袁聰

摘 要：能源是二十一世紀(jì)的主體，就目前大多數(shù)高校而言雖然照明設(shè)備可以按作息時(shí)間自動(dòng)關(guān)停，但照明亮度無(wú)法隨光強(qiáng)自動(dòng)調(diào)節(jié)；；學(xué)校整個(gè)照明系統(tǒng)開關(guān)控制需要人位操作，不能上位機(jī)操作沒(méi)法統(tǒng)一管理?；诖吮尘埃悄苷彰飨到y(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。LED與無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)給照明系“智能化”的數(shù)字家園帶來(lái)了廣闊的應(yīng)用空間。

本文著重對(duì)學(xué)校教室內(nèi)的智能照明控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，控制對(duì)象采用白光LED燈，并集成恒流驅(qū)動(dòng)與PWM脈沖調(diào)光技術(shù)，完成根據(jù)光強(qiáng)變化PWM線性調(diào)光。采用CC2530芯片與Zigbee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)完成控制，并與網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的Zigbee2007協(xié)議棧結(jié)合而，采集LED照明現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信， 通過(guò)CC2530芯片邏輯判斷與智能分析，實(shí)現(xiàn)根據(jù)外界光強(qiáng)變化智能調(diào)節(jié)LED光照強(qiáng)度等功能。對(duì)完成這些功能的所需的關(guān)鍵技術(shù)Zigbee的組建以及實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：學(xué)校照明， ZigBee，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，白光LED，智能照明，CC2530

1 ZigBee節(jié)點(diǎn)主控芯片的選取

本課題無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件電路選取了CC2530為核心芯片，其是由挪威的Chipcon公司生產(chǎn)的符合2.4GHz射頻系統(tǒng)的ZigBee技術(shù)的單芯片，用于各類 ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，包括協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備等。CC2530 芯片內(nèi)部集成了 ZigBee 射頻（RF）前端、存儲(chǔ)器和微處理器。它內(nèi)部集成了1個(gè)8位8051處理器，還含有1個(gè)16位和2個(gè)8位定時(shí)器（Timer）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、看門狗（Watchdog-timer）、AES-128 協(xié)同處理器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路及21個(gè)可編程的輸入/輸出（I/O）口等。其中的RF無(wú)線收發(fā)電路符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的2.4GHz頻段，其具有高靈敏度無(wú)線接收能力和強(qiáng)抗干擾能力。

2 ZigBee節(jié)點(diǎn)收發(fā)電路

CC2530 芯片只要外接很少的部件就可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)功能，如圖3—2所示。電路采用了一個(gè)非平衡天線，連接一個(gè)非平衡變壓器目的是為了讓天線性能更好。電路中的電感、電容及一根PCB微波傳輸線組成了非平衡變壓器，整個(gè)電路滿足 RF 輸入/輸出匹配電阻（50Ω）的要求。內(nèi)部 T/R交換電路任務(wù)是完成 LNA 和 PA 間的交換。偏置電阻主要用來(lái)提供一個(gè)合適的工作電流給 32MHz 的晶振。32MHz 的石英諧振器（XTAL2），電容 C331 和 C321 組成了 32MHz 晶振電路。32.768 kHz 的石英諧振器（XTAL1），電容 C221 和 C231 構(gòu)成了 32.768 kHz 的晶振電路。所有 1.8 V 電壓引腳和內(nèi)部電源均有電壓調(diào)節(jié)器供電，電容 C401為去藕合電容，用作電源濾波以穩(wěn)定電壓，提高芯片工作的穩(wěn)定性。

3 Zigbee協(xié)議棧

ZigBee協(xié)議棧由物理層（Physical layer，PHY）、媒體接入控制層（Media AccessControl，MAC）、網(wǎng)絡(luò)層（Network layer，NWK）和應(yīng)用層（Application layer，APL）構(gòu)成。協(xié)議棧每層都是為其上層提供服務(wù)接口，上層調(diào)用下層函數(shù)時(shí)很方便。ZigBee技術(shù)符合無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，PHY層和MAC層都符合IEEE 80.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)都是由IEEE協(xié)會(huì)制定的。網(wǎng)絡(luò)層、安全層和API是由ZigBee聯(lián)盟制定的，應(yīng)用層可由用戶自定義。

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議定義了868/915MHz和2.4 GHz兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)。物理層定義了物理無(wú)線信道和 MAC 層之間的接口，由兩個(gè)服務(wù)點(diǎn)（SAP）提供 PHY 數(shù)據(jù)服務(wù)與 PHY 管理服務(wù)：a.為 PHY 層提供數(shù)據(jù)服務(wù)，是通過(guò) PHY 數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)（PD-SAP）來(lái)實(shí)現(xiàn)的；b.為 PHY 管理提供服務(wù)，這是通過(guò) PHY 管理實(shí)體（PLME）服務(wù)接入點(diǎn)（PLME-SAP）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。所以物理層有開關(guān)收發(fā)器、鏈路質(zhì)量指示、信道能量檢測(cè)、信道空閑評(píng)估、信道選擇及通過(guò)物理介質(zhì)收發(fā)數(shù)據(jù)包等六大功能。

