CN201766739U - 基于ZigBee与ARM技术的智能家居LED照明系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于照明器材技术领域，涉及一种运用ZigBee技术与ARM、8051相结合的无线智能LED照明系统，所述系统包括无线网关、路由、终端节点、调光模块与LED灯具。系统工作时，无线网关负责建立、维护网络并向终端节点传递命令；路由负责传递网关与终端节点之间的信息；终端节点负责将命令信息转换为脉冲宽度调制信号；调光模块负责将接受的脉冲宽度调制信号转换为电流驱动LED发光。本实用新型基于ZigBee技术，实现了智能家居照明的功能，具有高可靠性、使用方便、价格低廉和节约能源的特点。

Description

基于ZigBee与ARM技术的智能家居LED照明系统

技术领域

本实用新型属于照明器材技术领域，涉及一种运用ZigBee技术与ARM、8051相结合的无线智能LED照明系统。

背景技术

目前，传统的照明开关只具有单一的开关功能，对于灯光的照明时间、照明强度与色彩变化的均不能调节，严重制约人们生活质量的提高。无线通讯技术由于其远程控制、不需要布线的优点在各个领域得到广泛的应用。其中ZigBee技术相对于红外无线技术IrDA、蓝牙与WLAN等常用的无线通讯技术因为其功耗低、成本小、组网复杂度低和安全性好的优点尤为适合家居照明系统。在控制芯片方面，ARM芯片由于其强大的数据运算处理功能极好的满足了控制网关系统的节点管理和数据处理要求。而8051由于其低成本的特点十分适合终端节点的应用，极大的减少了成本。通过ZigBee技术与控制芯片的相结合，可以实现远程照明控制、照明时间控制及照明色彩控制。LED作为一种新型的照明解决方案，因为其照明亮度高、能源消耗极低的特点逐渐得到人们的重视，是未来照明系统发展的趋势。本实用新型将ZigBee技术、芯片控制技术与LED技术相结合提出的智能家居照明系统，满足了人们对家居生活照明质量的要求，极大的节约了能源，实现了家庭生活信息化。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种运用ZigBee技术实现的适用于家居中的低成本无线智能照明控制系统。

为解决上述问题，本实用新型采用如下的技术方案：一种基于ZigBee与ARM技术的智能家居LED照明系统，包括ZigBee网关、至少一个ZigBee路由器、多个终端设备，所述的终端设备包括ZigBee终端节点、调光模块和LED灯具，其中，

ZigBee网关包括数据处理模块相互连接的无线发射/接收模块，所述的数据处理模块由ARM处理器及其外围器件构成，通过无线发射/接收模块接收传输过来的数据和指令，对其进行运算处理，将处理好的数据再通过无线发射/接收模块发射出去，以实现无线网络的建立、维护、节点的加入、拆除与数据的传输功能。

ZigBee路由器：包括路由微处理器和与其相连的无线发射/接收模块，用于路由表建立与维护，在无线网关与所辖终端节点之间的传输数据。

所述的终端节点：包括终端微处理器和与其相连的无线发射/接收模块，用于接收由ZigBee路由器所传输的ZigBee网关的命令，产生脉冲宽度调制信号。

调光模块：连接LED灯具与终端节点，将脉冲宽度调制信号转换为电流信号驱动LED灯具。

所述的路由器微处理器和终端微处理器均可以采用8051芯片。

本实用新型相较于市场存在的其他类似实用新型而言，具有如下的优点：(1)采用不同控制芯片控制不同系统部件，其中：无线网关采用ARM处理器，具有复杂数据运算处理能力，能够实现较复杂功能；路由器、终端节点采用8051芯片，在满足功能的同时节省了成本。(2)对于脉冲宽度调制信号的产生采用了脉冲宽度调制专用输出与软件循环定时两种方法，实现了一个终端节点可以控制两盏LED的效果，进一步缩减了成本。(3)与采用LED作为终端灯具的方法，实现了成本的极大缩减和能源的节约。总之，本实用新型具有高可靠性、使用方便、价格低廉和节约能源的特点，是一种优良的家居照明解决方案。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构布局和组网方式。

