基于Zig Bee技術(shù)的智能調(diào)光開關(guān)設(shè)計(jì)*

李治斌， 鄧小芳， 張余明， 廖業(yè)高

(1.桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004；

2.桂林電子科技大學(xué) 認(rèn)知無線電與信息處理省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004；

3.廣西瀚特信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司，廣西 桂林 541004；

4.中國電信廣西分公司，廣西 南寧 530012)

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)作為一種新興的技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。它是通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)等，將物理世界中的實(shí)體連接到因特網(wǎng)上來完成智能識(shí)別和管理。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，人們可以通過各種設(shè)備全天候獲得特定服務(wù)。不僅僅是通過個(gè)人電腦，那些連接到互聯(lián)網(wǎng)的智能終端也可以方便地為人們提供信息和執(zhí)行決策[1]。作為物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用，智能家居業(yè)務(wù)發(fā)展備受矚目。智能家居是通過在住宅安裝傳感器用于觀察環(huán)境并由設(shè)備提供主動(dòng)式服務(wù)來達(dá)到改善居住者的體驗(yàn)的目的[2]。智能家居可以讓用戶有更便捷的方式來管理家用設(shè)備,使多個(gè)設(shè)備形成聯(lián)動(dòng),而且,智能家居中的各個(gè)設(shè)備可以相互間通信,在沒有用戶指揮的時(shí)候也能根據(jù)不同的狀態(tài)互動(dòng)地運(yùn)行,從而為用戶帶來更好的高效、舒適、方便和安全的家居環(huán)境[3]。智能家居系統(tǒng)從以PC為控制中心逐漸變?yōu)橐郧度胧郊彝ゾW(wǎng)關(guān)為核心的智能控制系統(tǒng)[4]。基于Zig Bee技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)與以前的主機(jī)式集中控制系統(tǒng)的最大區(qū)別是采用Zig Bee組網(wǎng)通信方式，省去了復(fù)雜、困難的布線工作，降低了成本，實(shí)現(xiàn)了家居的智能化[5]。

本文設(shè)計(jì)的基于Zig Bee技術(shù)的智能調(diào)光開關(guān)，在充分考慮用戶的需求后，通過對(duì)傳統(tǒng)開關(guān)進(jìn)行改進(jìn)，在其中加入Zig Bee模塊，使得該智能調(diào)光開關(guān)可以和整個(gè)智能家居系統(tǒng)組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，可達(dá)到對(duì)家庭照明環(huán)境的全天候、多手段的監(jiān)視和控制。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

智能調(diào)光開關(guān)模塊包括6個(gè)模塊,其硬件結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。1)LPC2132微控制器模塊負(fù)責(zé)采集模擬量信息、開關(guān)量信息和與Zig Bee模塊進(jìn)行信息交互；2)電源模塊主要是根據(jù)不同的電路模塊對(duì)電壓的不同需求，將輸入的電壓轉(zhuǎn)換成電路元器件適應(yīng)的電壓；3)模擬量采集模塊主要是檢測(cè)市電的過零點(diǎn)信號(hào)，將檢測(cè)到的過零點(diǎn)信號(hào)輸入到LPC2132微控制器模塊供其使用；4)開關(guān)量采集驅(qū)動(dòng)模塊由2個(gè)按鍵構(gòu)成，按下后產(chǎn)生一個(gè)低電平信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到此觸發(fā)信號(hào)時(shí)判斷其是調(diào)節(jié)加信號(hào)還是調(diào)節(jié)減信號(hào)，驅(qū)動(dòng)可控硅導(dǎo)通時(shí)間點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)燈光亮度調(diào)節(jié)；5)Zig Bee模塊的無線收發(fā)部分可以與Zig Bee智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行信息交互，利用其接收到的用戶指令轉(zhuǎn)換成開關(guān)調(diào)節(jié)信息發(fā)送給LPC2132微控制器模塊；6)JTAG模塊用于對(duì)微控制器模塊中的程序進(jìn)行更新，方便以后的升級(jí)。

圖1 智能調(diào)光開關(guān)硬件結(jié)構(gòu)框架圖

1.1 微控制器模塊

微控制器模塊相當(dāng)于人體的大腦，其完成對(duì)各個(gè)模塊的控制和協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的工作[6]。本系統(tǒng)微控制模塊選擇的是ARM7系列的LPC2132芯片。極小的封裝、極低的功耗和豐富的定時(shí)器使LPC2132可理想地用于智能調(diào)光開關(guān)系統(tǒng)中。為了提高系統(tǒng)的整體可靠性，復(fù)位電路采用微處理器電壓監(jiān)視器MAX811，并采用手動(dòng)復(fù)位方式。當(dāng)按鍵S3被按下后，由MAX811的/RESET引腳向LPC2132的/RESET輸出復(fù)位信號(hào)。微控制器模塊電路圖如圖2所示。

