基于ZigBee的室內(nèi)智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 全文

　　為了改進(jìn)傳統(tǒng)室內(nèi)照明系統(tǒng)存在的布線復(fù)雜、節(jié)能效果差、不易智能控制等缺點(diǎn)，分析了基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。

　　該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)基于支持ZigBee的SoC芯片CC2530，軟件設(shè)計(jì)則采用TI公司的Z-Stack協(xié)議。系統(tǒng)可以通過PC機(jī)上的上位機(jī)界面實(shí)現(xiàn)對(duì)燈節(jié)點(diǎn)的單控、組控、全控以及調(diào)光控制，并具有耗電小，成本低、無需布線和安裝方便簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

　　0 引言

　　隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)生活水平的追求越來越高。智能家居早已為大眾所熟知，而智能照明系統(tǒng)作為智能家居的應(yīng)用之一，越來越受到人們的重視。室內(nèi)照明系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)住宅內(nèi)外的燈光的各種智能控制和管理功能，具體的說主要實(shí)現(xiàn)對(duì)燈的單控、組控、全控以及無線遙控控制和多時(shí)段定時(shí)控制。ZigBee 技術(shù)作為新興的近距離無線通信技術(shù)之一，具有近距離、低速率、低功耗和穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合在照明系統(tǒng)中應(yīng)用。本文提出基于ZigBee 技術(shù)的智能照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)由若干個(gè)節(jié)點(diǎn)以自組網(wǎng)的形式組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可通過感知外部光強(qiáng)信息的變化情況，能夠自適應(yīng)地調(diào)節(jié)亮度，并可通過PC上的控制界面對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行智能控制。

　　1 ZigBee 技術(shù)簡(jiǎn)介

　　ZigBee 技術(shù) 是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，它是介于無線標(biāo)記和藍(lán)牙之間的技術(shù)方案，具有自己的無線電標(biāo)準(zhǔn)，即IEEE 802.15.4（ZigBee） 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。這是IEEE 無線個(gè)人區(qū)域（PersonalArea Network，PAN）工作組所規(guī)定的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，主要適用于數(shù)據(jù)吞吐量小、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資小、安全要求高、耗電低的場(chǎng)合。

　　從技術(shù)性能來看，ZigBee 具有低功耗、短延時(shí)、短距離、高安全、低速率、覆蓋范圍廣、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)，并且具有廉價(jià)的市場(chǎng)定位，非常適合在照明系統(tǒng)中應(yīng)用。

　　ZigBee 技術(shù)網(wǎng)絡(luò)有三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型結(jié)構(gòu)、樹狀結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)［5］。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括一個(gè)協(xié)調(diào)器和多個(gè)終端，沒有路由；樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就是一個(gè)協(xié)調(diào)器和終端距離比較遠(yuǎn)，需要加路由的星型網(wǎng)；網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，協(xié)調(diào)器、路由、終端都可以通信。在本系統(tǒng)中，采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

　　2 系統(tǒng)的總體框架

　　室內(nèi)智能照明系統(tǒng)由一個(gè)協(xié)調(diào)器、若干個(gè)終端設(shè)備、多個(gè)手持的無線遙控器以及PC上位機(jī)界面等四個(gè)部分組成。協(xié)調(diào)器在該系統(tǒng)的作用是啟動(dòng)和配置網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器可以保持間接尋址用的綁定表格，支持關(guān)聯(lián)，同時(shí)還能設(shè)計(jì)信任中心和執(zhí)行其他活動(dòng)。一個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)只允許有一個(gè)ZigBee 協(xié)調(diào)器，終端節(jié)點(diǎn)最多可達(dá)65 536 個(gè)。協(xié)調(diào)器在系統(tǒng)中扮演命令的發(fā)送者和數(shù)據(jù)的收集者。協(xié)調(diào)器通過串口與PC 機(jī)相連，在接收到來自PC 的控制命令后，通過自己組建的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給指定的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)指定的節(jié)點(diǎn)接收到來自協(xié)調(diào)器的命令時(shí)，就做出指定的動(dòng)作，并反饋給協(xié)調(diào)器。當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到來自終端的數(shù)據(jù)信息時(shí)，就會(huì)通過串口傳給PC 機(jī)。無線遙控器可以在室內(nèi)的任何地方發(fā)送控制指令來控制一盞或多盞燈，使得整個(gè)照明系統(tǒng)更靈活。協(xié)調(diào)器主要有CC2530+CC2591 模塊、串口模塊，終端節(jié)點(diǎn)主要有CC2530+CC291 模塊、LED 控制模塊、溫度檢測(cè)模塊以及光強(qiáng)檢測(cè)模塊。圖1所示就是系統(tǒng)總體框架。

