一个基于ZigBee协议的智能照明应用实例的实现.doc

一个基于ZigBee协议的智能照明应用实例的实现第27卷第8期2011年8月赤峰学院(自然科学版)JournalofChifengUniversity(NaturalScienceEdition)V01.27No.8Aug.2011一个基于ZigBee协议的智能照明应用实例的实现阮星,蔡闯华(武夷学院数学与计算机系,福建武夷山354300)摘要:智能家居,又称为智能住宅(SMAR.THOME),是以住宅为平台,利用综合布线技术,自动控制技术,网络通信技术,安全防范技术,音视频技术将家居生活有关的设备集成,构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统,为家庭用户提供诸如自动抄表,可视对讲,网络家电,电器自动控制,家庭安防等功能,提升家居安全性,便利性,舒适性,艺术性,并实现环保节能的居住环境.智能家居起源于上世纪80年代的美国,随着我国人民生活水平的不断提高,已经有越来越多的厂商和个人开展了对智能家居的研究,并有各类相关产品问世.本文以智能照明为例,研究基于ZigBee技术构建智能家居的可行性与高效性,提出了一个基于ZigBee技术实现智能照明系统的方案,验证与探讨ZigBee技术在智能家居中的应用前景.关键词:智能家居;智能照明;ZigBee中图分类号:TP393.02文献标识码:A文章编号:1673260X(2011)080038031系统结构概述系统由一台亮度数据集中器(ZigBee协调器)和安装在各处的亮度监测节点(ZigBee设备)组成一星型结构网络.Zig,Bee网络协调器通过发送超帧使各ZigBee设备与它同步,并使ZigBee设备周期性地进入低功耗状态,以达到节电目的.亮度监测节点将实时的亮度值通过无线信道传送给ZigBee网络协调器,ZigBee网络协调器再通过串行接口或者以太网与PC机连接,以实现各点亮度的实时监测.根据所处的实验环境的特点,以及对芯片熟悉程度等方面进行选择,本实例选择了飞思卡尔公司所提供的ZigBee硬件平台方案:MC9S08GB60与MC13192.2亮度监测节点亮度监测节点的结构很简单,它是一台ZigBee精简功能设备,主要由光传感器,MCU和ZigBee收发器组成.光传感器采用ISL29004,ISL29004是新一代光一数字传感器,集成了电流放大器,能将光照度转化成简便易用的16位,I2C标准数字输出信号,为用户提供了单芯片解决方案.ISL29004内部有2个光敏二极管,二极管1检测环境中可见光和红外光总的照度,二极管2只检测环境中红外光照度,两个二极管的光谱响应是彼此独立的,而且能耗极低,理论工作电流只有0.3毫安.用户可以通过编程控制ADC的工作模式,既可以仅输出光敏二极管l或2的检测结果,在模式2下还可以输出经内部减函数计算的滤除红外光影响的结果.ISL29004内有8个8位的寄存器,1个命令寄存器,1个控制寄存器,2个中断阈值寄存器,4个只读数据寄存器.命令寄存器可以设定ADC的工作模式以及分辨率;控制寄存器可以调整增益从而选择照度检测范围;只读数据寄存器LSB_Sensor和MSBSensor可以读取ADC最近的数字输出;只读数据寄存器LSB_timer和MSB_timet可以读取ADC最近一次积分的周期数,8个寄存器的地址依次为00H07H.ISL29004有2个I2C接口地址选择引脚A0,A1,可以在l条I2C总线线路上安装4个ISL29004,并且可以和其他I2C外围节点共存.3震动监测节点震动传感器通过监测房间内是否有人员走动,基金项目:福建省自然科学基金资助项目(项目号:2008j0027:基金号:A0810017)一38来判断当前的房间内是否有人,由此来决定是否开启灯具,避免无人时灯具仍然点亮,而造成浪费.由于对震动传感器的要求不高,可以根据需要选择相关产品,本实例中,震动传感器采用的是一线的产品801S,具有极宽的震动侦测范围,并且侦测震动时没有方向限制,接脚表面特别镀金,提供60000000次震动保证,低损耗,灵敏度可由电路调整.终端节点的工作流程如图1所示.图1终端节点工作流程,4数据集中器数据集中器承担着采集各亮度监测节点的数据及上传的任务.它是一台Zig,Bee全功能设备,担任网络协调器的角色.在亮度监测节点不是太多的情况下,可以使用飞思卡尔公司的MC9s08GB60.此外,还需要一个RS一232接口,以便与PC机连接,实现亮度的实时监测,记录.其他结构与亮度监测节点相似,也需要ZigBee收发芯片MC13192,但应有稳定的电源供电,无须考虑功耗问题.图2描述了协调器工作的流程.MC9SO8GB60是一款飞思卡尔公司S08系列的8位MCU.HCS08核,最高总线频率可达40MHz;时钟源可选晶体振荡器,陶瓷谐振器,外部时钟或经精确NVM校准的内部时钟.它内部具有64KB的FLASH和4KB的RAM存储空间.