基于ZigBee和Android技术的无线智能照明系统的设计和研究
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【摘 要】一部《穹顶之下》让环保话题又重新成为了公众的焦点，当今社会经济快速发展，传统的照明方式已经不能满足人们的物质文化追求，人们希望有一种更加便捷舒适的，智能化的照明方式。在这样的背景下，本文设计了一套系统，以时下最流行的Android技术和紫蜂（ZigBee）相结合，以cc2530为核心器件，实时采集现场的环境参数，通过手机作为系统控制终端，能随时随地，智能环保的的控制家居照明。
【关键词】ZigBee Andriod 智能照明
课题：
1、2014SYJG011吉首大学实验教改校级重点课题
2、JDLF2014006实验室开放基金项目
1、系统的总体设计思路
本文构建了以ZigBee组网为核心的智能家居照明，分为两个模块： 一个模块包含不同功能的传感器和信号发射器称为发射模块（也称终端节点），传感器节点主要是采集数据，并发送给接收模块（也称协调器）； 第二模块为接收模块，主要接受来自终端节点和Android 控制端的数据，并且向终端节点发送命令数据，向 Android 控制端发送室内信息数据.编写Android客户端，编写上位机。通过本文只在构建以Andriod智能控制的，基于zigbee通信的智能家居照明系统，其结构图如下：
图1 智能照明系统结构示意图
本系统主要由三个部分组成： ZigBee组网、PC机、android 智能终端。能够能够采集室内的温度、湿度、气体是否异常、有无人员流动等信息并且反馈到PC机以及Android 终端手机上。用户能够通过这些信息，通过Android 终端能实现较远距离地控制灯光开关、插座通断、空调的开关。从而达到真正的智能控制，摆脱了传统遥控单一控制、携带不方便、不能实时反馈数据、不能智能处理等局限性。
2、ZigBee协议在智能照明系统的应用。
ZigBee是建立在 IEEE 802.15.4标准之上，由于IEEE 802.15.4标准只定义了物理层（PHY ）协议和MAC层协议，于是成立ZigBee联盟，ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化，还开发了安全层。经过ZigBee联盟对IEEE 802.15.4的改进，这才真正形成了ZigBee协议栈（Zstack）。在ZigBee技术中，PHY层提供两种类型的服务：即通过物理层管理实体接口（PLME ）对PHY层数据和PHY层管理提供服务。PHY层数据服务可以通过无线物理信道发送和接收物理层协议的数据单元（PPDU）来实现。PHY层的特征是启动和关闭无线收发器，能量检测，链路质量，信道选择呢，清除信道评估（CCA），以及通过物理媒体对数据包进行接收和发送；同样，MAC层也提供两种类型的服务：通过Mac管理尸体服务接入点（MLMESAP）向MAC层数据和MAC层广利提供服务，MAC层数据服务可以通过PHY层数据服务发送和接收MAC层洗衣数据单元（MPDU）。MAC层的特征是：信标管理，信道接入，时隙管理，发送确认帧，发送链接及断开链接请求；安全层主要用于ZigBee的LRWPAN 网的组网链接、数据管理异界网络安全等。
3、智能照明系统的实现
3.1 硬件设计
本实验采用的是CC2530芯片，他的特点是数据传输速率低（10KB/秒～250KB /秒），
功耗低（在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用 6～24个月。系统的底板尺寸为 5X5cm 核心板 2.5x2.5cm，设计小巧布局合理，功能强大。串口通讯采用的额是自带转串口工能（PL-203-3），供电采用的是USB，DC2.1 电源座（5V）内正外负. 功能接口采用的是Debug 接口，兼容 TI 标准仿真工具，引出所有IO口。并支持多种传感器即插即用，以及常用的串口引脚、5V、3.3V。功能案件包括了一个复位键，2个普通功能按键组网时可手动入网和退网。LED 指示灯包含有电源指示灯、组网指示灯、普通 LED、串口收发指示灯。实物图如下
图2、底板和核心板实物图
