基于ZigBee的智能節(jié)能燈控系統(tǒng)設(shè)計

祁春陽　戴歡　李小超　仇上正

摘要：目前照明系統(tǒng)存在輸出無節(jié)制，負(fù)載不可調(diào)節(jié)，浪費(fèi)電能等缺點(diǎn)。該項目結(jié)合了無線控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和ZIGBEE無線通信技術(shù)，使用目前比較成熟的ZIGBEE技術(shù)，通過網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)搭建基于CC2530芯片[3，6]的智能節(jié)能燈控系統(tǒng)。該系統(tǒng)控制方便，安裝簡單，智能高效，可有效地解決用電量大，成本高，布線繁瑣等傳統(tǒng)家用﹑公用﹑工業(yè)照明方面的問題。

關(guān)鍵詞：ZigBee；節(jié)能；智能；CC2530；PWM

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）07-1582-04

1 概述

照明問題一直被社會所關(guān)注，與人們?nèi)粘Ｉ罹o密聯(lián)系。隨著社會的不斷發(fā)展，照明系統(tǒng)也由傳統(tǒng)的煤油，蠟燭等可燃物轉(zhuǎn)向了電力系統(tǒng)。愛迪生發(fā)明的電燈改變了整個社會的照明方式，電燈走入了社會的各個領(lǐng)域。但是隨著電力照明技術(shù)的不斷發(fā)展，節(jié)能減排已成為亟待解決重要問題之一。

現(xiàn)有的智能燈控系統(tǒng)基本上采用的是有線控制，增加成本和電力能源消耗，且對于用戶遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)造成很大的障礙[1]。目前樓宇燈控設(shè)備具有數(shù)量大、開放時間長的特性，所以我們不在簡單的追求不計能源消耗的照明方式，現(xiàn)有的ZIGBEE技術(shù)具有低功耗，近距離，低成本等優(yōu)勢[1，2]。其自動組網(wǎng)技術(shù)可以實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中所有燈控設(shè)備的連接，數(shù)據(jù)共享及網(wǎng)內(nèi)統(tǒng)一控制。在這些家庭網(wǎng)內(nèi)燈控節(jié)點(diǎn)中加入溫度傳感器，光敏傳感器可以更快更方便地收集設(shè)備周圍數(shù)據(jù)，為后續(xù)的燈控操作提供依據(jù)。本系統(tǒng)提供了以太網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)的接入方式，為用戶提供人性化可操作控制程序和安卓手機(jī)控制終端，便于智能照明系統(tǒng)的推廣和使用。

2 燈控系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)主要由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，燈控節(jié)點(diǎn)，上位機(jī)Web平臺和安卓或WinCE控制終端四部分組成。此ZigBee協(xié)議棧是基于ZStack協(xié)議棧所進(jìn)行的開發(fā)。TI官方的Zstack協(xié)議棧具有普及性強(qiáng)，適用人群多，易于二次開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。上位機(jī)不但有Web平臺功能且具有服務(wù)器性能，通過服務(wù)器組建無線局域網(wǎng)，進(jìn)而將手持控制終端設(shè)備加入到局域網(wǎng)中，實現(xiàn)手持設(shè)備與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的相互通信。

系統(tǒng)的架構(gòu)圖[5]如圖1所示，可以看到整個系統(tǒng)主要組成部分，及各層次之間的上下級關(guān)系。底層協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和各燈控節(jié)點(diǎn)之間具有相同的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。此協(xié)議通信采用主從式，一問一答，避免燈控節(jié)點(diǎn)同時發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生沖突。通信過程均由上位機(jī)發(fā)起，燈控節(jié)點(diǎn)應(yīng)答。

上層監(jiān)控軟件客戶端與手持設(shè)備的通信協(xié)議采用TCP/IP。根據(jù)整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)流傳輸過程，我們將下層兩個傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳遞給燈控節(jié)點(diǎn)中的主控MCU，后通過ZIGBEE協(xié)議傳到上層網(wǎng)關(guān)及監(jiān)控客戶端。本系統(tǒng)主要采用TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片，此芯片具有增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)部可以編程閃存，且其具有4種不同的閃存運(yùn)行模式模式，讓此芯片可以真正具有符合低功耗環(huán)境開發(fā)的基本條件?？芍苯釉谄舷到y(tǒng)進(jìn)行編程且代碼移植性好，技術(shù)成熟，成本低等優(yōu)勢讓其成為目前ZIGBEE開發(fā)的主流芯片。

3 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計

系統(tǒng)燈控節(jié)點(diǎn)由CC2530芯片模塊﹑傳感器模塊﹑檢錯電路模塊﹑PWM調(diào)光及開關(guān)模塊﹑外圍電路模塊和電源模塊六部分組成。

節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計圖如圖3所示，芯片模塊主要包含CC2530主控芯片及各管腳外接電路，此芯片模塊具有快速接收，轉(zhuǎn)發(fā)和處理數(shù)據(jù)的功能。傳感器模塊我們采用的是DS18B20溫度傳感器，光敏傳感器并由芯片模塊給傳感器供電[7]，此模塊可以時刻感知周圍環(huán)境參數(shù)并及時上傳至主控芯片。PWM調(diào)光模塊包含電壓升壓模塊，通過芯片模塊自主調(diào)控或用戶控制所給出的PWM信號調(diào)節(jié)整個電路中的燈泡亮度[10，11]。