　　3 終端控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　終端節(jié)點(diǎn)模塊的硬件框圖如圖2 所示。它包括光強(qiáng)檢測(cè)模塊、繼電器控制模塊和PWM 輸出模塊。光強(qiáng)檢測(cè)模塊使用的傳感器是光敏電阻，選用的是新型單片測(cè)光芯片BH1750，較好地解決了傳統(tǒng)測(cè)光系統(tǒng)的弊端。BH1750 是半導(dǎo)體制造商ROHM為適應(yīng)以移動(dòng)電話手機(jī)為首的便攜式機(jī)器和液晶要求而開發(fā)的具有優(yōu)良光譜靈敏度特性、16 b 串行輸出的單片數(shù)字照度傳感器。BH1750 與CC2530 之間的通信使用標(biāo)準(zhǔn)的IIC 通信協(xié)議。BH1750 與CC2530 的電路連接圖如3 所示。BH1750 的3 腳和5 腳分別與CC2530 的P0_1 口和P0_0 口相連，R1 與R2 為上拉電阻。

　　終端控制模塊包括繼電器模塊和PWM 模塊。繼電器模塊利用三極管來放大驅(qū)動(dòng)能力，通過CC2530上的IO 口輸出高低電平來控制繼電器開合或者斷開，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)LED 的開關(guān)。PWM 模塊可以控制LED 燈的亮度，CC2530 芯片可以輸出頻率為200 Hz，占空比可以從1%~100%的可調(diào)的PWM波。

　　無線遙控模塊是基于終端控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的，它可自動(dòng)搜尋ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，并加入到網(wǎng)絡(luò)中建立通信關(guān)系，使自己成為其中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而對(duì)整個(gè)照明系統(tǒng)進(jìn)行遙控。遙控節(jié)點(diǎn)模塊由PIC16F886 單片機(jī)讀取4×4 鍵盤的值，通過串口發(fā)送給CC2530+CC2591 模塊，然后發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器發(fā)給需要控制的燈的節(jié)點(diǎn)。

　　4 軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)的設(shè)計(jì)和下位機(jī)的設(shè)計(jì)。下位機(jī)又包括協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)和終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)。

　　界面包括每個(gè)節(jié)點(diǎn)燈的狀態(tài)顯示，用戶的控制操作。控制操作包括5 種模式：整幢樓同時(shí)開關(guān)，整層樓同時(shí)開關(guān)，整個(gè)房間同時(shí)開關(guān)，單個(gè)燈的開關(guān)，單個(gè)燈的PWM 控制。界面設(shè)計(jì)的流程如圖4 所示，圖5 所示則是上位機(jī)的界面圖。

　　本系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器的兩大主要功能是建立網(wǎng)絡(luò)和進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理。ZigBee 協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)建立ZigBee 網(wǎng)絡(luò)、分配網(wǎng)絡(luò)地址和維護(hù)綁定列表。協(xié)調(diào)器通過掃描一個(gè)空閑信道來創(chuàng)建一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，維護(hù)一個(gè)目前連接設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)列表，支持獨(dú)立掃描程序來確保以前的連接設(shè)備能夠重新加入網(wǎng)絡(luò)。輪詢程序一直掃面串口函數(shù)，當(dāng)串口有數(shù)據(jù)發(fā)送過來時(shí)，先判斷是控制指令還是數(shù)據(jù)接收指令。如果是控制指令，則發(fā)送給指定的終端節(jié)點(diǎn)；如果是數(shù)據(jù)接收指令，則將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)界面。

　　協(xié)調(diào)器的軟件流程圖如圖6 所示。

　　終端節(jié)點(diǎn)的任務(wù)主要是接收來自協(xié)調(diào)器的指令，并根據(jù)這些指令執(zhí)行相關(guān)的操作。它會(huì)一直采樣光強(qiáng)值，并能夠?qū)崟r(shí)根據(jù)光強(qiáng)值，改變輸出PWM 值，每次改變都會(huì)反饋給上位機(jī)。終端節(jié)點(diǎn)會(huì)采樣電池的電壓，當(dāng)電壓低于2.2 V 時(shí)，發(fā)送消息給上位機(jī)界面，提醒用戶更換電池。終端節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖如圖7 所示。

　　5 結(jié)語

　　本文利用ZigBee 技術(shù)設(shè)計(jì)的室內(nèi)照明系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了燈光的單控、組控、全控和自適應(yīng)調(diào)節(jié)，提高了照明系統(tǒng)的智能化，大大降低了照明的能耗。測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)工作穩(wěn)定，運(yùn)行效果良好，具有很好的發(fā)展前景。