作者：袁聪 | 字数：3253 | 阅读：

摘 要：能源是二十一世纪的主体，就目前大多数高校而言虽然照明设备可以按作息时间自动关停，但照明亮度无法随光强自动调节；；学校整个照明系统开关控制需要人位操作，不能上位机操作没法统一管理。基于此背景，智能照明系统应运而生。LED与无线传感网络技术给照明系“智能化”的数字家园带来了广阔的应用空间。

本文着重对学校教室内的智能照明控制系统进行了研究，控制对象采用白光LED灯，并集成恒流驱动与PWM脉冲调光技术，完成根据光强变化PWM线性调光。采用CC2530芯片与Zigbee无线传感网络技术完成控制，并与网状拓扑结构的Zigbee2007协议栈结合而，采集LED照明现场的环境参数，实现点对点通信， 通过CC2530芯片逻辑判断与智能分析，实现根据外界光强变化智能调节LED光照强度等功能。对完成这些功能的所需的关键技术Zigbee的组建以及实现进行了探讨。

关键词：学校照明， ZigBee，无线传感网络，白光LED，智能照明，CC2530

1 ZigBee节点主控芯片的选取

本课题无线通信网络节点硬件电路选取了CC2530为核心芯片，其是由挪威的Chipcon公司生产的符合2.4GHz射频系统的ZigBee技术的单芯片，用于各类 ZigBee 无线网络节点，包括协调器、路由器和终端设备等。CC2530 芯片内部集成了 ZigBee 射频（RF）前端、存储器和微处理器。它内部集成了1个8位8051处理器，还含有1个16位和2个8位定时器（Timer）、模数转换器（ADC）、看门狗（Watchdog-timer）、AES-128 协同处理器、上电复位电路、掉电检测电路及21个可编程的输入/输出（I/O）口等。其中的RF无线收发电路符合IEEE802.15.4标准协议的2.4GHz频段，其具有高灵敏度无线接收能力和强抗干扰能力。

2 ZigBee节点收发电路

CC2530 芯片只要外接很少的部件就可以实现信号的收发功能，如图3—2所示。电路采用了一个非平衡天线，连接一个非平衡变压器目的是为了让天线性能更好。电路中的电感、电容及一根PCB微波传输线组成了非平衡变压器，整个电路满足 RF 输入/输出匹配电阻（50Ω）的要求。内部 T/R交换电路任务是完成 LNA 和 PA 间的交换。偏置电阻主要用来提供一个合适的工作电流给 32MHz 的晶振。32MHz 的石英谐振器（XTAL2），电容 C331 和 C321 组成了 32MHz 晶振电路。32.768 kHz 的石英谐振器（XTAL1），电容 C221 和 C231 构成了 32.768 kHz 的晶振电路。所有 1.8 V 电压引脚和内部电源均有电压调节器供电，电容 C401为去藕合电容，用作电源滤波以稳定电压，提高芯片工作的稳定性。

3 Zigbee协议栈

ZigBee协议栈由物理层（Physical layer，PHY）、媒体接入控制层（Media AccessControl，MAC）、网络层（Network layer，NWK）和应用层（Application layer，APL）构成。协议栈每层都是为其上层提供服务接口，上层调用下层函数时很方便。ZigBee技术符合无线个人区域网IEEE 802.15.4协议标准，PHY层和MAC层都符合IEEE 80.15.4协议标准，这些标准都是由IEEE协会制定的。网络层、安全层和API是由ZigBee联盟制定的，应用层可由用户自定义。

ZigBee标准协议定义了868/915MHz和2.4 GHz两个物理层标准。物理层定义了物理无线信道和 MAC 层之间的接口，由两个服务点（SAP）提供 PHY 数据服务与 PHY 管理服务：a.为 PHY 层提供数据服务，是通过 PHY 数据服务接入点（PD-SAP）来实现的；b.为 PHY 管理提供服务，这是通过 PHY 管理实体（PLME）服务接入点（PLME-SAP）来实现的。所以物理层有开关收发器、链路质量指示、信道能量检测、信道空闲评估、信道选择及通过物理介质收发数据包等六大功能。

