基于Zigbee和ARM技术的楼宇智能照明系统研究

摘 要：随着科技的不断发展，在当前建筑物的照明系统当中，越来越多的新技术正在被广泛的应用，例如节能化、智能化等，由此也产生了楼宇智能照明系统。在实际应用中，基于Zigbee和ARM技术的楼宇智能照明系统发挥出了十分良好的效果，极大的提高了建筑物照明系统自动调节和控制作用，满足了环保、节能、高效等要求。

关键词：Zigbee技术；ARM技术；楼宇智能照明系统

前言：在当今社会中，人们的生态环保意识不断增强，基于人本、绿色、低碳等发展概念，楼宇智能照明系统得以产生和发展，并且迅速得到了广泛的应用。在很多建筑物当中，走廊、楼梯、公共大厅等空间都需要照明，而依靠人力来控制照明系统十分不现实。在此基础上，基于Zigbee和ARM技术的楼宇智能照明系统发挥出了极大的作用，它能够根据建筑物实际的照明需求，智能化的对照明系统进行控制，从而在确保良好的照明效果的同时，也能够达到节能环保的目的。

一、楼宇智能照明系统的设计

（一）Zigbee节点设计

在楼宇智能照明系统当中，Zigbee的网络协调器节点、路由节点、终端节点、子网中心节点等部分，都发挥着不同的作用。其中，网络协调器节点主要与ARM处理核心连接，维护和组件网络，与处理核心进行通信，并将其命令发送给相应的节点。在两个远距离的几点之间，需要安装路由节点，负责转发数据，从而使节点的通信距离、网络覆盖范围得到加强。终端节点主要是在电动窗帘、微波红外双鉴探测器、照度传感器上安装的节电设备，主要功能是与自身连接的被控设备、子网中心节点进行通信[1]。同时，对子网中心节点的控制信息进行转换，是指成为被控设备指令格式。子网中心节点安装在灯具上，负责通信、传递信息、处理信息、应答控制等。

（二）Zigbee组网设计

在Zigbee的组网设计中，需要从网络地址分配、网络拓扑结构方面进行考虑。Zigbee节点的物理地址是64位唯一的，其维护、分配和管理有IEEE负责。在局域网的范围当中，只要不出现相同的物理地址，就不会发生地址矛盾的问题。Zigbee网络属于一种ad-hoc网络，其自愈能力和自组网能力较强。在组件网络的过程中，协调器节点会对16位网路地址进行自动分配。在网络中，有一个协调器节点，负责维护和组件网络。同时，网络中还有负责转发数据的路由功能节点，能够组成网状网、树状网、星状网的结构。在Zigbee技术当中，规定了16位的网络地址，最多能够对65535个网络节点进行容纳。在每个父节点中，不能容纳超过20个子节点数量。不能容纳超过20个的路由子节点，网络深度也应当在8层以下[2]。

（三）Zibgee网络通信

在Zigbee网络通信中，有报警帧、应答帧、控制帧这三种数据帧。其中，报警帧能够将灯光工作异常信息、照度采集数据等发送给上级节点。应答帧能够应答状态查询、控制反馈等。控制帧当中包含了控制参数、控制属性和地址。其中，控制参数和控制属性类似于处理核心和控制终端的数据格式。地址信息包含源地址和目标地址，都是节点中的物理地址或组地址。在Zigbee网络通信中，包含了广播通信、设备组通信、单点通信等功能，这些通信功能是通过节点物理地址实现的。其中，广播通信是某一个中心节点利用广播的形式将信息下发给网络中其它节点。单点通信则是在两个节点之间进行信息的传递。

（四）ARM处理核心设计

在整个系统中，应用了分布式的处理结构，ARM处理核心的作用主要是交互用户控制终端信息、返回应答信息、执行用户命令等，从而合理的控制建筑物当中的楼宇智能照明系统。在实际应用中，它能够对网络服务器进行建立，对控制终端的命令进行接收，并将用户命令维护和存储。同时维护和存储控制算法所需参数，执行用户命令[3]。对用户信息进行存储和维护，建立不同优先级用户的安全登录机制。与核心节点通过串口进行通信，同时对节点物理地址与连接设备类型、在楼宇中实际位置等对应关系进行维护存储。此外，还负责维护和存储楼宇照明状态、当前场景模式等信息。能够对场景模式定时启动，同时扩展相应功能。系统功能通常是由B/S或C/S实现的。