增加了l6位指令,能灵活方便的访问16位HX寄存器,同时支持1个WAIT和3个STOP模式,对低功耗模式提供更全面的支持,在40MHz的工作频率下,其功率消耗不到lmW,而且该微控制器具有多种省电模式供选择;除了具有丰富的片上存储资源和多种省电模式以外,模数转换模块具有8路l0位的A/D通道,2MHz的采样频率;内部集成了1个SPI模块,适合与MC13192的通信;2个SCI模块,方便与PC通信;具有背景调试模块,能利用单线对9S08核的系列MCU进行方便地写入和调试,加快开发的速度并大大降低了调试的难度1.MC13192是飞思卡尔公司于2005年推出的工作在2.4GHz频率下短距离,低功耗,工业,科学和医疗(ISM)的无线数据收发器.支持点对点,星型,网型结构的网络.它包含基于IEEE802.15.4标准设计的物理层结构,选择一款合适的MCU后,可提供一种性价比极高的2.4GHz频率短距离数据传输的无线方案.MC13192与MCU的接口简单,只需四线的SPI,一个IRQ中断请求线和三个控制线,可以很容易地与任何一种MCU接口,它和某一种性能适当的MCU结合在一起组成无线节点,即可形成低成本,低功耗,短距离,低数据速度的无线数据链路或网络圆.SPI用于MC13192和MCU进行双向的数据通信,MCU对MC13192的配置和控制命令同样也是通过SPI传输的.当MC13192的工作状态发生变化时,MC13192将通过IRQ管脚通知MCU,并由MCU作相应的仲裁处理.协调器工作流程如图2所示.图2协调器工作流程5实例分析由于此实例只涉及单一的ZigBee网络,只需一39要一台网络协调器,因此不需要网络层,直接将应用程度建立在MAC层上即可.数据集中器是ZigBee协调器,它需要先开始工作.上电后,它首先初始化协议栈,然后进行能量检测,选择合适的信道,启动协调器;此后即可允许ZigBee设备与其连接,接收它们传输的各节点的亮度值,并将其传输给Pc机.亮度监测节点上电后,首先进行信道扫描,寻找网络协调器,然后与协调器建立连接,连接成功后,即通过协调器发送的信标与协调器实现同步,开始按周期采集本处的亮度值,把光强信号转化为电流值,电流通过负载电阻转化为电压值传送给MC9SO8GB60的MD转换器,单片机将采集到的数字信号与寄存器设定值进行比较,比阈值小则说明外界光强较弱,需增加灯具的发光亮度;反之,需降低灯具的发光亮度圈.震动监测节点的工作过程与亮度监测节点相似.本方案中的亮度测量采用的元件为ISL29004,其优点是电路简单,理论工作电流为0.3毫安,完成一次测量约耗时100毫秒.由于亮度监测节点的结构很简单,MCU的大部分I/O引脚没有使用,将来如果改用内部集成了MCU的ZigBee芯片MC13XXX,则结构可进一步得到简化,成本可进一步得到降低.MC13192的SPI接口直接与MCU的SPI接口连接,接收和发送使用PCB天线;ISL29004连接在MCU的一个I/O口上.整个亮度监测节点包括电池在内,体积小巧,安放方便.由于亮度监测节点采用电池供电,需要尽可能长地延长电池的使用寿命,因此,对节点的功能管理也提出了更高的要求.在总线频率为8MHz时,MC9S08GT32的平均工作电流为6毫安,而在STOP状态的最大电流为10微安;MC13192的最大工作电流为40毫安,在Hibernate状态的电流为6微安4.因为对亮度监测的实时性不需要很高,所以可以选择采用较长的超帧周期,以使各监测点可以长时间处于睡眠状态,降低功耗,减少工作电能的需求.实验时取信标序号为14,对应的信标周期为251.65824秒,超帧序号取0,对应的活动时间为l5.36毫秒,每台ZigBee设备仅使用其中的一个时隙,时间为15.36/16=0.96(毫秒),占空比约为0.000003815.以E来表示电能,照此计算,在一个信标周期里消耗的电能估算如下:1)亮度检测:E=(0.3+6)(0.1/3600)h=0.00Ol75mAh2)工作能耗:E=(6+40)(0.960.001/3600)h=0.0()O0o123mAh3)休眠能耗:E=(6+l0)0.001251.65824/3600h=0.00112mAh一天共有243600/251.65824344个信标周期,共耗电(0.000175+0.00000123+0.00112)mAh3440.446mAh,在理论上,一只750mAh的电池可以持续供电750/0.446=1681天,接近四年半.考虑到漏电等等原因,实际使用时间会比理论时间要短一些,但也是在可接受的范围内,有着实际的应用意义.6结束本文以一个智能照明的应用实例来验证zig-Bee技术在智能家居中的应用前景.家庭作为社会的基本组成单元,实现信息化无疑是整个社会信息化的重要标志,对科技进步,经济繁荣进而实现社会的和谐发展都有着极为重要的意义,在社会高度发展,人们对生活环境要求13益提高的今天,