MAC 层经两个服务访问点提供了两种服务，即 MAC 数据服务和 MAC 管理服务，分别通过 MAC子层公共部分的服务访问点（MCPS-SAP）和 MAC 子层管理实体服务访问点（MLME-SAP）实现。MAC数据服务的 MAC 协议数据单元（MPDU）的收发通过使用 PHY 数据服务来实现，MAC层的管理服务即维护MAC层信息数据库。MAC层处理所有PHY层无线信道的接入，主要实现信道访问机制的维护、数据通信、网络管理及安全机制四类功能。

网络层（NWK）主要功能为提供一些必要的函数，确保ZigBee的 MAC 层正常工作，且为应用层提供合适的接口。网络层需有 NWK层数据实体（NLDE）和 NWK 层管理实体（NLME） 两个功能服务实体。MAC 层公共子层服务接入点（MCPS-SAP） 与 MAC 层管理实体服务接入点（NLME-SAP）都是为 MAC 层提供接口的，NWK数据实体服务接入点（NLDE-SAP）和 NWK 管理实体服务接入点则为应用层提供接口。

4 ZigBee网络拓扑结构

在 ZigBee无线网络中，设备角色可定义为协调器（Coordinator）、路由器（Router）和终端节点（End Device）三种。三种设备的硬件电路结构相同，主要区别为 ZigBee协议栈应用层对其定义的不同。ZigBee 协议从能力上还定义了全功能设备（Full Function Device，FFD）和精简功能设备（Reduce Function Device，RFD）两种。FFD 可担任网络中三种角色的任一种，而 RFD 只能为终端设备。

ZigBee协议栈网络层定义了星型、树状和网状网三种拓扑结构。星型结构：协调器在中心发挥协调作用，所有节点只与协调器通信，协调器必须是 FFD，其它设备可以是完 FFD，也可以是 RFD。簇树状网：协调器在中心其协调作用，网络中有多个路由器和终端节点，远距离终端节点只能经过路由器才能与协调器通信，路由器都为FFD，终端节点可为 RFD 或 FFD。网状网：以协调器为中心，网络中存在多个路由器和终端设备，任意两个路由器可互相通信，终端节点则只能经路由器与协调器通信，其实树状网为网状网结构的一个特例。

5 无线网络的组建

ZigBee 网络中的各节点组网或入网流程，，第一个全功能设备被成功的上电激活后，首先进行所有物理层信道能量扫描，检测一些可能的干扰，并对已检测到的有效信道按能量值进行排序。然后再主动扫描一次以选择一个最佳信道确定为当前工作信道。成功建立的第一个网络节点即协调器节点，在MSSTATE_LRWPAN 协议栈定义中，在网络建立过程中不对此节点进行信道扫描，可直接根据天线的设计频点使用指定的信道进行通信，目的是为了让通信效果达到最佳。网络建立后，其它所有节点（FFD 或 RFD）均可作为网络中的子节点发送入网请求，去寻找在自己通信范围内的网络，若找到了网络，节点会根据获取的网络信息选择一个父节点发送入网申请信号，并等待父节点的允许请求响应。父节点经过判断后，若父节点允许其加入，将发出请求响应信号，通知子节点。子节点收到请求响应信号后，父节点将会分配它的一个网络地址（短地址）作为其在在网络中的唯一身份标识符，至此节点则成功的加入了网络。第一个激活的 FFD 节点作为网络里的一个协调器广播信标帧，与其同时其也接受新节点的入网请求，种方式一级级的进行短地址分配，即可完成网络内所有节点的组网。

参考文献

[1]李智华、周峰等，基于Zigbee的LED智能照明控制系统，现代建筑电气.2013.4.6

[2]汤镇辉、张正明，基于CC2530的Zigbee无线路灯节能智能监控系统，微型机与应用，2011