ZigBee技术在唯顿智能照明网络中的应用
时间：2008-10-16 作者：陈立军 来源：北京新黄浦环宇科技有限公司技术 点击数：
摘要：介绍了ZigBee技术在智能照明网络中的应用。重点阐述了ZigBee技术在智能照明网络的组成、通讯协议以及无线ZigBee节点的软硬件设计。使用ZigBee技术的智能照明网络其具有高可靠性、功耗低、覆盖范围大的特点。特别是其符合IEEE802.15.4协议，与其它符合标准的产品的实现简单便捷地互联，具有优异的通用性和可扩展性。
关键词：ZigBee 智能照明 无线网络 EM250
1 ZigBee技术
1.1 ZigBee概述
ZigBee是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。它是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据传输率、高可靠的双向无线通信技术。
该技术可以应用于超低功率损耗的无线网络中，它满足ISO /OSI参考模型。其物理层和MAC层采用了IEEE802.5.4标准；ZigBee联盟定义了上层部分,包括网络层和应用层;用户层由用户自己定义。目前，许多公司都提出了ZigBee 解决方案。
1.2 ZigBee技术特点
ZigBee技术的主要优点有：
（1）省电：两节五号电池可使用长达六个月到两年左右的时间；
（2）可靠；采用了碰撞避免机制；
（3）成本低；
（4）时延短；
（5）网络容量大；
（6）安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，各种应用可以灵活确定其安全属性。
ZigBee技术的特点完全符合家庭网络通讯的需要，因此选择ZigBee技术构建智能照明无线网络系统。
1.3 ZigBee的网络拓扑结构
ZigBee的网络拓扑结构如图1
ZigBee的网络拓扑结构如图1
ZigBee网络拓扑结构可分为星形结构、网格状结构和族状结构三种。
ZigBee网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过“多级跳”的方式来通信；
ZigBee是一种特殊的、按接力方式传输的点对点的网络结构，其路由可自动建立和维护；
ZigBee网络机构还可以组成极为复杂的网络，具有很大的路由深度和网络节点规模；
ZigBee网络还具备自组织、自愈功能。
1.4 ZigBee协议
完整的ZigBee协议套件由应用规范层、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成，网络层以上协议由ZigBee联盟制定IEEE802.15.4负责物理层和链路层标准，如图2。
完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达 255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目没有限制。ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。
2 ZigBee智能照明网络
在智能照明系统中，将ZigBee无线网络技术应用于家庭网络已成为趋势。这不仅仅是因为无线网络可以提供更大的灵活性、流动性，省去花在综合布线上的费用和精力，而且更因为它符合家庭网络的通讯特点。
2.1 ZigBee智能照明网络系统组成
ZigBee智能照明是以家庭为单位进行设计安装，每个家庭都安装一个家庭网关、若干个无线通讯 ZigBee子节点模块。在家庭网关和每个子节点上都接有一个无线网络收发模块（符号ZigBee技术标准的产品），通过这些无线网络收发模块，数据在网关和子节点之间进行传送。其系统组成如图3所示。
2.2 ZigBee智能照明网络系统的功能
2.2.1 家庭网关的功能：
（1）基于小区局域网的网络通讯接口，通过以太网实现与小区管理中心通讯；
（2）每户配有简单的人机接口界面，通过界面显示小区通知、系统各部分工作状况及数据；