圖2 微控制器模塊電路

1.2 電源模塊

由于燈泡采用的是市電供電，而LPC2132和Zig Bee芯片需要3.3 V供電，所以，必須設(shè)計(jì)電源模塊將市電降壓到3.3 V。將交流市電采用整流濾波后再由變壓器降壓后得到VCC為12 V。輸入電壓(12 V)通過U1和外圍電路后輸出VDD為3.3 V，即為L(zhǎng)PC2132和CC2530芯片供電。電源模塊電路圖如圖3所示。

圖3 電源電路

1.3 模擬量采集模塊

智能調(diào)光開關(guān)是通過檢測(cè)市電信號(hào)的零點(diǎn)后，開啟延時(shí)計(jì)時(shí)器，根據(jù)所需亮度大小的要求，調(diào)整觸發(fā)的時(shí)間即控制可控硅的導(dǎo)通時(shí)間。精確地檢測(cè)市電的零點(diǎn)信號(hào)是整個(gè)系統(tǒng)的可靠保障。本系統(tǒng)采用將220V交流電壓經(jīng)過電阻器限流后直接加到光電耦合器EL354N的兩端。在交流電源正弦波過零的瞬間，光電耦合器產(chǎn)生一低電平脈沖信號(hào)作為L(zhǎng)PC2132的中斷請(qǐng)求信號(hào)。模擬量采集模塊電路圖如圖4所示。

圖4 模擬量采集電路

1.4 開關(guān)量采集驅(qū)動(dòng)模塊

按鍵S1和S2分別完成調(diào)節(jié)亮度加和調(diào)節(jié)亮度減的功能，可將其直接連到LPC2132的I/O端口，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，產(chǎn)生一低電平觸發(fā)輸入到LPC2132，LPC2132提取觸發(fā)信號(hào)的下降沿獲得定時(shí)信號(hào)。對(duì)零點(diǎn)信號(hào)延時(shí)后，LPC2132發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)給光電耦合器ELM3064，光電耦合器導(dǎo)通后給雙向可控硅一個(gè)觸發(fā)電壓，此時(shí)交流電就接到了燈泡兩端。開關(guān)量采集驅(qū)動(dòng)模塊電路圖如圖5所示。

圖5 開關(guān)量采集驅(qū)動(dòng)模塊電路

1.5 Zig Bee模塊

Zig Bee模塊是整個(gè)系統(tǒng)組網(wǎng)和控制的核心,采用德州儀器(TI)Zig Bee射頻芯片CC2530，CC2530提供了101dB的鏈路質(zhì)量，高的接收器靈敏度和強(qiáng)的抗干擾性，4種供電模式，以及一套廣泛的外設(shè)集,包括2個(gè)USART、12位ADC和21個(gè)通用GPIO等[7]。CC2530配備TI的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)兼容或?qū)Ｓ械木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧來簡(jiǎn)化開發(fā)，縮短開發(fā)周期。Zig Bee模塊中主時(shí)鐘晶振采用32 MHz無源晶振和32.768 kHz時(shí)鐘晶振，射頻收發(fā)模塊外圍電路采用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，天線使用50 Ω 鞭狀負(fù)極性天線[8]。Zig Bee模塊電路圖如圖6所示。

圖6 Zig Bee模塊電路

1.6 JTAG模塊

JTAG接口用于系統(tǒng)仿真和調(diào)試。標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口是4線的：TMS,TCK,TDI和TDO，分別為測(cè)試選擇、測(cè)試時(shí)鐘、測(cè)試數(shù)據(jù)輸入和測(cè)試數(shù)據(jù)輸出。本系統(tǒng)采用20針的JTAG接口。除了上面4根線，還有nTRST,RTCK和nRESET，分別為測(cè)試系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)、測(cè)試時(shí)鐘返回信號(hào)和目標(biāo)系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)。

2 主要軟件設(shè)計(jì)

2.1 微控制器模塊程序

微控制器模塊程序設(shè)計(jì)采用了ADS1.2軟件編程環(huán)境。微控制器模塊作為系統(tǒng)的核心模塊，主要完成檢測(cè)過零信號(hào)、開啟延時(shí)定時(shí)器、發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)、檢測(cè)按鍵信號(hào)及與Zig Bee模塊通信。當(dāng)模塊上電后，調(diào)光控制端口置零，此時(shí)燈光不亮。接著完成端口初始化和T0,T1定時(shí)器和PWM定時(shí)器初始化。當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行過零檢測(cè)程序后將檢測(cè)后的過零時(shí)間點(diǎn)作為延時(shí)定時(shí)器的起點(diǎn)。系統(tǒng)一直檢測(cè)是否有按鍵消息或者來自Zig Bee模塊的控制信號(hào)。如果檢測(cè)到該類信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換成定時(shí)器的不同定時(shí)時(shí)長(zhǎng)。當(dāng)定時(shí)器超時(shí)后發(fā)出PWM驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，可控硅導(dǎo)通，燈泡被點(diǎn)亮。微控制器模塊程序流程圖如圖7所示。