图2是该系统的总体系统流程图。

图3是该系统无线网关流程图。

图4是是该系统终端节点流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

本实用新型的整体组网采用树状簇型结构，即以每一个房间为一个单元，房间内的每一盏灯作为一个终端设备，每一个房间设置一个路由器用以与无线网关通讯并向房间内每一个终端设备转发数据。具体拓扑情况如图1所示。本系统包括的主要模块有ZigBee网关、ZigBee路由器、ZigBee终端节点、调光模块和LED灯具。无线系统之间通过ZigBee技术进行数据和命令的传递。由一个ZigBee终端节点、一个调光模块和一个LED灯具构成一个终端设备，其中无线网关与终端设备都配有一块液晶屏用来显示数据处理的信息。

ZigBee网关：负责无线网络的组建和维护、节点的申请和加入处理、节点的路由分配处理、节点的移除处理、数据的采集、处理与发送等功能。

ZigBee路由器：负责路由表的维护、传送终端节点与网关的命令与数据的功能。

ZigBee终端节点：负责接收网关通过路由发送过来的命令和数据，并根据相应的命令和数据进行处理，产生对应的脉冲宽度调制信号(PWM)发送给调光模块进行灯光的控制，并向网关返回相应的信息。

调光模块：负责接收终端节点产生的脉冲宽度调制信号并根据此信号产生不同的电流驱动LED灯光发光，实现不同的照明功能。

其中ZigBee网关分为数据处理模块与无线发射/接收模块。数据处理模块的处理核心采用ARM模块，负责接收无线发射/接收模块或者控制台传输过来的数据和指令，对其进行运算处理，将处理好的数据再通过无线发射/接收模块发射出去实现网络的建立、维护、节点的加入、拆除与数据的传输功能。无线发射/接收模块负责采集无线电中的数据，并将采集到的数据进行解码，解码之后根据ZigBee协议栈对数据进行处理，将处理好的数据通过串行口发送给ARM模块进行进一步处理。当无线发射/接收模块接收到ARM处理好的数据后，通过ZigBee协议栈将数据转换为ZigBee协议规定的格式并进行编码，将编好的数据通过发射器发射出去。

ZigBee终端节点同样分为数据处理模块与无线发射/接收模块。其中无线发射/接收模块与网关相同。数据处理模块采用8051芯片，负责将无线发射/接收模块传输过来的数据进行处理，转换成脉冲宽度调制信号，发送给调光模块，如果处理出错，则产生处理错误的信息，通过无线发射/接收模块经过路由模块传回给无线网关系统。

本实用新型采用由无线网关负责组建和维护网络，终端节点加入网络的模式。

首先对无线网关进行描述：

无线网关上电后，首先进行初始化ARM与ZigBee系统并启动ZigBee协议栈，将自身定ZigBee网关。

协议栈启动后，开始进行网络组建过程，其中包括：

1.探测所在区域内是否还有其他网关存在，如果没有其他网关存在，则选择一个网络ID继续组网过程。如果存在其他网关，则向所存在的网关发出获取其网络ID的请求，获得其网络ID后，选择一个非此ID的网络ID作为本网络的标识符组建网络。

2.获取网络ID后，无线网关进入允许接入状态，具体操作为无线网关不断发射允许接入指令，指令中包括网络ID号与无线网关自身的地址。

3.当接收到有节点加入的请求后，网关根据其所在位置和IEEE地址为其设定网络地址，分配路由，形成一个新的节点，并向该节点发送确认绑定的信息。如果网关没有可用的网络地址时，向申请加入的网络终端节点发送拒绝绑定的信息。

4.当接收到有节点请求移除后，网关首先获取该节点的地址，然后寻找该节点所在的路由，将该节点的地址从路由表中移除，然后将该节点的地址回收，完成节点移除过程。

然后对终端节点进行描述：

终端节点上电后，首先首先进行初始化8051与ZigBee系统并启动ZigBee协议栈，将自身定ZigBee终端节点。

协议栈启动后，终端节点开始进入加入网络过程，其中包括：

1.探测所在区域是否有ZigBee网络存在，如果不存在，则在液晶屏上显示无网络存在的信息并进入休眠状态以节省功耗，周期性的探测网络，如果探测到存在网络，则离开休眠状态进入到加入网络状态。如果存在网络，首先获取网关发出的允许接入的信息，从中获取网络ID和网关地址。

