一种融合WiFi和ZigBee技术的智能照明系统

徐建林



一种融合WiFi和ZigBee技术的智能照明系统

徐建林

飞利浦照明（中国）投资有限公司，上海 200233

当前无线照明系统为智能照明系统发展的主要方向之一。文中从WiFi和ZigBee技术概述入手，分析了基于WiFi和ZigBee无线照明系统的功能，并针对性地对基于WiFi和ZigBee无线照明系统的硬件和软件进行了设计。

WiFi；ZigBee；无线照明系统；智能照明系统；系统设计

有线通讯为当前照明系统常用的控制方式，面临的主要问题有移动性较差、布线较繁琐、成本相对较高及调试安装困难等。针对当前有线照明系统存在的弊端，考虑在进行照明系统的设计时采用无线通讯的方式。其中，ZigBee为当前新型的通信技术，在低速度、短距离传输方面有着较大的优势，其总体造价也较低，非常适合使用在无线照明系统的设计中。另外，加入WiFi模块，使WiFi模块和ZigBee模块进行配合使用，使整个照明系统能够通过多终端、无线网络的形式进行控制，更好地提升照明系统的娱乐性和便捷性，从而更好地实现人民生活水平的提升[1]。

1 WiFi和ZigBee技术概述

1.1 WiFi技术

WiFi是一种可以将个人电脑、手持设备（如iPad、手机）等终端以无线方式互相连接的技术，事实上它是一个高频无线电信号。无线保真是一个无线网络通信技术的品牌，由Wi-Fi联盟所持有，目前其采用的频段有2.4G和5G两种。2.4G频段的WiFi主要用于入门级消费电子，而5G频段的WiFi主要用于要求更稳定、更高传输速率的场合如高清传输及大数据传输，为了增加WiFi传输的适应性和稳定性，也可以组建成双频WiFi，同时支持2.4GHz和5.0GHz。WiFi通讯的目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网路产品之间的互通性。

WiFi技术当前使用非常普遍，广泛应用于家用和商用场所，由于其应用便利性，可以将手机、笔记本电脑、台式电脑、iPad等移动终端有效地连接到一起，组合一个智能网络，在网络中的所有设备都能相互通信，共享资源。WiFi的优点主要为：互联互通方便，构建非常便捷、传输速度快以及覆盖范围广等。

1.2 ZigBee技术

ZigBee技术为一种新型的低能耗、低速率、低成本、近距离的双向无线通讯技术，在传输速度较低、能耗较小、距离较短、抗干扰性强的电子设备中使用较为广泛，能够保证这些电子设备的数据传输。另外，ZigBee技术所含的网络容量非常大，其网络容量可以达到65536个节点，其通信方式往往采用自组网的形式，在ZigBee技术通信范围内若出现了新ZigBee模块，这两个ZigBee模块可以自动搜寻连接，使各个节点组成有效的连接方式，从而形成一个完整的ZigBee技术无线通信网络。无线照明系统中包含有较多的照明终端，因此，全面考虑无线照明系统构建的成本、通信方式、控制器设计等方面的因素，ZigBee技术为一种相对于较好的选择，同时也是无线照明系统设计发展的主要趋势之一。

2 基于WiFi和ZigBee无线照明系统功能分析

整个无线照明系统包含有多个照明终端、人机交互界面（手机、笔记本电脑、台式电脑、iPad等移动终端）及网关等3大部分，其中整个无线照明系统的核心部件为网关，其将从人机交互界面接受到的相关信息传送到制定的终端设备上，实现对终端照明设备工作状态的查询并及时重新反馈到人机交互界面，根据网关的查询结果，人机交互界面可以针对性地发出相关的指令，选择性地实现对照明终端调节。也可以实现对照明终端工作状态的调整，例如灯光开关、照明亮度调节，色温和颜色调节等[2]。

2.1 无线照明系统终端

无线照明系统终端为整个无线照明系统的最终表现者，其主要的组成部分有温度传感器、ZigBee模块、LED光源、LED驱动电源、光照传感器、电压电流传感器等相关的部分。电流电压、温度、光照传感器是用来检测LED灯具的工作状态及工作环境，可以让用户更好地了解LED灯具的信息，便于进行控制。灯具的ZigBee模块功能与网关的ZigBee模块类似，用来接收网关发出的控制指令和返回查询信息。

2.2 网关

网关为本系统设计的关键部分，具有核心作用，其组成部分主要包含电源模块、WiFi模块、显示模块、ZigBee模块等相关的部件，如图1所示。

图1 网关组成模块

其中，WiFi模块的主要作用为实现对笔记本、手机等相关人机交互终端控制信息的接受，当其接受到数据信息之后将其通过串口传递到ZigBee模块中，若其接受到的为查询信息，则等待ZigBee模块反馈查询信息之后，将接受到的信息传送回笔记本电脑和手机等人机交互终端[3]。

