摘要：针对现有的照明控制系统大多采用有线网络，施工复杂，灵活性不够的问题，设计了一种基于 ZigBee技术设计的无线智能照明系统。该系统采用集射频与微控制器为一体的片上系统JN5148作ZigBee无线网络的核心器件，并结合JENNIC公司的JenNet协议栈和嵌入式Web服务器来实现对室内所有灯节点的开关控制、情景模式转换等功能，通过网关实现远程的控制，从而达到使照明系统更加人性化、安全和节能的设计目的。在深入分析现有智能照明系统的基础上，给出了相应的软硬件设计。
关键词：ZigBee 照明系统 JN5148
中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）09-0149-02
1、引言
传统有线的照明控制系统，布线麻烦，增减设备需要重新布线、系统可扩展性差、系统安装和维护成本高、移动性能差。而随着社会进步，人们对生活水平的要求也在逐步提高，对于生活环境的自动化、智能化要求也在逐步提高，目前，大多数室内照明系统中仍沿用传统的照明控制方式已经难以满足现在社会对高效、自动化、智能化的照明技术的要求。
在传统有线控制的照明系统加入ZigBee无线通信技术，传感器技术，实现网络化和智能化的管理和配置，是实现智能照明系统的理想选择。本文提出了一种基于ZigBee技术并采用嵌入式WEB服务器实现远程控制和管理的室内智能照明系统。
该系统采用JENNIC公司生产的ZigBee模块JN5148构建照明系统的通信网络，在网络中每个的ZigBee节点上可以根据功能需要分别安装和配置照明控制模块，光照度传感器模块或者无线开关模块，在照明系统网络组网后各个节点将设备的信息上报至网关中，用户通过嵌入在网关中的WEB服务器实现对照明系统的集中配置和控制管理。这种设计方案可根据现场施工的实际情况实现照明系统模块化组合，具有工程安装简单，布局灵活的优点。
2、系统设计
ZigBee支持多种网络拓扑结构，包括星型网、网状网和树型网。星型网只有一个网络协调器，连接多个从设备。在实际的应用环境中，复杂环境下的信号衰减可能会使单独一个星形网络可能无法覆盖所有的节点。在网状网中一个节点不但能够发送、接收一条信息，它还具有路由的功能，能有将一条信息转播给它的邻居，通过这种转播信息的功能，在网状网络中的一个数据包可以通过一条传播路径最终到达它的目的节点，但是这种方式会加大部分节点的电量消耗，对于使用电池的节点是不可取的。在综合考虑照明应用的前提下，本系统的ZigBee网络采用树型网络结构，根据每个节点上配置的功能模块的不同和供电方式的不同，节点可以分别设置为路由节点或者终端休眠节点，提高系统的适用性。
系统主要由三个主要部分组成，包括带有嵌入式WEB服务器和ZigBee协调器的网关设备，实现数据传输的ZigBee模块和实现照明控制和传感器功能的功能模块，系统的结构如图1所示：
其中网关设备是整个系统的核心，网关中的ZigBee模块作为协调器，负责ZigBee网络的组网并向网络中的其他节点发送数据或从其他节点接收数据。与ZigBee模块连接的以太网控制芯片ENC28J60可实现外部网络连接，同时在网关的ZigBee模块中搭建嵌入式WEB服务器，用户通过登录访问网关中的WEB页面实现对照明系统的配置和控制。ZigBee网络中的节点由ZigBee模块和功能模块通过模块化组合搭建，可实现照明灯光的控制，光照度信息的采集或者作为无线开关。
照明系统的控制策略是其智能性的主要体现，其设计的合理性，直接影响到用户的舒适体验。智能照明系统中共设计了人工控制，场景模式和时间模式三种工作模式。其中，在人工模式下，照明系统的灯光控制终端可以通过ZigBee网络中的无线开关节点直接控制，或用户通过互联网访问网关中的WEB服务器，在服务器中的远程控制界面中操作，这样就可以很方便的对所有灯光进行控制，人工模式具有最高优先级，以便在紧急状态下，用户能够直接控制照明设备。在场景模式下，用户通过网关中的WEB页面对灯光的应用场景进行配置，各灯光控制终端和光照度传感器终端联合工作，按照预先设定的场景执行，实现照明的自主控制。也可以通过在网关上设置时间程序，来确定某个照明设备在特定时间的开或关。通过这三种控制策略，大大提高了照明系统的智能化程度。