2.根据所获得的网络ID和网关地址向网关发送自己的IEEE标识符和申请绑定的请求。

3.收到无线网关为其分配的地址信息和确认绑定的信息后，形成新的节点。如果收到拒绝绑定的信息后，终端节点将无法加入的信息显示在液晶屏上并进入休眠状态，周期性的申请加入。

本实用新型采用由无线网关通过键盘采集指令输入，将命令经过处理后通过无线模块发射给相应的无线终端节点、终端接收到指令后，根据相应的指令进行灯光的控制和调节的方法。

具体方案如下：

无线网络组建完成后，无线网关首先扫描按键输入。当采集到有按键输入后，首先获取命令信息，命令信息包括：要控制的灯光节点地址和功能设定信息。功能设定信息包括：灯光的开关、灯光的定时调节、灯光的亮度调节和灯光的色彩调节。

进一步说，灯光的亮度调节设定为高亮、柔和与昏暗三个模式；灯光的色彩调节设定为红色、蓝色、绿色、紫色、白色、粉色和橙色七个模式。

当网关接收到信息后，对该信息根据ZigBee协议栈的规定进行相关的处理，使其符合ZigBee协议的要求，然后通过发射模块发送给相应的终端节点，实现控制命令的传输。

当节点接收到网关传送来的控制信息后，将信息中的地址与自己的地址进行比对，如果与自己的地址不符合则抛弃该数据，如果确认是本节点的数据，则对该数据进行处理。

进一步说，节点根据数据中的命令进行相应的处理，如根据灯光开关、亮度、定时和色彩的不同分别产生不同的脉冲宽度调制信号来控制灯具产生不同的效果。

调光模块接收到不同占空比的脉冲宽度调制信号后，根据占空比来控制产生通过LED电流的大小，从而控制LED灯具。

对于功能设定方面，由于不同的房间所具有的职能不同，所以对每一个房间的终端设备所具有的功能进行分别设置。总体上来说，要求房间内所有的终端设备可以对LED进行开关控制及亮度调节。

为了方便和快速进行调节，在遥控面板上还加入了不同功能的快捷设定：

亮度设定为昏暗程度、柔和程度和超明亮程度。

情景模式可以设置七种颜色模式。

智能调光：开灯时，灯光亮度由暗逐渐变亮；关灯时灯光亮度逐渐由明变暗。有利于保护力及延长灯泡寿命。

延时功能：当按下延时按键后，所有灯光将在一定时间后全部关闭。

全开全关：实现一键控制全部灯光的开关功能。

温度调光：采用温度传感器采集室内温度，通过I2C总线将数据传给终端设备，终端设备根据室内温度调节灯光亮度。

亮度调光：采用光敏传感器采集市内照明亮度，通过ADC传给终端设备，终端设备根据市内亮度调节灯光亮度。

此系统的总体的软件流程图如图2。该流程图从电路的整体功能上概括的说明了整套系统所能实现的功能。即通过发送模块发送指令，接收模块收到指令以后对其进行解码，从而控制LED等的情景变化和亮度变化。该软件流程图清楚简单的描述了系统的整个工作情况。

图3、图4表示了具体部件的工作流程。

系统上电后，首先进行一系列初始化功能，包括对液晶显示屏、按键、无线模块、定时器及UART接口进行初始化。

初始化完成后，系统会启动组建网络的功能。对于无线网关方面，首先会发送StartZBNwk(COORDINATOR，NWKpanID)函数来向无线模块中写入指令来启动ZigBee协议栈，其中COORDINATOR是器件类型，表示此器件作为无线网关使用，而NWKpanID是此网络的网络ID。路由器方面会进行同样的操作，不同的是函数中设备类型参数为ROUTER。同理，终端设备的参数为ENDDEVICE。

