基于ZigBee的智能家庭照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王文釗 李斌

(沈陽理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽110159)

1.引言

隨著科技的發(fā)展和生活水平的提高，人們對工作和生活環(huán)境的要求越來越高，同時(shí)對照明系統(tǒng)的要求也越來越高。而傳統(tǒng)照明系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足人們對現(xiàn)代化燈光系統(tǒng)的要求。智能家庭照明系統(tǒng)把控制方式、電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)集成于一體，解決了傳統(tǒng)照明方式相對分散和缺乏有效管理等問題，而且許多傳統(tǒng)方式無法達(dá)到現(xiàn)代化功能的要求，比如場景設(shè)置、管理智能化和操作簡單化等。

本系統(tǒng)照明電路設(shè)計(jì)采用PHILIPS公司的雙向可控硅BT134對電燈泡進(jìn)行控制，而主從機(jī)采用無線通信模塊CC2530進(jìn)行通信。此種方案可以很好地對室內(nèi)電燈的控制，運(yùn)用ZigBee協(xié)議中的Z-stack家居解決方案，可以更好地實(shí)現(xiàn)對家庭中各類燈具進(jìn)行無線控制、集中控制，并可提供燈光軟啟、調(diào)光、亮度記憶、場景記憶等智能化操作和管理。在硬件電路和軟件設(shè)計(jì)上也簡單，只需要幾塊CC2530模塊即可，大大節(jié)約了成本。

2.主要芯片簡介

CC2530是TI公司針對2.4GHz ISM頻帶推出的第二代支持ZigBee/IEEE 802.15.4協(xié)議的片上集成芯片。其內(nèi)部集成了高性能收發(fā)器、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051MCU內(nèi)核、256KB Flash ROM和8KB RAM。其主要特性：具有2個(gè)USART、8位和16位定時(shí)器、看門狗定時(shí)器、8路輸入可配置的12位、21個(gè)GPIO、AES128協(xié)同處理器，硬件支持CSMA-CA、數(shù)字化的RSSI/LQI和強(qiáng)大的DMA功能，具備監(jiān)測和溫度感測功能；支持5種工作模式，且轉(zhuǎn)換時(shí)間短，可以較好地滿足超低功耗系統(tǒng)的要求；在接收和發(fā)送模式下，電流損耗分別為24mA和29mA。由于其硬件設(shè)計(jì)簡單，封裝小，功耗低，在家庭/樓宇自動(dòng)化、照明系統(tǒng)、消費(fèi)型電子和醫(yī)療保健等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

3.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。家庭照明系統(tǒng)主要由單片機(jī)、過零檢測電路、燈具控制電路以及無線通信電路組成。該系統(tǒng)從功能上劃分為兩部分燈光控制部分和遙控器部分。遙控器部分主要功能發(fā)出對家庭燈具的控制的指令。燈光控制部分主要功能是接受從遙控器上發(fā)出的相關(guān)指令，完成對燈具的控制，包括對單只燈泡的啟動(dòng)、延時(shí)關(guān)閉、亮度調(diào)節(jié)以及對整個(gè)家庭燈具的關(guān)閉、開啟等。燈光控制部分為本系統(tǒng)的核心，初始化時(shí)控制部分完成ZigBee的網(wǎng)絡(luò)組建，設(shè)定相關(guān)數(shù)據(jù)并接受遙控指令完成對燈具的操作。遙控器部分首先完成對控制部分ZigBee的綁定，再根據(jù)ZigBee協(xié)議格式將相關(guān)指令發(fā)出。

4.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 電源電路設(shè)計(jì)

為了保證智能家庭照明系統(tǒng)的正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)了2種方式供電，用JTAG接口對CC2530進(jìn)行編程時(shí)，利用JTAG的3.3V電源引腳為電路供電。這種供電方式的缺點(diǎn)是由于JTAG接口提供的電壓穩(wěn)定性不高，紋波較大，對照明系統(tǒng)的控制信號(hào)有一定的影響，且只適用于電路調(diào)試階段使用。另一種方式是單獨(dú)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)穩(wěn)定的3.3V直流電源，如圖2電源電路圖所示。Q1為220V50Hz交流電壓輸入，C1為0.1uF/400V的電解電容為系統(tǒng)提供能量，4只二極管D1、D2、D3、D4搭建整流橋經(jīng)全波整流后形成脈動(dòng)直流電壓U1，再經(jīng)過C2濾波電容1500 uF/16V并與9個(gè)串聯(lián)的二極管（D5到D14）并聯(lián)得到直流電壓U2 6.3V，此時(shí)直流電壓U2的紋波仍然較大，無法使CC2530ZigBee模塊正常工作，選用LM 1117-3.3V穩(wěn)壓芯片將U2電壓穩(wěn)定到U3得到穩(wěn)定的直流電壓U3 3.3V，保證CC2530模塊穩(wěn)定的工作。

圖2 電源電路

4.2 燈具控制和過零檢測電路設(shè)計(jì)