二、楼宇智能照明系统实现

（一）Zigbee无线网络的实现方法

在Zigbee节点中，硬件实现与处理核心是相同的，包含了PCB绘制、原理图设计、芯片选择等。节点具有小体积、低成本等方面的要求，同时具有十分复杂的主要芯片电路，因此采用了双层板的设计。在核心电路的设计中，包含了芯片选择、原理图设计、PCB设计等工作。在DA电路的设计当中，包含了DA芯片的选择、原理图设计、射频部分设计等工作。在软件方面，系统采用的开发技术是单片机，在编程开发过程中，应用了IAR编程环境。Zigbee节点主要负责串口数据的接收和处理[4]。在程序包当中，包含了操作常用寄存器的宏，以及调用和重新定义函数所需的文件。在接收和发送串口数据，输入、输出、显示系统信息的时候，都有相应的函数标准。

（二）ARM处理核心的实现方法

在ARM处理核心的硬件实现上，需要首先选择主芯片，同时考虑到可靠性、引脚、芯片体积、成本等因素。在设计电路的过程中，包括串口电路和网口电路的设计由于ARM处理核心需要对协调器的照明状态信息和控制终端用户命令同时进行接收，因此，需要进行并发服务器的建立。由于处理核心网络接口需要对多个终端的控制命令进行接收，因此在通信接口设计中，采用了I/O符合技术。具体包括多路转接模型、非阻塞模型、阻塞I/O模型等。通过这一技术的应用，使得通信接口复用的问题得到了解决，对于内部处理程序，需要具有并行处理的能力，因此应用了多进程的程序设计方法。

（三）控制终端的实现方法

在基于Zigbee和ARM技术的楼宇智能照明系统当中，控制终端主要包括智能手机、计算机、平板电脑、ARM板等。同时对图形用户界面开发和数据库技术进行了应用[5]。根据不同的终端，分别采用有针对性的开发语言。首先应当搭建相应的开发环境，分别下载所需的各类安装包和工具安装包。之后根据系统的实际设计功能，创建相应的窗口，并对各类所需的构件进行添加。由于控制终端需要同时对多个任务进行控制，因此设计了多进程程序窗口。其中，有负责交互控制终端内部嵌入式数据库信息的进程，有通信处理核心的进程，还有支持触摸屏、鼠标等输入设备应用的进程。通过共享内存，各个进程之间能够实现相互通信。

结论：在当前社会中，随着人们生活和工作节奏的不断加快，越来越多的大型高层建筑出现在城市当中。在这些建筑物当中，需要应用大量的照明设备。这就涉及到了一个问题，如何能够更加高效、合理的对这些照明设备进行控制。对此，基于Zigbee和ARM技术的楼宇智能照明系统在实际应用中发挥出了十分良好的效果。在该系统当中，应用了Zigbee技术和ARM技术，使得建筑物当中的照明设备实现了智能化的控制，从而达到了更好的节能效果。

参考文献：

[1]游晴，吴光敏，赵建军，姚运龙. 基于ZigBee技术的高校智能楼宇照明控制系统设计[J]. 价值工程，2015，04：230-232.

[2]周晓伟，蔡建平，郑增威，应晶. 基于ZigBee传感网的楼宇智能照明控制系统的设计与实现[J]. 计算机工程与科学，2009，08：150-152+155.

[3]何佩颖，余建华，龚向东. 楼宇照明灯联网远程监控系统的设计[J]. 照明工程学报，2014，02：107-113.

[4]魏立明，徐成波，林君. 智能照明控制系统设计[J]. 吉林建筑工程学院学报，2014，02：74-76.

[5]李正明，于海峰，吴波. 基于ARM和ZigBee技术的楼宇安防系统的设计[J]. 现代科学仪器，2012，03：43-46+50.