王莎莎 郭威娜 程銳涵 孫 林

（河北聯(lián)合大學(xué) 信息工程學(xué)院，河北 唐山 063009）

0 引言

ZigBee是一種新興的專為低速率無線傳輸而設(shè)計(jì)的低成本、低功耗的短距離無線通信技術(shù)。Zigbee技術(shù)相對(duì)于其他技術(shù)而言出現(xiàn)較晚，其規(guī)范及應(yīng)用仍在不斷的完善和發(fā)展之中，現(xiàn)今，已經(jīng)能夠廣泛的應(yīng)用于軍事、工業(yè)、智能家居等領(lǐng)域。

隨著科技的不斷發(fā)展，人們?cè)谌粘Ｉ钪袘?yīng)用的電器越來越多，使用的開關(guān)也不斷增多。傳統(tǒng)的機(jī)械式手動(dòng)開關(guān)已經(jīng)無法滿足當(dāng)今人們追求完美生活的需要。因此遠(yuǎn)程無線遙控技術(shù)必然會(huì)一步步取代傳統(tǒng)手動(dòng)開關(guān)，成為今后生活的主流。

1 Zigbee技術(shù)概述

ZigBee協(xié)議使用IEEE802.15.4規(guī)范作為介質(zhì)訪問層（MAC）和物理層（PHY）。Zigbee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上建立網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層構(gòu)架。IEEE802.15.4有兩個(gè)PHY層，分別運(yùn)行在不同的頻率范圍:2.4GHz和915/868MHZ，每個(gè)頻帶提供固定數(shù)量的信道。MAC層使用CSMA-CA機(jī)制來控制無線電信道的訪問。

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)可采用星型網(wǎng)絡(luò)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)、群集或網(wǎng)狀等多種類型的網(wǎng)絡(luò)配置。

Zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，路由器，網(wǎng)關(guān)，都是由一個(gè)單片機(jī)和zigbee兼容無線收發(fā)器構(gòu)成的硬件為基礎(chǔ)，再加上由語(yǔ)言代碼寫成的協(xié)議軟件構(gòu)成。

Zigbee無線收發(fā)芯片采用Chipcon公司開發(fā)的CC2430芯片。CC2430采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，利用全球共用的的公共頻率2.4GHz，是世界上第一個(gè)真正意義上的SoCZigBee一站式產(chǎn)品之一，具有芯片可編程閃存和通過認(rèn)證的ZigBee TM協(xié)議棧。鑒于其具有低成本、低功耗、節(jié)點(diǎn)多和傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)，可廣泛的應(yīng)用于家庭和樓宇自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)施、物流和其他終端市場(chǎng)等。

2 家居照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

此基于Zigbee的家居照明系統(tǒng)構(gòu)建的是一個(gè)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成，每盞燈與其各自的燈具控制終端節(jié)點(diǎn)相連，無線控制器作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)控制終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)控制，即一個(gè)Zigbee無線遙控器控制n個(gè)控制終端節(jié)點(diǎn)。

無線遙控器是該系統(tǒng)的控制中心，要接收和處理Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶的操作來控制網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作，它包含有ZigBee射頻收發(fā)模塊和嵌入式控制系統(tǒng)。各控制終端根據(jù)無線遙控器發(fā)送過來的控制信息進(jìn)行相應(yīng)的操作。

2.1 無線遙控器硬件設(shè)計(jì)

Zigbee無線遙控器作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器需要處理較大數(shù)據(jù)量，因而本文采用嵌入式微處理器AT89S51作為遙控器的核心處理芯片。

AT89S51是ATMEL公司推出的一款體積小，低功耗，高性能的嵌入式微處理器。它由CPU內(nèi)核、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、IO口、復(fù)位與時(shí)鐘、定時(shí)器與計(jì)數(shù)器、終端系統(tǒng)、串行通訊接口、看門狗和ISP在線編程接口組成。兼容MCS-51內(nèi)核單片機(jī)，4Kbytes可在線編程Flash存儲(chǔ)器，可有效擦除/讀寫1000次。

Zigbee收發(fā)模塊采用CC2430芯片，CC2430是Chipcon公司推出的用來實(shí)現(xiàn)嵌入式Zigbee應(yīng)用的片上系統(tǒng)。它支持2.4GHz IEEE 802.15.4/Zigbee協(xié)議。

各節(jié)點(diǎn)通過無線信道連接，Zigbee收發(fā)模塊與微處理器模塊通過四線連接，實(shí)現(xiàn)無線遙控。對(duì)于AT89S51單片機(jī)其四個(gè)管腳VCC、TXD、RXD、GND， 分別于 CC2430芯片的四個(gè)管腳 VCC、RXD、TXD、GND連接。

2.2 燈具控制終端節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

Zigbee無線遙控系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)即燈具控制終端節(jié)點(diǎn)是嵌入到各燈具開關(guān)電路中。

Zigbee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)成功后，該模塊主要負(fù)責(zé)接收無線遙控器發(fā)出的指令信息，進(jìn)而控制燈具工作，開關(guān)燈具或調(diào)整燈光亮度等。燈具控制終端與燈具串聯(lián)連接，根據(jù)可控硅導(dǎo)通與否來控制燈具開關(guān)；另外可控制可控硅的觸發(fā)角控制流過燈具的等小電流大小，達(dá)到改變燈光亮度的目的。

3 Zigbee系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)使用跟CC2430芯片配套的Z-STACK協(xié)議棧和IAR集成開發(fā)環(huán)境。Z-STACK協(xié)議棧運(yùn)行在一個(gè)基于任務(wù)調(diào)度機(jī)制的OSAL操作系統(tǒng)上，OSAL通過觸發(fā)任務(wù)的事件來實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。

μC/OS-II是一種基于優(yōu)先級(jí)的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，包含了實(shí)時(shí)內(nèi)核、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間通信同步和內(nèi)存管理等功能。它可以使各個(gè)任務(wù)獨(dú)立工作，很容易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)而且無誤執(zhí)行，使實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展變得容易，使應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過程大為減化。它的絕大部分的代碼采用C語(yǔ)言編寫的，包含一小部分匯編代碼。它已經(jīng)被成功的移植在DSP、16/32位MCU上。μC/OS-II在硬件平臺(tái)上的移植包括與處理器相關(guān)的程序修改和應(yīng)用程序的添加。本移植編譯工具采用IAR，主機(jī)通過JTAG接口連接目標(biāo)板建立交叉開發(fā)調(diào)試環(huán)境。

其主程序設(shè)計(jì)首先要對(duì)各個(gè)芯片初始化，如AT89S51的初始化包括對(duì)管腳初始化、串口初始化、定時(shí)器初始化等；CC2430的初始化包括對(duì)管腳的初始化、芯片復(fù)位及內(nèi)部寄存器的初始化。在主程序初始化后，開始于子系統(tǒng)建立Zigbee網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)并進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的管理。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)是基于Zigbee技術(shù)的家居照明系統(tǒng)的研究，實(shí)現(xiàn)了軟硬件設(shè)計(jì)。采用AT89S51微控制器設(shè)計(jì)的Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)，具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、花費(fèi)少、擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)容易等優(yōu)點(diǎn)。而操作系統(tǒng)使用μC/OS-II可簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了模塊化程度。這種使用高性能微控制器并結(jié)合實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的構(gòu)架模式已成為一種發(fā)展趨勢(shì)，在實(shí)際中有很好的應(yīng)用價(jià)值。

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