3、硬件设计
JN5148是由Jennic公司（现已被NXP收购）生产的一系列超低功耗，高性能无线SOC表面贴装模块，使用户能够实现产品最低的上市时间和最低的成本，不再需要昂贵的漫长的开发自定义的RF电路板设计和测试套件。该模块采用Jennic的JN5148无线微控制器提供一个全面的解决方案，具有大容量存储器，高CPU和无线电性能和所有的射频组件包括在内。其内部包含一个32位的RISC结构CPU，具有128KB的ROM和128KB的RAM，同时提供513KB的Flash用于程序和数据的存储，同时JN5148系列模块也提供了丰富的外部接口，包括至多可达21个DIO，4个12位的ADC，2个12位的DAC，2个比较器，3个Timer，2个UART，SPI接口等。用户只需要开发和制造与模块连接的电源和外围设备，如开关，执行器和传感器，大大简化产品发展。
本系统的网关设备由ZigBee模块JN5148，以太网控制芯片ENC28J60，供电电路，指示灯等部分组成，ZigBee模块与以太网控制芯片通过SPI接口连接，通过内置在ZigBee模块中的简化TCP/IP协议栈实现与以太网的数据传输。
为了方便部署，节点设备采用模块化的结构形式，每个节点设备都包括一个ZigBee模块，此模块负责ZigBee网络的数据通信。ZigBee模块上根据用户的部署需求可单独或组合安装照明控制模块，光照度传感器模块或者无线开关模块。
4、软件设计
本系统采用Jennic公司开发的基于IEEE802.15.4标准的JenNet协议栈，开发人员仅需要设计各个节点的应用层软件。 网关和功能节点的程序流程分别如图2、图3所示.
网关上电后进行系统初始化工作，协调器完成扫描信道、设置PANID、等待终端节点加入等一系列工作建立ZigBee网络。等待网络组建完成后，网关依次扫描是否有用户通过网络访问WEB服务器、系统是否进入自动控制模式或终端节点是否有数据上报，并根据不同的模式分别执行相应的程序。当用户使用浏览器远程登录到WEB服务器上时，以表单的形式向网关发送控制信息，WEB服务器通过CGI（通用网关接口）获得此信息后进行处理，将信息转换成能够在ZigBee网络内部传输的数据帧，与数据帧相匹配的节点接收这个信息，这样用户就可以实现对特定的设备进行控制。或者网关从ZigBee网络中接收到光照度传感器或者无线控制开关发送来的数据，根据预设的条件控制灯光的开关并更新WEB服务器中的表单数据供用户访问查看。（如图3）
ZigBee网络中的功能节点上电后，首先完成初始化工作， 然后搜索指定网络并加入。加入网络后首先节点主动上报节点的设备信息，然后接收网络中协调器发送的配置命令，并根据终端上安装的设备类型和配置信息分别以休眠，周期唤醒或持续工作的模式运行。例如安装了照明控制模块的节点将会以持续工作的模式运行，减少接收用户发送的远程控制命令或者ZigBee网络内无线开关节点发送来的控制命令的时间；而安装了光照度传感器模块的节点以周期唤醒的模式工作；安装了无线开关模块的节点以休眠的模式工作，尽量减少设备的电量消耗。
5、结语
ZigBee作为针对近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的应用开发的无线网络技术，有效弥补了对应无线通信市场的空缺，在业界得到了广泛地研究和应用。本系统采用JN5148模块为核心部件组建，具有易于部署、使用方便的特点以较低的成本提高了照明系统的信息化、智能化程度。
参考文献
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