檢錯電路圖如圖4所示，檢錯電路主要采用一個2N551小功率三極管，兩個二極管及電阻控制電壓變化[4]。左側(cè)箭頭所指方向為信號輸出端，當(dāng)其為高壓狀態(tài)時輸出數(shù)字信號1，通過協(xié)議棧內(nèi)部編程，當(dāng)燈控節(jié)點(diǎn)內(nèi)部收到觸發(fā)信號時發(fā)送預(yù)警信號給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，再通過TCP/IP協(xié)議同步數(shù)據(jù)到Web和手持客戶端。

檢錯電路工作原理：協(xié)調(diào)器獲得開燈指令后，如果電路輸出為高電壓狀態(tài)，即燈泡損壞或接觸不良等，則上位機(jī)和手持設(shè)備檢錯指示燈亮，需用戶檢查電路更換燈泡。檢錯電路工作原理在燈控系統(tǒng)上的應(yīng)用，方便有效地解決燈泡損壞檢查的問題。

4 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要包括客戶端、服務(wù)器、底層ZIGBEE協(xié)議棧的搭建，客戶端主要通過用戶的操作來實現(xiàn)上下層的數(shù)據(jù)交互，所有的客戶端都要連接到服務(wù)器，并從服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)信息。

軟件設(shè)計流程圖如圖5所示，上位機(jī)作為服務(wù)器與主節(jié)點(diǎn)通過RS232串口通信，通過建立TCP/IP連接與安卓手機(jī)、PAD等設(shè)手持設(shè)備，并且利用Socket通信并保持手持設(shè)備與服務(wù)器數(shù)據(jù)的同步。

上位機(jī)軟件工作流程圖如圖6所示，主要分為三部分：串口與網(wǎng)絡(luò)初始化、建立連接與數(shù)據(jù)傳輸校驗處理。首先，當(dāng)上位機(jī)軟件運(yùn)行時，先獲取系統(tǒng)串口數(shù)，選取相應(yīng)的COM口，獲取本機(jī)IP等。然后，手動選定上位機(jī)的COM口，波特率，以及在安卓手機(jī)和PDA的應(yīng)用上輸入目的IP，進(jìn)行連接。最后，通過上位機(jī)與協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸、校驗以及上位機(jī)與手機(jī)、PDA之間數(shù)據(jù)傳輸就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)開關(guān)燈控制，報警以及實時顯示溫度和燈的開關(guān)和好壞狀態(tài)等功能。本系統(tǒng)中的兩種手持設(shè)備客戶端采用了不同的技術(shù)，PDA采用C++編程，具有單個及批量開關(guān)燈，多種傳感器數(shù)據(jù)實時顯示等功能。為了實現(xiàn)更加人性化的操作，安卓手機(jī)客戶端中加入了全景地圖控制模式[8，9]，最新提出的全景地圖是二維地圖的拓展，具有真實感強(qiáng)、交互性強(qiáng)、易于沉浸的特點(diǎn)。將真實的生活空間帶入到地圖控制模式中去，多張圖片的組合可以讓我們控制的地圖更加具有立體感。采用panoramaGL開源庫進(jìn)行全景環(huán)境的展示，利用JSON協(xié)議進(jìn)行通信，通過設(shè)置熱點(diǎn)進(jìn)行燈的模擬，從而對燈進(jìn)行控制。此客戶端軟件能夠顯現(xiàn)真實環(huán)境場景，只需輕輕觸摸場景中的燈即可完成相應(yīng)操作。適合老人和孩子的使用，降低了使用門檻和提高了用戶體驗。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)在傳統(tǒng)的ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)一步的優(yōu)化了智能燈控系統(tǒng)，主要添加了燈控?fù)p壞檢測及PWM智能調(diào)光功能。當(dāng)本系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)燈出現(xiàn)問題時，將自動報警并顯示損壞燈泡的位置，便于用戶的自行更換。此外，燈控節(jié)能燈光的控制也得到了優(yōu)化，根據(jù)外界光的強(qiáng)度自動調(diào)節(jié)燈控?zé)艄鈴?qiáng)弱，可以更好的達(dá)到節(jié)能，節(jié)約成本的目的。本系統(tǒng)手機(jī)端全景地圖控制模式的增加也更加人性化，方便用戶使用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 宋艷霞.基于 ZigBee 的智能照明設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計[D].中北大學(xué)，2013.

[2] 詹杰，吳伶錫，唐志軍.基于 ZigBee 的智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電力電子技術(shù)， 2007， 41（10）： 25-26.

[3] 張啟明.基于 ZigBee 的智能照明系統(tǒng)的設(shè)計[D].武漢理工大學(xué)，2010.

[4] 周武斌. ZigBee 無線組網(wǎng)技術(shù)的研究[D].長沙：中南大學(xué)， 2009.

[5] 黃磊，付菲，閔華松.基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居方案研究[J].微計算機(jī)信息，2009（14）：71-73.

[6] 寧炳武，劉軍民.基于 CC2430 的 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2008，34（3）：95-99.

[7] 孫茂一，陳利學(xué).Zigbee 技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008（2）：192-194.

[8] 王旭升.基于 ZigBee 的智能建筑燈光控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機(jī)電工程技術(shù)，2012，40（12）：22-25.

[9] 黎洪生，劉蘇敏，胡冰，等.基于無線通信網(wǎng)絡(luò)的智能路燈節(jié)能系統(tǒng)[J].計算機(jī)工程，2009，35（14）： 190-191.

[10] 李智，涂亮，孫先松.基于 ZigBee 技術(shù)的智能照明系統(tǒng)設(shè)計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012，2（4）：29-31.

[11] 申浚.基于 ZigBee 的室內(nèi)智能照明系統(tǒng)設(shè)計[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012（9）：149-150.