网关中的ZigBee模块在ZigBee系统中承担协调器的作用，ZigBee模块上电之后，可自行对自身通讯范围之内的其他ZigBee模块进行搜寻，然后采用自组网的方式进行通讯，构成一个ZigBee网络，当ZigBee模块接受到来自于WiFi模块的信息之后，根据具体的数据信息的要求，将对应的信息发送到ZigBee模块上。电源模块主要的作用为供电，其可以向显示模块、ZigBee模块、WiFi模块供电，电源模块是通过220VAC转12VDC的适配器，然后转成3.3V，来提供给WiFi模块、ZigBee模块等使用。显示模块为网关的显示屏，能够将网关当前的工作状态及操纵界面显示出来[4]。

2.3 人机交互界面

本次设计的无线照明系统的人机交互界面主要为手机和笔记本电脑，当网关内WiFi模块启动之后，手机和笔记本电脑能够通过连接无线网的方式连接到WiFi网络，当成功连接之后，打开对应的软件就能够实现控制信息的发送，达到对无线照明终端的控制。

3 基于WiFi和ZigBee无线照明系统设计

硬件设计：首先为WiFi模块的设计，本次采用HF-LPB100作为WiFi模块，HF-LPB100为一种能够将串口数据转变为IP数据，也能够将IP数据转变为串口数据，无线网络为HF-LPB100传播数据的通道。该模块设计采用双排插针接口，可以选择5V和3.3V供电方式，其支持的波特范围在1200bps到115200bps。在无线网络进行连接时，可分为点对点连接和基础网络连接方式，本次选用点对点连接，系统使用人员可以通过手机和笔记本电脑与WiFi直接连接后进行系统控制。在其中的网络类型选择栏中可以选择网络的连接方式，数据发送格式和波特率可以在通信设置栏中进行设置。其次为Zigbee模块，本次无线照明系统中使用的Zigbee模块选用了CC2530 SoC芯片，其发送的最大功率为4.5dBm，接收灵敏度为-97dBm，有着充足的链接余量（link budget），本身支持30m以上传输距离。供电的电压为3.3V，通讯方式选用TTL串口进行通讯，可将节点模式调整为单播模式和广播模式，若出现了数据发送失败，则数据可进行自动重发，由于无线照明系统中所含的数据较少，因此，在进行本次系统设计时，针对性的增加了数据发送失败的重试次数，从而更好地提升系统数据发放的有效性。在使用ZigBee模块前，需要对其参数进行针对性的配置，设置对应的物理地址和数据发送模式。将手机或笔记本电脑和网关的WiFi成功连接后，点击获取数据信息，能够显示出当前系统模式状态，根据需要对相关的参数进行修改，达到使用的效果，则就能够进入正常龚总状态。

CC2530 ZigBee芯片与CC2590功放配合，网关与ZigBee终端设备间支持50m以上传输距离，另外各个ZigBee终端设备通过全网络连接，可以组成一个覆盖整个商场，节点最大可达65536个的智能照明大网络。ZigBee模块电路图如图2所示：

图2 ZigBee模块电路图

第三为无线照明终端驱动电源模块。本次系统设计的无线照明终端驱动电源模块的管理芯片采用了LM3406，其使用的电压范围较宽，电压基准较低，并能够较快的实现电压的稳定，能够作为本次无线照明系统的电源控制。时间控制引脚选择使用Ron，实现VIN脚与电阻的连接。光信号的输入脚设计为DIM脚，无线照明终端的工作状态采用PWM调光信号进行控制，无线照明终端工作原理如图3所示。

当系统通电后，首先为ZigBee模块和WiFi模块进行初始化，然后程序开始构建一个全新的网络，等到所有的节点加入完毕之后，系统开始采用循环的方式进行有无收到数据信息的检测，当检测到相关的数据信息之后，将其转发到无线照明终端和人机交互界面。

当上电进行全面的初始化之后，发出入网申请信号，然后获取分配的网络地址，加入到整个网络中，当加入网络之后，开始执行网关转发过来的数据指令，实现对无线照明终端的调节，或者实现对传感器数据的采集。

图3 无线照明终端工作原理

软件设计：

图4 网关工作流程图

4 结语

针对当前有线照明系统存在的弊端，基于WiFi和ZigBee技术设计了智能无线照明系统，整个工作过程非常可靠、不用进行布线，组网灵活及系统可靠性高，能够实现对无线照明终端的全面控制和单个控制，可以广泛应用在家庭、酒店、商场等场所，提升人民生活的便捷性。WiFi技术和ZigBee技术相结合有着非常好的发展前景，特别是在ZigBee3.0推出后，ZigBee系统的兼容性越来越高，应用也越来越广，目前，多种无线通信技术的融合为智能控制的一大发展方向。

[1]赵春花，谢志祥.基于数字电视机顶盒和ZigBee无线协议的智能家庭网关[J].电子制作，2014（11）：161-162.

[2]陈雨青，沈承舒，彭晓珊，孙健，杨波.基于ZigBee无线传感器网络的楼宇电力节能管理系统设计与实现[J].贵阳学院学报（自然科学版），2013（4）：52-55，58.

[3]杨超，魏东，庄俊华.基于ZigBee无线网络技术的地下车库照明节能控制系统研发[J].电工技术学报，2015（S1）：490-495.

TU855；TN92

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1009-6434（2016）02-0052-02