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

摘 要：隨著人們對(duì)智能化生活需求的提高，傳統(tǒng)的室內(nèi)照明系統(tǒng)存在的布線復(fù)雜、電能浪費(fèi)、不能遠(yuǎn)程控制等諸多問(wèn)題已經(jīng)無(wú)法滿足人們需求。為此，文章提出一種基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)主要采用集射頻與微控制器于一體的片上系統(tǒng)CC2530為核心器件，實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)照明光強(qiáng)、紅外感應(yīng)人體活動(dòng)自動(dòng)開關(guān)照明。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該系統(tǒng)操作方便、反應(yīng)靈敏、更具人性化和節(jié)能等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：ZigBee；智能照明；CC2530

1 概述

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，各種智能設(shè)備與智能家居解決方案不斷推出，其中照明系統(tǒng)解決方案更是百花齊放。市場(chǎng)上的應(yīng)用最為廣泛的聲控?zé)簦涿恳槐K燈與聲控、光控、時(shí)鐘元件串聯(lián)在一起組成一個(gè)閉環(huán)被動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)，當(dāng)有一定大小的聲音傳入且環(huán)境光線較弱時(shí)，燈被點(diǎn)亮，延時(shí)一定時(shí)間后熄滅，看似已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了照明設(shè)備的自動(dòng)化，但這種控制僅僅適合樓道等場(chǎng)景使用，同時(shí)在點(diǎn)亮的時(shí)候需要一定大小的聲音，夜間容易產(chǎn)生噪音干擾，也容易被其他聲音干擾誤點(diǎn)亮。ZigBee技術(shù)應(yīng)用于智能照明系統(tǒng)，能使系統(tǒng)中所有的照明設(shè)備在短距離內(nèi)自動(dòng)組網(wǎng)，由協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)終端無(wú)線控制。各個(gè)照明設(shè)備也能實(shí)時(shí)判斷環(huán)境光線的強(qiáng)弱和是否有人員進(jìn)入，做到感應(yīng)開啟。這一控制系統(tǒng)不需要特定環(huán)境，也無(wú)需重新布線，只要對(duì)既有線路稍微做出更改便可實(shí)現(xiàn)無(wú)線智能控制。簡(jiǎn)便的操作、便宜的價(jià)格、適用于大部分照明場(chǎng)景。

2 ZigBee技術(shù)

ZigBee是一種短距離、低復(fù)雜度、低耗能、低速率、低成本的無(wú)線短距離雙向網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。因此具有廉價(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)介于無(wú)線標(biāo)記和藍(lán)牙之間的技術(shù)方案工作組，主要用于近距離無(wú)線連接，采用IEEE 802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。一個(gè)基于ZigBee的無(wú)線個(gè)人域網(wǎng)能支持高達(dá)254個(gè)節(jié)點(diǎn)。ZigBee采用自組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)之間以接力的方式通過(guò)無(wú)線電波來(lái)實(shí)現(xiàn)通信，通信效率非常高。

ZigBee組網(wǎng)方式主要有三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型結(jié)構(gòu)、簇狀結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。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(méi)有路由，近距離傳輸。本照明系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由一個(gè)協(xié)調(diào)器和多個(gè)終端設(shè)備組成。在本ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器執(zhí)行命令的發(fā)送。協(xié)調(diào)器將控制命令發(fā)送到指定的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)指定的節(jié)點(diǎn)收到來(lái)自協(xié)調(diào)器的命令后，就做出指定的動(dòng)作，而各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)之間不能互相通信。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在架設(shè)ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí)所選擇的硬件平臺(tái)是CC2530模塊ZigBee開發(fā)套件。CC2530內(nèi)部已集成了一個(gè)8051微處理器與高性能的RF收發(fā)器。CC2350能以很低的成本建設(shè)強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，擁有較大的快閃記憶體，能存儲(chǔ)256B數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)主要分為協(xié)調(diào)器模塊和終端節(jié)點(diǎn)模塊。協(xié)調(diào)器模塊由ZigBee模塊和PC組成，終端節(jié)點(diǎn)模塊主要由ZigBee模塊、光敏傳感器、紅外傳感器和照明燈泡組成?？刂撇呗越Y(jié)合ZigBee2007協(xié)議，終端節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集照明現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，經(jīng)過(guò)協(xié)調(diào)器上CC2530芯片的邏輯分析后，發(fā)回操作指令給終端節(jié)點(diǎn)。PC上位機(jī)也可實(shí)時(shí)顯示環(huán)境參數(shù)信息，對(duì)照明設(shè)備進(jìn)行集中管理和控制。使用的主要硬件包括ZigBeeCC2530芯片模塊、HC-SR501型紅外電傳感器、5549光敏傳感器、燈泡、RS232串口通信線、YL-78 1路繼電器、PC機(jī)、電源、下載線等。硬件原理圖如圖1所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

