤其适合应用于楼宇的自动化设备中。然而支持 ZigBee 协议的硬件设备上都不具有以太网口或WLAN网口，更不支持TCP/IP协议栈，因此无法实现UPnP（通用即插即用）标准，也无法与生活中常用的手机、PC直接相连，这给统一远程监控带来了不便。
本文设计了一种基于ZigBee与WiFi技术的无线智能照明系统，在ZigBee网络与WiFi网络之间架设嵌入式网关，建立混合型无线通信网络，并将 ZigBee 网络与UPnP标准相结合，实现PC、手机端与各ZigBee节点之间的互联，从而实现对所有照明节点进行统一的实时监控。

1、系统结构与工作原理
系统主要由ZigBee网络、嵌入式网关和 WiFi网络三部分组成。如图1所示，其中，ZigBee网络中包含照明终端，路由节点和协调器，各节点之间的通信距离为 30～70 m，可根据节点周边环境在合适的地方配置路由器，构成网状网络，来使ZigBee 网络覆盖整栋大楼。协调器是ZigBee网络的核心设备，通过协调器采集各照明终端的状态信息，并实现对 ZigBee节点的控制。通过串口将协调器与嵌入式网关相连接，嵌入式网关中运行UPnP协议的设备部分，为ZigBee网络的每一个节点创建一个虚拟的 UPnP设备，将虚拟的UPnP设备与实际的终端节点一一对应，实现设备的上报与发现。最后，通过WiFi网络将控制终端如电脑，手机等与嵌入式网关相连接，从 UPnP网络中的控制点来看，每个ZigBee节点都是实现了UPnP协议的设备。系统通过嵌入式网关，将ZigBee网络与WiFi网络互连，实现 PC、手机对各照明终端的状态监控。


2、硬件架构设计
无线智能照明系统的硬件架构主要包括两大部分∶
1）构建 ZigBee 网络的照明终端、路由节点和协调器;
2）连接 ZigBee 网络与 WiFi网络的嵌入式网关设备。以下分别介绍这两大部分。
2.1 ZigBee 无线通信节点
ZigBee 网络主要由终端节点、路由节点与协调器节点构成，本系统采用了TI公司的 CC2530 芯片作为 ZigBee 无线通信的核心，CC2530集成了符合IEEE802.15.4标准的2.4 GHz 的 RF收发器，增强型 8051CPU 和系统内可编程闪存，满足低成本、低功耗的要求，并结合 TI开发的 ZigBee 协议栈，可方便用户开发，提供了强大完整的无线 ZigBee 解决方案。
2.2 嵌入式网关硬件设计
嵌入式网关主要负责将 ZigBee 网络与 WiFi网络互连，并实现 UPnP协议，对于嵌入式设备的要求如下∶
1）具有射频单元，支持 WiFi，以实现 PC，手机等控制端的接入。
2）具有串口，能够与 ZigBee 网络的核心设备协调器互连。
3）具有能够支持 TCP/IP协议栈的嵌入式操作系统。
4）能运行C语言编写的网关程序。
本系统选用以 Ralink公司的 RT5350芯片为核心的嵌入式设备，其硬件架构如图2所示，RT5350 内部集成了基带处理器，射频，射频功率放大器，一颗高性能的 MIPS 24Kc 360 MHz 处理器，支持150 Mbps无线数据带宽，其中 SDRAM主要用于存放系统及用户数据，Flash 则主要用于存放嵌入式操作系统、应用程序，其中串口、MAC/基带处理器及 RF是系统的主要通信模块，串口一方面用于系统映像文件的下载，另一方面主要用于与 ZigBee 网络中协调器的互联，MAC/基带处理器及射频提供系统 WiFi网络的连接。

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我们刚好用到ZigBee 网络控制LED灯

zhouice

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