基于ZigBee技术的智能楼宇节能控制系统
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【摘要】本文首先介绍了ZigBee技术简介，最后介绍了系统的硬件、软件设计。
一、前言
ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低复杂度的无线网络技术;随着我国物联网正进入迅速发展期，ZigBee也正逐步被越来越多的用户接受，并且也已在部分智能传感器场景中进行了应用。建筑技术与信息技术的相互渗透，相互结合和迅猛发展，产生了新的建筑类型――智能楼宇。
二、ZigBee技术简介
ZigBee是一个低成本、低功耗的无线网络标准，它的低成本使之能广泛用于无线监控方向的应用;它的低功耗使之能有更长的工作周期;它所支持的无线网状网络使之能有更强的可靠性和更广的覆盖范围。
ZigBee协议的物理层和MAC层直接采用的是IEEE802.11.4的标准，即物理层（PHY）采用直接序列展频（DirectSequenceSpreadSpectrum，DSSS）技术，以化整为零的方式将一个信号分为多个信号，再经由编码方式传送信号，避免干扰。在媒体访问控制层（MAC），主要是沿用IEEE802.11系列标准的CSMA/CA方式，以提高系统兼容性。ZigBee的高层协议则由ZigBee联盟所主导，定义了网络层（NetworkLayer）、安全层（SecurityLayer）、应用层（ApplicationLayer）及各种应用产品的资料（Profile）。
ZigBee网络由可多到65000个无线数传模块组成一个无线数传网络平台，十分类似于现有的移动通信的CDMA或GSM网络。在整个网络范围内，每个ZigBee网络数传模块类似于移动网络基站，网络节点间可以相互通信，通讯距离从标准的75米可扩展到几百米甚至几千米，并且支持无限扩展。同时整个ZigBee网络还可与现有的其他网络进行相互连接和互相通信。但和CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee网络主要是为传输自动化控制数据而建立，而移动通信网CDMA网或GSM主要是为语音通信而建立;移动通信网的每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个ZigBee“基站”却不到1000元人民币，所以具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。另外每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个ZigBee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD）无线连接。
三、系统的硬件、软件设计
由于ZigBee无线网络包含大量的传感器节点，而各个节点基本都是用携带能量有限的电池来供电，因此为每个节点设计的硬件电路应尽可能减少电能的消耗。信号采集终端节点的主控芯片采用TI公司的CC2530低功耗射频芯片，该芯片支持ZigBee协议的SOC解决方案。路由器节点主控制芯片采用TI公司的MSP430F435低功耗单片机，它可以与ZigBee射频芯片CC2530通过SPI缝连接，方便路由器节点的实时监测控制。
1、硬件电路图
（一）、信号采集终端节点硬件设计
信号采集终端节点采用德州仪器的ZigBee无线射频芯片CC2530，它具有以下特点：（1）、RF/布局：适应2.4GHzIEEE802.14.4的RF收发器，极高的接收灵敏度和抗干扰性能，可编程的输出功率高达4.5dBm，只需极少的外接元件，只需一个晶振即可满足网状网络系统需要;（2）、低功耗：主动模式RX（CPU空闲）工作电流为24mA，主动模式TX1dBm（CPU空闲）工作电流为29mA，4μs唤醒（0.2mA），睡眠模式（1mA），宽电压范围（2V-3.6V）;（3）、微控制器：优良的性能和具有代码预取功能的低功耗8051微控制器内核，32，64或128KiB的可编程闪存，8KiBRAM具备在各种供电方式下的数据保持能力，支持硬件调试。（4）、外设：强大的5通道DMA，通用定时器（一个16位定时器，一个8位定时器），具有捕获功能的32kHz睡眠定时器，电池监视器和温度传感器，具有8路输入和课配置分辨率的12位ADC，2个支持多种串行通信协议的强大USART，21个通用I/O引脚。
信号采集终端节点硬件主要包含无线射频芯片CC2530、温湿度传感器SHT21（盛世瑞恩公司的温湿度传感器系列）、光照传感器和人体红外传感器XSC-ME003。硬件电路图如图4所示。