MAC 層經(jīng)兩個(gè)服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)提供了兩種服務(wù)，即 MAC 數(shù)據(jù)服務(wù)和 MAC 管理服務(wù)，分別通過(guò) MAC子層公共部分的服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)（MCPS-SAP）和 MAC 子層管理實(shí)體服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)（MLME-SAP）實(shí)現(xiàn)。MAC數(shù)據(jù)服務(wù)的 MAC 協(xié)議數(shù)據(jù)單元（MPDU）的收發(fā)通過(guò)使用 PHY 數(shù)據(jù)服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，MAC層的管理服務(wù)即維護(hù)MAC層信息數(shù)據(jù)庫(kù)。MAC層處理所有PHY層無(wú)線信道的接入，主要實(shí)現(xiàn)信道訪問(wèn)機(jī)制的維護(hù)、數(shù)據(jù)通信、網(wǎng)絡(luò)管理及安全機(jī)制四類功能。

網(wǎng)絡(luò)層（NWK）主要功能為提供一些必要的函數(shù)，確保ZigBee的 MAC 層正常工作，且為應(yīng)用層提供合適的接口。網(wǎng)絡(luò)層需有 NWK層數(shù)據(jù)實(shí)體（NLDE）和 NWK 層管理實(shí)體（NLME） 兩個(gè)功能服務(wù)實(shí)體。MAC 層公共子層服務(wù)接入點(diǎn)（MCPS-SAP） 與 MAC 層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)（NLME-SAP）都是為 MAC 層提供接口的，NWK數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)（NLDE-SAP）和 NWK 管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)則為應(yīng)用層提供接口。

4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備角色可定義為協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由器（Router）和終端節(jié)點(diǎn)（End Device）三種。三種設(shè)備的硬件電路結(jié)構(gòu)相同，主要區(qū)別為 ZigBee協(xié)議棧應(yīng)用層對(duì)其定義的不同。ZigBee 協(xié)議從能力上還定義了全功能設(shè)備（Full Function Device，F(xiàn)FD）和精簡(jiǎn)功能設(shè)備（Reduce Function Device，RFD）兩種。FFD 可擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)中三種角色的任一種，而 RFD 只能為終端設(shè)備。

ZigBee協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層定義了星型、樹狀和網(wǎng)狀網(wǎng)三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。星型結(jié)構(gòu)：協(xié)調(diào)器在中心發(fā)揮協(xié)調(diào)作用，所有節(jié)點(diǎn)只與協(xié)調(diào)器通信，協(xié)調(diào)器必須是 FFD，其它設(shè)備可以是完 FFD，也可以是 RFD。簇樹狀網(wǎng)：協(xié)調(diào)器在中心其協(xié)調(diào)作用，網(wǎng)絡(luò)中有多個(gè)路由器和終端節(jié)點(diǎn)，遠(yuǎn)距離終端節(jié)點(diǎn)只能經(jīng)過(guò)路由器才能與協(xié)調(diào)器通信，路由器都為FFD，終端節(jié)點(diǎn)可為 RFD 或 FFD。網(wǎng)狀網(wǎng)：以協(xié)調(diào)器為中心，網(wǎng)絡(luò)中存在多個(gè)路由器和終端設(shè)備，任意兩個(gè)路由器可互相通信，終端節(jié)點(diǎn)則只能經(jīng)路由器與協(xié)調(diào)器通信，其實(shí)樹狀網(wǎng)為網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)的一個(gè)特例。

5 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組建

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)或入網(wǎng)流程，第一個(gè)全功能設(shè)備被成功的上電激活后，首先進(jìn)行所有物理層信道能量掃描，檢測(cè)一些可能的干擾，并對(duì)已檢測(cè)到的有效信道按能量值進(jìn)行排序。然后再主動(dòng)掃描一次以選擇一個(gè)最佳信道確定為當(dāng)前工作信道。成功建立的第一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)即協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，在MSSTATE_LRWPAN 協(xié)議棧定義中，在網(wǎng)絡(luò)建立過(guò)程中不對(duì)此節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信道掃描，可直接根據(jù)天線的設(shè)計(jì)頻點(diǎn)使用指定的信道進(jìn)行通信，目的是為了讓通信效果達(dá)到最佳。網(wǎng)絡(luò)建立后，其它所有節(jié)點(diǎn)（FFD 或 RFD）均可作為網(wǎng)絡(luò)中的子節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，去尋找在自己通信范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)，若找到了網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)獲取的網(wǎng)絡(luò)信息選擇一個(gè)父節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)申請(qǐng)信號(hào)，并等待父節(jié)點(diǎn)的允許請(qǐng)求響應(yīng)。父節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)判斷后，若父節(jié)點(diǎn)允許其加入，將發(fā)出請(qǐng)求響應(yīng)信號(hào)，通知子節(jié)點(diǎn)。子節(jié)點(diǎn)收到請(qǐng)求響應(yīng)信號(hào)后，父節(jié)點(diǎn)將會(huì)分配它的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址（短地址）作為其在在網(wǎng)絡(luò)中的唯一身份標(biāo)識(shí)符，至此節(jié)點(diǎn)則成功的加入了網(wǎng)絡(luò)。第一個(gè)激活的 FFD 節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)里的一個(gè)協(xié)調(diào)器廣播信標(biāo)幀，與其同時(shí)其也接受新節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求，種方式一級(jí)級(jí)的進(jìn)行短地址分配，即可完成網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)。

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