基于Zigbee的家庭灯光无线控制系统设计

林吉

摘 要：灯光是属于家庭环境的基本需求，因此设计了一种基于Zigbee的灯光无线控制系统。系统硬件框架以芯片CC2530为核心，软件设计以C语言编写程序代码，使用IAR开发平台进行功能调试，运用Altium Designer 10进行系统PCB设计。实物最终测试结果表明，系统能够有效地进行LED和大功率灯泡的控制，效果稳定，铺设简单，无需重新布线，适合家庭使用。

关键词：Zigbee；灯光控制；无线技术

中图分类号：TU113 文献标识码：A

1.系统总体架构

本设计主要利用无线模块进行数据传输，主要包括一个控制中心，一个网络协调节点和两个终端节点，实现对灯具开关的控制，系统设计框架如图1所示。控制中心负责网络节点的信息存储、信息的发送与接收，并向传感器网络发送控制指令。协调器通过设定网络标识来建立一个网络，主要检测控制信号是否到来，进而实现对终端行为的控制。灯控终端感知灯光开关状态，并发送到协调器节点，同时它依据协调器节点发送的灯控指令，驱动继电器和LED。

2.硬件选择与设计

硬件系统以CC2530芯片为核心，将Zigbee天线SMA接口、晶振、电源电路和阻抗匹配电路集成一块到Zigbee射频PCB板上，并配备标准排针接口与外围功能底板连接。CC2530是应用了2.4GHz频段IEEE802.15.4协议Zigbee和RF4CE的片上系统，配备8051CPU，自带可编程闪存，8KB RAM。两个时钟电路，一个由32MHz晶振主振荡器倍频产生2.4GHz的工作频率，另一个是32.7kHz的时钟源晶振。无线射频采用一个SMA连接器与单极天线连接。底板主要由USB转串口模块、控制按键和指示灯，以及实现RS232转USB的PL2303电路组成。

3.软件设计

3.1 Zigbee协议架构

软件部分设计移植了Z-Stack协议栈，Z-stack协议是在网络层以及更高层上实现的组网功能，其协议栈的实现是软件设计部分的核心，整个系统在操作抽象层OSAL协调下运行。Z-Stack装载在基于IAR开发环境中，程序采用C语言编写，使用IAR EW8051嵌入式工作台对其编译和调试，并下载到功能模块。

3.2 灯控系统软件流程

软件流程可分为系统初始化、组建网络；发送控制指令；终端响应这3部分。首先设备初始化，禁止所有中断，终端节点检测是否存在网络，存在则发送入网请求，加入网络，不存在，协调器建立一个新网络：初始化I/O口、HAL的驱动、MAC层，系统分配一个64位的网络地址，接受终端节点入网，允许中断进入，至此初始化阶段完毕。然后，遍历整个程序查找事件，检查有无控制指令发出，若有，终端节点响应指令，执行处理动作，若无，则进入休眠状态。

4.实物测试

本设计使用了两个ZigBee模块，一个扮演系统中控制部分的角色，类似使用的遥控器，另一个是实现具体灯控功能的灯和继电器，通过按键的次数操纵灯的亮灭。

终端模块左下角有电源指示灯，上电后点亮，左上角是联网状态指示灯，上电后处于闪烁状态，表示正在搜索相关网络，加入网络后长亮。图2为终端响应调试结果。当协调器S1键按下后，LED点亮，再次按下，熄灭；按键S2按下后继电器上电，继电器指示灯点亮。S2再次按键按下后，继电器断电，灯泡熄灭。

结语

本文给出了一种基于Zigbee的灯光无线控制系统设计，包括硬件核心部件和软件部分设计，并且进行了系统的核心功能的实物实验。实验结果表明，此设计可以进行LED灯组和普通家用灯泡的无线远程控制。应用Zigbee的网络容量大的特点还可以扩展更大的灯控网络。本系统对于智能家居的设计提供了一种安全简便的方案，减少用户的布线成本，满足用户的基本需求。

参考文献

[1]李妤薇.基于ZigBee的无线传感器网络协议研究与设计实现[D].南京：南京邮电大学电子与通信工程学院，2014.

[2]朱琎，杨占勇.基于CC2530的无线振动监测传感器节点设计[J].仪表技术与传感器，2012（8）：56-58+83.

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