摘要：文章以樓宇自動化中教室照明系統(tǒng)為對象，介紹了以ZigBee為無線通信協(xié)議，以STM32W108為處理器，開發(fā)的一種基于ZigBee無線通信協(xié)議的智能燈光控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由智能燈光節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)中心(主控制室)三個部分組成，其中智能燈光節(jié)點(diǎn)通過光亮度傳感器和紅外線傳感器的數(shù)據(jù)采集，智能調(diào)節(jié)一定區(qū)域內(nèi)的燈光(系統(tǒng)判定無人的情況下)，并且可以通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，最后把數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺刂剖?，從而達(dá)到對教室照明系統(tǒng)的智能控制。
關(guān)鍵詞：ZigBee協(xié)議；STM32W108微處理器；智能燈光節(jié)點(diǎn)；光亮度傳感器

0 引言
    照明設(shè)備在日常生活中是必不可少的，而對于照明系統(tǒng)的控制，一直是樓宇控制系統(tǒng)中至關(guān)重要的部分。然而，隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源短缺問題日益突出，但是目前，在很多大中專院校、企業(yè)辦公大樓、政府機(jī)關(guān)單位及醫(yī)院等一些公共場所，普遍存在著室內(nèi)無人卻“燈火通明”的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，節(jié)約照明所用的電能已經(jīng)成為建筑節(jié)能的重點(diǎn)，所以智能照明控制系統(tǒng)變得尤為重要。為此，本設(shè)計采用了ZigBee無線通信技術(shù)組建網(wǎng)絡(luò)，以高校中一棟大型教學(xué)樓為對象，實現(xiàn)對照明系統(tǒng)的智能控制，從而很好地節(jié)約了電能的使用。
    ZigBee技術(shù)是一種應(yīng)用于短距離范圍內(nèi)、低傳輸速率下的各種電子設(shè)備之間的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。ZigBee技術(shù)具有成本低、可靠性好、時延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、覆蓋范圍廣等特點(diǎn)。
    對于無線技術(shù)，節(jié)點(diǎn)的功耗問題一直是限制無線技術(shù)發(fā)展的主要問題之一，而本設(shè)計的一個顯著特點(diǎn)是，節(jié)點(diǎn)并不是使用電池供電，而是直接取用原有照明系統(tǒng)的電能，這樣既解決了無線節(jié)點(diǎn)的功耗問題，又不會過多影響原有的照明系統(tǒng)，從而也降低了成本。

1 系統(tǒng)綜述
    圖1為本設(shè)計的整體框圖，教學(xué)樓中每間教室均至少分布一個終端節(jié)點(diǎn)，處在一定區(qū)域的多個節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個網(wǎng)絡(luò)，整棟教學(xué)樓有多個這樣的網(wǎng)絡(luò)組成，當(dāng)分布在終端節(jié)點(diǎn)的光亮度傳感器和紅外傳感器采集到數(shù)據(jù)后，無線發(fā)送到處在本區(qū)域的全功能節(jié)點(diǎn)，全功能節(jié)點(diǎn)(FFD)本身具有終端節(jié)點(diǎn)的作用，然后再由全功能節(jié)點(diǎn)無線發(fā)送的協(xié)調(diào)器(Coordinator)，最后通過有線傳送到主控室上位機(jī)。

    在本設(shè)計中，每一個節(jié)點(diǎn)，包括全功能節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器都具有唯一的地址，這樣，協(xié)調(diào)器具有對本網(wǎng)絡(luò)的管理功能；同樣，也可以通過對主控室上位機(jī)進(jìn)行操作，實現(xiàn)對本網(wǎng)絡(luò)中任一個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定或控制，以達(dá)到對全網(wǎng)的控制。
    對于教室的單個節(jié)點(diǎn)，當(dāng)采集到光亮度信息和紅外信息后，經(jīng)MCU處理后，對本節(jié)點(diǎn)繼電器進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)對室內(nèi)燈光的控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    本設(shè)計主要涉及節(jié)點(diǎn)設(shè)計和網(wǎng)關(guān)設(shè)計，以下分別為節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計原理。