SHT21是Sensirion公司新一代的温湿度传感器，完全校准的数字输出，数字信号输出，I2C接口，低功耗，它具有极高的可靠性、抗干扰性和稳定性。SHT21配有一个全新设计的CMOSens芯片、一个经过改进的电容式湿度传感元件和一个标准的能隙温度传感元件，其性能已经大大提升甚至超出了前一代传感器（SHT1x和SHT7x）的可靠性水平。SHT21的分辨率可以通过输入命令进行改变（8/12bit乃至12/14bit的RH/T），传感器可以检测到电池低电量状态，并且输出校验和，有助于提
高通信的可靠性。由于以上特性，SHT21温湿度传感器被广泛应用于数据记录、家电产品、自动控制、测试及检测设备等多种领域。光照传感器（Photo-sensor）是一种光电导器件，具有光电导效应，受到光辐射以后，电导率会发生变化，引起其电阻值发生相应的变化，入射光变强，则电阻变小。电路采用分压方式进行，采集传感器的电阻在亮暗之间的变化的电阻分压值。
它通过CC2530自带的ADC转换通道进行AD转换，得出光照强度。人体感应模块采用XSC-ME003，其工作电压为DC4.5-20V，该传感器模块可全自动感应，即当人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。其输出管脚与CC2530的P0.0管脚相接，配置CC2530的P0.0口的I/O外部中断功能，有上升沿脉冲来临的时候，外部中断唤醒，进行相应的数据处理，并将数据发给路由器节点。
（二）、路由节点硬件设计
路由器节点主控制芯片采用德州仪器的低功耗单片机MSP430F435，它的主要参数如下：（1）低电压供电：1.8V-3.6V;（2）超低功耗：活动模式：在1MHz2.2V情况下工作电流为280μA，待机模式1.1μA，掉电模式（RAM数据保持）0.1μA;（3）5种省电模式;（4）从待机到唤醒模式响应时间不超过6μs;（5）16位精简指令系统，指令周期为125ns;（6）12位A/D转换，具有内部参考电压，采样和保持以及自动搜索功能;（7）带有3个捕获/比较寄存器的16位定时器;（8）片内比较器;（9）串行通信接口（USART），选择异步UART或同步SPI软件通信;（10）掉电检查;（11）集成LCD驱动器，最多160段。
路由节点硬件电路图主要包含单片机MSP430F435最小系统、CC2530无线收发模块、液晶显示模块、AT24C04存储器和RTL8019AS以太网模块。硬件电路图如图5所示。在图5中，AT24C04是EEPROM存储器，RTL8019AS是以太网芯片。
2、软件设计
建立ZigBee星状网络拓扑结构的软件开发是在TI公司Z-Stack的基础上进行的。程序的主流程图见图6
建立星型网络拓扑要进行信道配置和网络的PANID配置。信道配置：每一个设备都必须有一个DEFAULT_CHANLIS来控制信道集合。
对于一个ZigBee协调器来说，这个表格用来扫描噪音最小的信道。对于终端节点和路由器节点来说，这个列表用来扫描并加入一个存在的网络。例如，需要将当前的信道修改为信道14，修改方法如下所示：
//-DDEFAULT_CHANLIST=0x00008000
//15-0x0F
-DDEFAULT_CHANLIST=0x00004000
//14-0x0E
网络的PANID配置：这个可选配置项用来控制ZigBee路由器和终端节点要加入哪个网络，即给节点分配网络ID号。Z-Stack工具中的ZDO_CONFIG_PAN_ID参数可以设置为一个0～0x3FFF之间的一个值。协调器使用这个值，作为它要启动的网络的PANID。而对于路由器节点和终端节点来说只能加入一个已经用这个参数配置PANID的网络。如果要关闭这个功能，只要将这个参数设置为0xFFFF。
例如，需要修改PANID为0x0001，修改方法如下所示：
-DZDAPP_CONFIG_PAN_ID=0x0001
如果-DZDAPP_CONFIG_PAN_ID=0xFFFF表明系统启动后会自己选择一个PANID。由于每个信号采集终端都是采用电池供电，为了使系统节点的寿命得以延长，本系统采用阈值触发机制和睡眠唤醒机制，采用睡眠机制的目的是降低系统节点功耗，可以设置节点的大部分时间都处于睡眠状态，而节点处于睡眠状态的功耗不超过1μA;通过外部异常中断唤醒或定时唤醒，采集传感器数据并发送至路由节点，数据发送完毕之后该节点又重新进入睡眠模式。
四、结束语
智能楼宇的特点有系统高度集成、节能、节省运行维护的人工费用、安全舒适和便捷。建立ZigBee无线传感网，对楼宇各个位置的环境进行实时监控，包括温度、湿度、光照强度和人体红外信息，达到减少楼宇的能耗，并且能让办公环境更舒适。
参考文献
[1]宫周鼎.智能建筑设计与建设[M].北京：知识产权出版社，2010
[2]钟永峰，刘永俊.ZigBee无线传感网络[M].北京：北京邮电大学出版社，2011