CC 2530结合了一个高性能高集成度的RF收发器，片内集成RAM以及丰富的外设功能，并且支持芯片无线下载和系统编程，CC2530原理图3所示，只需要少量的外不愿见即可工作，因此CC2530是ZigBee理想的专业芯片。
图3、CC2530 的核心板原理图
CC2530的射频电路工作频段为2.40Ghz～2.4835Ghz，一共有16个频道，每5MHz增加一个平道，接收器灵敏度最大到-98dBm，发射输出公路最高为+4.5dBm。CC2530配置有18个中断源，两线制调制接口支持在线调试。内部的RAM，可选择最高到256KB的flash。在器件不工作和CPU空闲的情况下，接收（-100dBm）和发送（1dBM）模式下的电流典型分别24.3mA和28.7mA。芯片有多种工作模式，包含有活跃模式、空闲模式、PM1等，在不同的工作模式下满足不同场合对低功耗的要求，活跃模式是普通的工作模式，而PM1模式有着最低的电流消耗仅为0.2mA。CC2530外设资源丰富，包含了五通道DMA，一个16位定时器和两个8位定时器等
由于发光二极管蜂单向导电性即只有在正向电压（二极管的正极接正，负极接负）下才能导通发光。。P1.0 引脚接发光二极管（D1）的负极，所以 P1.0 引脚输出低电平 D1 亮，P1.0引脚输出亮电平 D1 熄灭。其LED原理图如下
图4、LED电路原理图
3.2、软件设计
软件设计基于CC2530芯片配套的ZStack协议栈和 IAR 集成开发环境。针对ZigBee在家庭网络方面的应用， ZigBee Alli-ance制定专门的应用框架 ， 即ZigBee Home Automation Public Application Profile。 所谓Profile 是对逻辑设备及其接口的描述集合， 是针对某个特定应用的公约和准则 ， 其目的是使不同厂家按照同一个Profile设计的产品之间可以相互操作 、相互替换。ZigBee HomeAutomation Public Application Profile 规定了智能家居中的照明设备 、采暖通风空调设备 、自动窗帘和报警装置的设计规范。本文的无线智能照明系统就是在这个 Profile 的基础上实现的 。
其中协调器的主要两大功能是：建立网络和进行网络管理。ZigBee协调器主要负责建立ZigBee网络，分配网络地址和维护绑定列表。协调器通过扫描一个空闲信道来创建一个新网络，维护一个目前连接设备的网络列表，支持独立扫描程序来确保以前的连接设备能够重新加入网络。协调器节点的程序流程如下图所示。
图5、协调器流程图
协调器完成的功能是对来自主控单元的数据数据发出相应的提示或警告； 同时发送控制命令到主控单元。此部分包括一部 Android 终端智能家居的 App。PC上位机，本组选择在 Android4.0.1版本上进行相应的开发工作。Android 软件功能框图以及上位机的的结构框图如下图所示
图6、Zigbe管理系统上位机以及Andriod端结构框图
4、系统测试
在对整个系统的测试过程中，主要对无线电灯模块以及气体温度等模块进行测试，下终端 S1 键开始上传数据，这时上位机实时显示所有终端的数据，按下灯的按键可以开关灯，同时手机也可以控制，如果想停止上传请再按一下 S1 键。该系统能完成的功能： （ 1） ZigBee 组网成功，网内可以进行点对点的单个终端通信；（ 2） 系统可以检测到环境中的实施温度湿度以及气体是否异常（ 3） PC端通过串口连接协调器，能截取信息并且显示整个系统的状态；（ 4） Android 智能控制端能够实现数据的显示，相关状态的显示、控制命令的发送。本系统总体运行良好，基本达到预期目标。
5、结论
本系统是基于 Android 平台、以ZigBee无线技术为支撑的智能家居照明控制系统。将时下最热门的ZigBee无线技术和 Android 智能操作系统整合，运用到智能家居中，更加契合了人们对家居智能化的要求。本系统能基本完成环境数据监测、无线控制等功能； 并且拥有很多优点，无需布线，可自由摆放节点位置； 低功耗等。
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基金项目：吉首大学2014年度校级科研项目“基于ZigBee和Android技术的无线智能照明系统的设计和研究”；吉首大学实验室开放几经项目“基于图像控制器与实现”。