1. 引言

　　隨著科技的進(jìn)步，人們對通信技術(shù)的要求也不斷增長，短距離無線通信技術(shù)也隨之產(chǎn)生。

　　如今，各種短距離無線通信技術(shù)層出不窮，其中較為成功并且應(yīng)用比較廣泛的有Bluetooth（藍(lán)牙）、ZigBee、Wi-Fi、WiMAX、無線USB 和UWB 等。

　　ZigBee 的協(xié)議構(gòu)架是建立在IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上的。IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)定義了ZigBee 物理層（PHY）和媒體訪問控制層（MAC）；ZigBee 聯(lián)盟則定義了ZigBee 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層（ZWK）、應(yīng)用層（APL）和安全服務(wù)規(guī)范。作為一種新興的低速率無線通信技術(shù)，ZigBee 技術(shù)擁有著速率低、功耗小、成本低、免許可無線通信頻段、近距離通信、時延短、數(shù)據(jù)傳輸可靠和組網(wǎng)方式多樣等多種技術(shù)特點，這些特點使ZigBee 技術(shù)很適合應(yīng)用到工業(yè)控制、智能家居、醫(yī)療護(hù)理、智能農(nóng)業(yè)、消費類電子和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域。目前，藍(lán)牙技術(shù)復(fù)雜，應(yīng)用系統(tǒng)費用較高，功耗高，電池供電壽命短，在其無法突破價格瓶頸的情況下，ZigBee 技術(shù)將擁有更加廣闊的應(yīng)用前景。

　　本文按照ZigBee 協(xié)議規(guī)范的要求，設(shè)計了一套適用于智能家居網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)照明自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地實現(xiàn)對室內(nèi)各照明器件的遠(yuǎn)程控制，并可通過監(jiān)測室內(nèi)光線的變化調(diào)整電燈的開斷，實現(xiàn)對照明的智能控制，同時也使控制系統(tǒng)的可靠性和靈活性得到提高。

　　2. 基于Microchip ZigBee 協(xié)議棧的室內(nèi)照明自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本文所介紹的室內(nèi)照明自動控制系統(tǒng)是 ZigBee 技術(shù)在智能家居中的一種典型應(yīng)用。

　　Microchip ZigBee 協(xié)議棧是在ZigBee 無線協(xié)議規(guī)范的基礎(chǔ)上定義的，但它不完全符合ZigBee 協(xié)議，不支持群集和點對點網(wǎng)絡(luò)，沒有安全和訪問控制功能，沒有路由器功能，也不支持一對多綁定。使用Microchip ZigBee 協(xié)議棧設(shè)計ZigBee 節(jié)點，需要具備的硬件條件至少要包括一個帶有SPI 串口的PIC18F 單片機(jī)，一個帶有所需外部元件的RF 收發(fā)器，一根天線，可以是PCB 上的引線形成的天線或單極天線。

　　系統(tǒng)構(gòu)建的是一個星狀網(wǎng)絡(luò)，即由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點和若干終端節(jié)點構(gòu)成的主從網(wǎng)絡(luò)。最先啟動的 FFD（全功能設(shè)備）自任PAN 協(xié)調(diào)器，并選擇一個和其覆蓋區(qū)域內(nèi)的其它PAN不同的標(biāo)識符作為自己的PAN 標(biāo)識符。通常在其工作區(qū)域內(nèi)不存在其它PAN 時，PAN 標(biāo)志符設(shè)置為0。協(xié)調(diào)器可以允許其它FFD 和RFD（精簡功能設(shè)備）加入網(wǎng)絡(luò)。在星狀網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器節(jié)點和終端節(jié)點之間可以相互發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)，但兩個終端節(jié)點之間不能進(jìn)行直接通信，如果一個終端節(jié)點要向另一個終端節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，只能通過協(xié)調(diào)器這個中間媒介完成。

　　依照Microchip ZigBee 協(xié)議棧的開發(fā)要求，我們設(shè)計了一個可以移植Microchip ZigBee協(xié)議棧的室內(nèi)照明自動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

　　其中協(xié)調(diào)器節(jié)點和所有終端節(jié)點共同構(gòu)成了ZigBee 無線通信網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器節(jié)點的作用是建立一個網(wǎng)絡(luò)，并為加人到網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點分派網(wǎng)絡(luò)地址，同時還負(fù)責(zé)通過串口和上位機(jī)進(jìn)行通信，各個終端節(jié)點則是為了實現(xiàn)具體的開關(guān)電燈的功能，并將工作的結(jié)果反饋給協(xié)調(diào)器節(jié)點。上位機(jī)除了實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)工作狀況外還起到家庭網(wǎng)關(guān)的作用，即可以提供各種遠(yuǎn)程智能控制接口，在家庭內(nèi)部的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)和Internet 之間建立起一種連接，使用戶可以用一臺連接到Internet 上的PC 機(jī)控制家里的電器設(shè)備。

　　圖1照明控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

　　3. 系統(tǒng)節(jié)點的硬件設(shè)計

　　設(shè)計選用 Microchip 公司的PIC18LF4620 單片機(jī)作為控制器，射頻收發(fā)器部分采用TI公司的CC2420 射頻模塊。控制器通過SPI 總線和一些離散控制信號與射頻模塊相連，控制器充當(dāng)SPI 主器件，而射頻模塊充當(dāng)從器件?？刂破鲗崿F(xiàn)了IEEE 802.15.4 MAC 層和ZigBee協(xié)議層，射頻模塊CC2420 則實現(xiàn)了IEEE 802.15.4 物理層和一些MAC 層功能。圖2 為終端節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖：圖3 為協(xié)調(diào)器節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖：

　　圖2 終端節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖

　　圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖

　　PIC18LF4620 單片機(jī)和CC2420 射頻模塊的接口電路如圖4 所示：

　　圖4 PIC 單片機(jī)與射頻模塊接口電路

　　終端節(jié)點控制器通過CC2420 射頻模塊接收來自協(xié)調(diào)器節(jié)點的數(shù)據(jù)，并按照協(xié)調(diào)器節(jié)點的指示，完成對繼電器控制，從而實現(xiàn)室內(nèi)各個電燈開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

　　終端節(jié)點可以通過光敏電阻監(jiān)視室內(nèi)光線的變化，當(dāng)光線亮度超過某一特定值時，控制器將檢測到來自于光敏電阻的輸出信號的變化，并將這種變化告訴協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器收到信號后會重復(fù)前面的操作完成對電燈的開關(guān)動作。這種設(shè)計適用于墻角落地?zé)簟?/p>

　　協(xié)調(diào)器節(jié)點通過鍵盤上的按鍵發(fā)送控制信號，開斷相應(yīng)終端節(jié)點上的繼電器從而控制電燈的亮滅，并通過RS232 串口將收到的從節(jié)點信號反饋給主節(jié)點。液晶顯示屏用來顯示各個終端節(jié)點的工作狀態(tài)。