圖7 微控制器模塊程序流程圖

2.2 Zig Bee模塊程序

Zig Bee模塊程序設(shè)計(jì)采用了IAR開發(fā)環(huán)境和TI公司提供的ZStack協(xié)議?？蚣?，編寫了實(shí)現(xiàn)所需功能的APS層部分。ZStack協(xié)議棧是基于Zig Bee聯(lián)盟新發(fā)布技術(shù)規(guī)范Zig Bee PRO開發(fā)而成的[9]。程序框架采用了Sample程序?qū)嵗慕Y(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)的開發(fā)周期大大縮短。當(dāng)系統(tǒng)上電后，程序首先初始化CC2530，然后初始化I/O口和協(xié)議棧，并開始發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，等待Zig Bee智能網(wǎng)關(guān)響應(yīng)，并給自己分配網(wǎng)絡(luò)地址[10]。成功加入網(wǎng)絡(luò)后，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)，當(dāng)有新消息發(fā)生時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)應(yīng)用層處理函數(shù)。Zig Bee模塊程序流程圖如圖8所示。

圖8 Zig Bee模塊程序流程圖

3 測(cè)試結(jié)果與性能分析

通過對(duì)實(shí)際電路的測(cè)試，本系統(tǒng)的智能調(diào)光開關(guān)和Zig Bee智能網(wǎng)關(guān)的有效通信距離可以達(dá)到50 m以上，接收數(shù)據(jù)時(shí)電流為23 mA，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)電流為33 mA。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行了系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試，燈泡選擇額定電壓220 V、額定功率25 W的白色白熾燈。接上220 V交流電后，測(cè)得電源模塊VCC端電壓為11.9 V，VDD端電壓為3.3 V，滿足正常供電要求。實(shí)驗(yàn)中設(shè)置了五檔調(diào)光級(jí)別，分別測(cè)試了每檔調(diào)光級(jí)別的燈泡兩端電壓、電流、實(shí)際功率，經(jīng)測(cè)試均滿足設(shè)定要求。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語

隨著生活品質(zhì)的提高，人們?cè)絹碓阶非蠹揖迎h(huán)境的智能化和舒適性。本文采用的基于Zig Bee技術(shù)設(shè)計(jì)的智能調(diào)光開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)利用智能終端對(duì)家居照明環(huán)境進(jìn)行控制

和調(diào)節(jié)。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)各模塊均正常工作,且實(shí)現(xiàn)了通過手機(jī)和平板電腦安裝客戶端軟件后，對(duì)測(cè)試環(huán)境中的燈泡進(jìn)行調(diào)光操作。本開關(guān)安裝方便，無需重新布線，可擴(kuò)展性強(qiáng)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，適合家庭住宅、公寓、公司寫字樓等場(chǎng)所推廣使用，具有很好的市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn):

[1]Yuan X R,Peng S G.A research on secure smart home based on the Internet of things[C]∥IEEE International Conference on Information Science and Technology,Wuhan:IEEE,2012:737-740.

[2]Dan D,Rory A C,Paul F P,et al.Sensor technology for smart homes[J].Maturitas,2011,69(2):131-136.

[3]李 睿.基于Zig Bee的移動(dòng)智能終端在物聯(lián)網(wǎng)智能家居中的應(yīng)用[D].北京：北京郵電大學(xué),2011:1-7.

[4]蘆 寧.Zig Bee無線技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006:1-5.

[5]童曉渝，房秉毅，張?jiān)朴?物聯(lián)網(wǎng)智能家居發(fā)展分析[J].移動(dòng)通信，2010,34 (9)：16-20.

[6]朱延生，蔣 泰，佘 智.基于ARM的公交優(yōu)先控制器的設(shè)計(jì)[J].廣西科學(xué)院學(xué)報(bào)，2012,28(1):55-58.

[7]Texas Instruments.CC2530 data sheet [EB/OL].[2010—10—05].http:∥www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cc2530.pdf.

[8]呂海洋，錢正洪，白 茹，等.基于GMR傳感器的Zig Bee無線車輛檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013,32(3)：127-130.

[9]吳光榮，章劍雄.基于Zig Bee技術(shù)的無線智能照明系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008,14(1)：67-69.

[10] 徐 勇，欒曉明，王 丹.基于Zig Bee技術(shù)的智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].研究與開發(fā)，2010,29(1)：42-45.