使用TI公司開發(fā)的基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的 Z-Stack協(xié)議棧 ，僅僅需要設(shè)計(jì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層軟件即可。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器初始化網(wǎng)絡(luò)后，終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器完成網(wǎng)絡(luò)連接的過(guò)程，成功組建ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)。光敏傳感器對(duì)室內(nèi)光照強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將采集的光強(qiáng)信息傳給終端ZigBee模塊，終端ZigBee模塊又將此信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過(guò)串口將數(shù)據(jù)送到上位機(jī)顯示，同時(shí)，協(xié)調(diào)器對(duì)光強(qiáng)信息進(jìn)行分析判斷，當(dāng)光強(qiáng)高于既設(shè)閾值時(shí)點(diǎn)亮燈泡，小于則熄滅。此模式還要判斷是否有紅外感應(yīng)的情況下執(zhí)行，當(dāng)沒(méi)有紅外感應(yīng)時(shí)，燈泡一直處于熄滅狀態(tài)。

本論文實(shí)物使用開發(fā)板P0.4口和P0.5口作為電磁繼電器的信號(hào)輸入端，設(shè)定高電平時(shí)繼電器斷開，低電平時(shí)繼電器吸合。主要應(yīng)用ZigBee協(xié)議棧SampleApp_Init（ ）用戶任務(wù)初始化函數(shù)，設(shè)置程序發(fā)送數(shù)據(jù)的方式和目的地址尋址模式，定義設(shè)備用來(lái)通信的APS層端點(diǎn)描述符；SampleApp_ProcessEvent（ ）用戶應(yīng)用任務(wù)的事件處理函數(shù)，處理用戶按鍵任務(wù)；SampleApp_SendPeriodicmessage（ ）分析發(fā)送信息函數(shù)，調(diào)用AF_DataRequest將數(shù)據(jù)無(wú)線廣播出去；SampleApp_MessageMSGCB（ ）分析接收數(shù)據(jù)函數(shù)，接收廣播信息數(shù)據(jù)，并執(zhí)行。

5 系統(tǒng)整體測(cè)試

給兩塊ZigBee開發(fā)板上電，組網(wǎng)成功后，當(dāng)有人體靠近時(shí)，紅外熱釋電傳感器感應(yīng)到人體靠近，同時(shí)通過(guò)光敏模塊采集環(huán)境光強(qiáng)度，協(xié)調(diào)器分析處理采集信號(hào)，如果環(huán)境光強(qiáng)度弱，發(fā)出高電平，控制繼電器將燈點(diǎn)亮，反之發(fā)出低電平，繼電器不工作燈泡保持熄滅狀態(tài)。

PC上位機(jī)能夠顯示遠(yuǎn)程終端節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)終端節(jié)點(diǎn)上的燈泡集中控制。

6 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)將ZigBee技術(shù)與室內(nèi)照明相結(jié)合，能實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑室內(nèi)外的照明設(shè)備進(jìn)行集中管理，該系統(tǒng)可用于家庭照明、樓道燈和偏僻地點(diǎn)的路燈等場(chǎng)景的照明控制。利用此系統(tǒng)不但可以降低系統(tǒng)的安裝成本與難度，同時(shí)可靠性高、維護(hù)方便，有著廣闊的應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介：古丹（1991-），女，漢族，四川，助理實(shí)驗(yàn)師，本科，三亞學(xué)院，研究方向：電子技術(shù)。