家庭中的燈具一般工作在220V/50Hz的交流電上，將雙向可控硅BT134與燈具相串聯(lián)，通過控制雙向可控硅BT134是否導(dǎo)通，進(jìn)而控制燈具的亮滅。由于雙向可控硅BT134也工作在220V/50Hz的交流電上，必然經(jīng)過可控硅的死區(qū)，導(dǎo)致雙向可控硅無法工作，因此引入過零檢測電路如圖3所示。它主要由光電藕合器TPL521-2 J1和電解電容C4組成。Q1為220V交流電輸入，C4為0.1u/400v的無極性電容，起恒流限流的作用，保證獲得寬度穩(wěn)定的窄脈沖信號(hào)。將此信號(hào)送入CC2530模塊的P1.2口，將CC2530的引腳P1.2設(shè)置為輸入、外部中斷低電平檢測，由中斷程序產(chǎn)生PWM信號(hào)經(jīng)CC2530的P1.1口輸出。

燈具的控制電路如圖3所示，它主要由NPN型三極管Q3、雙向可控硅BT134 Q2和光隔離可控硅驅(qū)動(dòng)器MOC3043 J2組成。由CC2530的P1.1口輸出的信號(hào)，經(jīng)NPNNPN型三極管Q3電流放大，使能達(dá)到光隔離可控硅驅(qū)動(dòng)器MOC3043的驅(qū)動(dòng)電流20mA，保證MOC3043可以驅(qū)動(dòng)控制雙向可控硅BT134，控制BT134的導(dǎo)通角的大小，進(jìn)而控制燈具的亮滅。

4.3 遙控器電路設(shè)計(jì)

遙控器硬件主要由ZigBee模塊、鍵盤模塊、電源模塊、LCD顯示模塊和JTAG接口組成，如圖4所示，ZigBee模塊的I/O引腳全部引出，鍵盤模塊采用4*5掃描電路，占用I/O口較多，顯示模塊采用SPI接口帶圖形顯示和字庫的3.3V低功耗的LCD模塊。使用AA電池供電，給ZigBee模塊和LCD模塊提供穩(wěn)定的3.3V電壓。通過遙控器的按鍵可以切換不同的任務(wù)，如：在人離開家或夜晚睡覺時(shí)采用一鍵關(guān)閉所有燈具，或是單獨(dú)讓臥室燈具延時(shí)幾分鐘后關(guān)閉等。隨時(shí)觀察遙控器LCD顯示屏，可得知整個(gè)房屋中各中燈具的狀態(tài)，可以很方便地操作。

圖4 遙控器框圖

5.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能家庭照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于TI的Z-stack和IAR-EW 8051軟件實(shí)現(xiàn)編程。由于在Z-stack基礎(chǔ)上進(jìn)行編程，使系統(tǒng)的開發(fā)周期大大縮短。ZigBee聯(lián)盟制定了針對ZigBee在家庭網(wǎng)絡(luò)方面的應(yīng)用框架ZigBee家庭自動(dòng)公共準(zhǔn)則。Profile是對邏輯設(shè)備及其接口的描述集合，是針對某個(gè)特定應(yīng)用的準(zhǔn)則，其目的是使不同生產(chǎn)商按照同一個(gè)Profile設(shè)計(jì)的產(chǎn)品之間可以相互操作、相互替換。本文的智能家庭照明系統(tǒng)就是在這個(gè)Profile基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。為使節(jié)點(diǎn)達(dá)到通用性要求，需要上電后，調(diào)用相應(yīng)的初始化程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行初始化。

圖5所示為智能家庭照明系統(tǒng)主程序流程，系統(tǒng)上電開機(jī)后首先完成物理層和網(wǎng)絡(luò)層初始化，然后自動(dòng)建立ZigBee網(wǎng)路，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)組建成功后開始初始化外圍硬件，然后初始化APS層和ZDO層任務(wù)，再對用戶自定義任務(wù)進(jìn)行初始化進(jìn)入消息循環(huán)機(jī)制，檢測RF中斷，當(dāng)有新任務(wù)時(shí)激活相應(yīng)任務(wù)處理該任務(wù)。這些任務(wù)包括對家庭場景光照的選擇、每個(gè)房間燈光的控制等任務(wù)模式。當(dāng)任務(wù)處理完畢后，系統(tǒng)進(jìn)入休眠模式，這樣系統(tǒng)可以降低功耗，延長電源使用壽命。

6.結(jié)語

經(jīng)過不斷的調(diào)試、修改，基于ZigBee的智能家庭照明系統(tǒng)最終全部通過，成功實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)。經(jīng)測試，電源模塊、顯示模塊、開關(guān)模塊、控制模塊工作正常，程序系統(tǒng)工作正常，智能遙控器控制無誤。在安裝時(shí)只需安裝本智能家庭照明系統(tǒng)，不需對室內(nèi)線路作任何改動(dòng)，也不需另外布線。另外，本系統(tǒng)還可以為后續(xù)系統(tǒng)升級，形成新的智能家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，因此，此系統(tǒng)具有很好的擴(kuò)展能力，方便使用。該系統(tǒng)非常適合家庭、公司、商店和賓館等由個(gè)人通信終端來實(shí)現(xiàn)控制的場合。

[1] 王家賓.基于EM 250的Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)解決方案[J].技術(shù)與研發(fā)，2007，1.

[2] 基于ZigBee的智能開關(guān)控制系統(tǒng)的應(yīng)用與設(shè)計(jì)[J].電氣自動(dòng)化，2010，3.

[3] Luca Casone.Improving many-to-one traffic flow ing in multi-hop 802.15.4 WSNs using a MAC-level fair scheduling[J].STMicroelectronics，University of Lecce.1-4244-1455-5/07 2007 IEEE.