    本設(shè)計節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)MCU均采用STM32W108芯片(如圖2所示)，該芯片是一個基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的MCU與無線射頻(RF)結(jié)合的SoC，內(nèi)部既有一般的MCU通用資源和外設(shè)，也有特殊的射頻模塊。該芯片集成了符合IEEE 802．15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz收發(fā)器，具有很強(qiáng)的處理能力。Zig Bee協(xié)議棧封裝在EM250芯片中，STM32W108通過全雙工UART與EM250進(jìn)行通信，以實現(xiàn)組建無線網(wǎng)絡(luò)和無線數(shù)據(jù)傳輸。
2．1 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計
    由圖3可知，節(jié)點(diǎn)硬件主要分為五個部分：控制器模塊、射頻模塊、電源模塊、傳感器電路和繼電器模塊。其中，一控制器模塊上面已經(jīng)說明，采用STM32W108處理器。射頻模塊主要有3個部分組成：一個外置50／100阻抗匹配變壓器，實現(xiàn)STM32W108最佳負(fù)荷；一個由電感、電容組成匹配網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化RF性能；一個帶通濾波器，處理傳導(dǎo)諧波。電源模塊中，節(jié)點(diǎn)用電取自原燈具用電，為220AC轉(zhuǎn)5VDC。傳感器模塊包含兩個傳感器，一個是光亮度傳感器DLS305I，另一個是紅外線傳感器器LHI778。繼電器模塊由AIKS ARM2F-L繼電器組成。

2．2 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計
    圖4為網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計，與節(jié)點(diǎn)硬件不同的是，網(wǎng)關(guān)硬件增加了一個RS232／485接口電路，用于與上位機(jī)進(jìn)行通信，能夠把全網(wǎng)信息在組態(tài)網(wǎng)上顯示；兩個按鍵中，一個用于對STM32W108控制器進(jìn)行復(fù)位，另一個用于對RS232／485接口進(jìn)行切換；另外，LCD顯示單元，用于顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)建立狀態(tài)和無線數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    系統(tǒng)主要有節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計和網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計，本文以節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計為例進(jìn)行說明，節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計主要分為三部分：系統(tǒng)初始化、建立網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)處理，當(dāng)程序開始運(yùn)行時，首先進(jìn)行MCU處理器配置、中斷等初始化，然后由EM250協(xié)議棧建立樹形無線網(wǎng)絡(luò)，這樣處在一定區(qū)域的節(jié)點(diǎn)便形成了子網(wǎng)落hub。然后程序進(jìn)循環(huán)掃描，程序首先等待無線接收數(shù)據(jù)中斷和定時器中斷，如果無線接收數(shù)據(jù)中斷產(chǎn)生，則MCU開始處理接收到的無線數(shù)據(jù)；如果定時器中斷產(chǎn)生，程序開始采集傳感器數(shù)據(jù)，然后發(fā)送給MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，之后進(jìn)行發(fā)送無線數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?br />     ZigBee以一個個獨(dú)立的工作節(jié)點(diǎn)為依托，通過無線通信可組成星形、串(樹)形或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。由于本系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)均為固定節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)均屬于一個特定的網(wǎng)絡(luò)，所以本設(shè)計選擇樹形網(wǎng)絡(luò)，如圖6所示。

    在樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，有一個唯一的標(biāo)識符即網(wǎng)絡(luò)號(PAN標(biāo)識符)。利用PAN標(biāo)識符采用16位的短地址進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的通信，并可激活網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的通信。每個網(wǎng)絡(luò)中都有唯一的一個協(xié)調(diào)器(Coordinator)，具有對本網(wǎng)絡(luò)的管理能力。網(wǎng)絡(luò)中的全功能節(jié)點(diǎn)可作路由器。協(xié)調(diào)器以終端節(jié)點(diǎn)來使用，而半功能節(jié)點(diǎn)只能用于終端節(jié)點(diǎn)使用。

5 結(jié)論
    本設(shè)計基于ZigBee無線通信協(xié)議，對一定區(qū)域內(nèi)的燈光實現(xiàn)智能管理，從而達(dá)到節(jié)約電能的目的。
    在本設(shè)計的驗證階段，以10間教室為實驗對象組成一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)，以一個月為實驗時間段，然后對主控室所存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，得出用電情況和用電量；再以一個月為時間段，在不采用本設(shè)計的情況下，仍以相同教室為統(tǒng)計對象，得出用電情況和用電量，通過分析比較，得出使用本設(shè)計有效地節(jié)約了電能的結(jié)論，從而驗證了本設(shè)計的可行性。