基于zigbee的家居照明系统研究
【摘 要】本文阐述了Zigbee这种新兴的技术，并结合μC/OS-II操作系统实现家具照明系统的研究。
【关键词】Zigbee；μC/OS-II；AT89S51；CC2430
0 引言
ZigBee是一种新兴的专为低速率无线传输而设计的低成本、低功耗的短距离无线通信技术。Zigbee技术相对于其他技术而言出现较晚，其规范及应用仍在不断的完善和发展之中，现今，已经能够广泛的应用于军事、工业、智能家居等领域。
随着科技的不断发展，人们在日常生活中应用的电器越来越多，使用的开关也不断增多。传统的机械式手动开关已经无法满足当今人们追求完美生活的需要。因此远程无线遥控技术必然会一步步取代传统手动开关，成为今后生活的主流。
1 Zigbee技术概述
模块化设计家具
ZigBee协议使用IEEE802.15.4规范作为介质访问层（MAC）和物理层（PHY）。Zigbee联盟在此基础上建立网络层（NWK）和应用层构架。IEEE802.15.4有两个PHY层，分别运行在不同的频率范围： 2.4GHz和915/868MHZ，每个频带提供固定数量的信道。MAC层使用CSMA-CA机制来控制无线电信道的访问。
ZigBee无线网络可采用星型网络、点对点网络、集或网状等多种类型的网络配置。
Zigbee传感器网络的节点，路由器，网关，都是由一个单片机和zigbee兼容无线收发器构成的硬件为基础，再加上由语言代码写成的协议软件构成。
Zigbee无线收发芯片采用Chipcon公司开发的CC2430芯片。CC2430采用IEEE802.15.4标准，利用全球共用的的公共频率2.4GHz，是世界上第一个真正意义上的SoCZigBee一站式产品之一，具有芯片可编程闪存和通过认证的ZigBee TM协议栈。鉴于其具有低成本、低功耗、节点多和传输距离远等优势，可广泛的应用于家庭和楼宇自动化、医疗设施、物流和其他终端市场等。
2 家居照明系统设计
此基于Zigbee的家居照明系统构建的是一个星型拓扑结构构成，每盏灯与其各自的灯具控制终端节点相连，无线控制器作为网络协调器，可实现对控制终端节点进行相关控制，即一个Zigbee无线遥控器控制n个控制终端节点。
无线遥控器是该系统的控制中心，要接收和处理Zigbee网络中的数据，根据用户的操作来控制网络中各个节点的工作，它包含有ZigBee射频收发模块和嵌入式控制系统。各控制终端根据无线遥控器发送过来的控制信息进行相应的操作。
2.1 无线遥控器硬件设计
Zigbee无线遥控器作为网络协调器需要处理较大数据量，因而本文采用嵌入式微处理器AT89S51作为遥控器的核心处理芯片。
AT89S51是ATMEL公司推出的一款体积小，低功耗，高性能的嵌入式微处理器。它由CPU内核、程序存储器、数据存储器、I＼O口、复位与时钟、定时器与计数器、终端系统、串行通讯接口、看门狗和ISP在线编程接口组成。兼容MCS-51内核单片机，4Kbytes可在线编程Flash存储器，可有效擦除/读写1000次。
Zigbee收发模块采用CC2430芯片，CC2430是Chipcon公司推出的用来实现嵌入式Zigbee应用的片上系统。它支持2.4GHz IEEE 802.15.4/Zigbee 协议。
各节点通过无线信道连接，Zigbee收发模块与微处理器模块通过四线连接，实现无线遥控。对于AT89S51单片机其四个管脚VCC、TXD、RXD、GND，分别于CC2430芯片的四个管脚VCC、RXD、TXD、GND连接。
2.2 灯具控制终端节点的硬件设计
Zigbee无线遥控系统终端节点即灯具控制终端节点是嵌入到各灯具开关电路中。
Zigbee网络组网成功后，该模块主要负责接收无线遥控器发出的指令信息，进而控制灯具工作，开关灯具或调整灯光亮度等。灯具控制终端与灯具串联连接，根据可控硅导通与否来控制灯具开关；另外可控制可控硅的触发角控制流过灯具的等小电流大小，达到改变灯光亮度的目的。
3 Zigbee系统软件设计
系统软件设计使用跟CC2430芯片配套的Z-STACK协议栈和IAR集成开发环境。Z-STACK协议栈运行在一个基于任务调度机制的OSAL操作系统上，OSAL通过触发任务的事件来实现任务调度。
μC/OS-II是一种基于优先级的占先式实时多任务操作系统，包含了实时内核、任务管理、时间管理、任务间通信同步和内存管理等功能。它可以使各个任务独立工作，很容易实现准时而且无误执行，使实时应用程序的设计和扩展变得容易，使应用程序的设计过程大为减化。它的绝大部分的代码采用C语言编写的，包含一小部分汇编代码。它已经被成功的移植在DSP、16/32位MCU上。μC/OS-II在硬件平台上的移植包括与处理器相关的程序修改和应用程序的添加。本移植编译工具采用IAR，主机通过JTAG接口连接目标板建立交叉开发调试环境。
其主程序设计首先要对各个芯片初始化，如AT89S51的初始化包括对管脚初始化、串口初始化、定时器初始化等；CC2430的初始化包括对管脚的初始化、芯片复位及内部寄存器的初始化。在主程序初始化后，开始于子系统建立Zigbee网络，进入循环状态并进行数据的接收和发送，从而实现对整个系统的管理。
4 结论
本设计是基于Zigbee技术的家居照明系统的研究，实现了软硬件设计。采用AT89S51微控制器设计的Zigbee无线网络，具有组网简单、花费少、扩展网络容易等优点。而操作系统使用μC/OS-II可简化程序设计，增强了模块化程度。这种使用高性能微控制器并结合实时操作系统的构架模式已成为一种发展趋势，在实际中有很好的应用价值。
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