（3）实现可视门禁对讲功能，并在此平台上实现小区内部呼叫及电梯对讲等语音服务；
（4）通过门锁或按键进行设防/撤防；
（5）遇抢劫或疾病，按紧急按钮，自动向管理中心报警；
（6）将水、电、气等表具的数据发送给物业管理中心；
（7）通过网关上的无线ZigBee（IEEE802.15.4）模块与家庭智能网络中各子节点进行数据通讯。
2.2.2 家庭网络ZigBee无线通讯子节点种类：
（1）采用具有ZigBee传输功能的水、电、气等智能表具，或两路脉冲量数据采集的接口模块；
（2）可灵活配置的基于ZigBee的智能开关，可实现灯光、窗帘的自动控制，并可实现多场景控制；
（3）四路安防传感器开关量数据采集模块，可进行设防/撤防报警、安防报警（烟雾侦测、红外幕帘、门磁、窗磁、玻璃破碎等）；
（4）两路路模拟量数据采集模块；
（5）两路模拟量数据输出模块；
（6）四路继电器触点输出模块；
（7）空调系统的温度控制器；
（8）老年人与行动不便者的紧急呼叫器；
（9）基于ZigBee的手持式PDA，同时实现电视与音响、灯光等设备的万用遥控器；
2.2.3 ZigBee无线通讯子节点设计举例
唯顿智能照明控制系统硬件设计
由于无线节点使用电池供电或电力线路极低功耗的供电，但无线通讯需要电池提供足够大的电流，耗电量较大，所以低功耗设计成为子节点设计的重点和难点。
唯顿智能照明控制系统的无线网络节点硬件采用EMBER公司的EM250为核心器件，EM250是Ember公司推出的ZigBee片上系统，它集成 了一个符合IEEE 802.15.4标准的2.4GHz射频收发器；集成一个功能强大的高速率16位微处理器，支持网络级的在线调试，系统的软件开发简便；微处理器主频为12MHz，满足作为协调器、全功能设备或简化功能设备的要求；集成12Bit A/D采样；集成内存以及通信端口，只需要极少的外围元器件就可构成ZigBee网络节点硬件，以作为全功能设备、简化功能设备以及协调器。典型应用设计功能图，如图4所示。
外围元器件包括：射频不平衡到平衡转换器(RF BALUN 50/200Ω)、谐波滤波、晶振与负载电容构成的振荡器、电源去耦电容电路、电源板阻容滤波、上拉和下拉电阻、异步复位信号的阻容滤波、谐波滤波的输出端外接的50Ω非平衡天线等。
网络节点采用Future技术设备公司USB转UART芯片FT232R作为与PC通信接口。FT232R无须编程即可完成USB协议到RS232串口通信协议的转换，FT232R驱动可以支持在以PC端建立起虚拟通信端口(VPC)，VPC驱动将完成USB信号与RS232信号的自动转换。系统的电源可由3～3.3V直流源提供或由USB接口5V电源经FT232R转换为3.3V电源提供，3～3.3V直流源可以是电池或AC/DC变换器。两种电源可由跳线来进行选择。开关量输出使用松下公司的磁保持继电器TQ2L2—3V，PWM输出放大器采用 MAXIM公司的MAX4464。使用锂离子钮扣电池供电，通过采用TI公司的电荷泵IPS60210将电压稳定至3.3V。可以实现AD采集、脉冲量的计数、开关量的输入、开关量的输出、模拟量的输入、模拟量的输出、电池电量采集无线通讯等功能。
唯顿智能照明控制系统软件设计
唯顿智能照明控制系统的无线网络节点RFD是ZigBee网络的终端设备，它可以同协调器和路由器进行通信，但不能作为中间路由器，RFD可以进入睡眠模式，以减少功率消耗，大大延长电源使用时间。
在简化功能设备进入睡眠模式时，相邻的协调器或路由器会缓存发送它的相关数据。在退出睡眠模式时，它会向相邻的协调器或路由器询问是否有发送到它的数据，相 邻的协调器或路由器则返回是否有其数据包的响应。简化功能设备在处理完发送到它的数据后，可重新进入睡眠模式。简化功能设备的软件功能模块设计见图5。
各节点的管理可采用超级终端拨号到相连的单个节点或用统一的集中网络管理界面来完成。集中网络管理界面安装于与协调器相连接的PC，用于用户同ZigBee网络进行交互，主要功能有网络拓扑显示、节点状态显示、节点数据、告警信息、网络日志等。
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