协议栈启动后，系统会利用GetDeviceInfo(DEVICE_SHORT_ADDR)；函数来获取无线模块通过UART向ARM核发送的设备信息，其中DEVICE_SHOR_ADDR参数是无线模块的16位短地址。获取地址成功后，系统会将信息显示在液晶屏上，完成上电启动过程。

上电启动完成后，系统进入组网绑定状态。首先系统会调用ZB_APP_REGISTER_REQUEST()函数来对ZigBee寄存器写入配置，命令代码为Cmd 0：0x26、Cmd1：0x0a。然后会调用ZgBeeAllowBind()函数来发出允许绑定的命令，命令代码为Cmd 0：0x26、Cmd1：0x02。

允许绑定后，终端设备会调用menudis()函数进行绑定。此函数进行的操作如下：首先扫描按键以获取用户输入的所要绑定的无线网关的地址，然后会调用ZgBeeZDOFindIEEE(bindAddr，0，2)函数来寻找网络中的物理地址，其中bindAddr就是所要绑定到的无线网关的地址，参数0代表获取一个地址，参数2代表索引个数。

获得地址后，系统调用ZgBeeBind(1，add)函数进行绑定并将绑定结果显示在液晶显示屏上。其中命令代码为Cmd 0：0x66、Cmd1：0x01。从而完成组网绑定的功能。

系统完成组网后即可进行数据传输和调光。系统采用ZgBeeSendData()函数来进行数据传输，此函数包含的主要参数有目的地址、命令类型和数据，命令代码为Cmd 0：0x66、Cmd1：0x03。而目的地址与数据均通过键盘扫描用户输入来写入寄存器。

对于调光功能的实现，本实用新型采用脉冲宽度调制方式，即通过输出不同占空比的方波进行不同情景模式的调光。具体实现方式采用while循环中内嵌一个case语句实现，while循环负责检查是否有外部命令到来，每一个case分支对应一个情景模式，当设备接收到调光命令后，就根据命令中的有关情景模式的数据进入到相关的case分支中产生相应的脉冲宽度调制信号，当检查到外部命令来临时则跳出该分支进入相应的分支产生新的情景模式。对于脉冲宽度调制信号的产生有多种产生方式，本实用新型利用专用脉冲宽度调制输出与循环计时的两种实现方法，进一步节约了成本。专用脉冲宽度调制方法采用ARM或8051中的具有脉冲宽度调制的定时器，在定时器中设定好脉冲宽度的值与脉冲周期的值，通过专用的脉冲宽度调制输出接口输出。循环定时方法通过利用不同长短的延时来输出0和1实现不同占空比的方波。基本计算方法如下：单位延时为晶振的1/12，则系统在进行[(方波周期/单位延时)*占空比]个延时后输出1，在进行[(方波周期/单位延时)*(1-占空比]个延时后输出0，如此进行反复循环即可实现脉冲宽度调制功能。

Claims (2)

1.一种基于ZigBee与ARM技术的智能家居LED照明系统，其特征在于，包括ZigBee网关、至少一个ZigBee路由器、多个终端设备，所述的终端设备包括ZigBee终端节点、调光模块和LED灯具，其中，

ZigBee网关包括数据处理模块相互连接的无线发射/接收模块，所述的数据处理模块由ARM处理器及其外围器件构成，通过无线发射/接收模块接收传输过来的数据和指令，对其进行运算处理，将处理好的数据再通过无线发射/接收模块发射出去，以实现无线网络的建立、维护、节点的加入、拆除与数据的传输功能；

ZigBee路由器：包括路由微处理器和与其相连的无线发射/接收模块，用于路由表建立与维护，在无线网关与所辖终端节点之间的传输数据；

所述的终端节点：包括终端微处理器和与其相连的无线发射/接收模块，用于接收由ZigBee路由器所传输的ZigBee网关的命令，产生脉冲宽度调制信号；

调光模块：连接LED灯具与终端节点，将脉冲宽度调制信号转换为电流信号驱动LED灯具。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征是：所述的路由器微处理器和终端微处理器为8051芯片。 

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