家用照明裝置無線控制系統(tǒng)設計

宋俊慷 王坊 盧丁銘

文章編號： 2095-2163（2018）03-0169-03中圖分類號： 文獻標志碼： A

摘要： 關鍵詞： （College of Physics and Electronic Engineering， Guangxi Normal University for Nationalities， Chongzuo Guangxi 532200， China）

Abstract： Taking the household lighting control system as the research object， the design scheme of wireless household lighting control system is expounded. The system adopts the wireless Internet of things technology， which not only realizes the wireless transmission of the control signal of the household lighting device， but also controls the working state of the household lighting device with the smart phone in the room， therefore provides the flexible control mode.The system effectively reduces the complexity of wiring in household lighting system， and controls the household lighting device flexibly and conveniently. The test results prove the feasibility of the design of the system.

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通訊作者： 收稿日期： 引言

隨著城市建設規(guī)模的增長與質量的穩(wěn)步提升，與人們生活密切相關的室內照明工程的科技融入研發(fā)即已成為吸引各界關注的熱點內容。其中，家用照明裝置也已然呈現出多功能集成及智能化控制的潮流引領態(tài)勢。傳統(tǒng)室內照明的管理方式已經難以適應時代的發(fā)展需求[1]，人們對家用照明裝置控制方案舒適度的追求正日趨突出與迫切。為提高室內家用照明的管控水平，設計展開家用照明裝置無線控制系統(tǒng)的研究則已勢在必行，同時也還具備著良好有益的社會實用價值[2]。

傳統(tǒng)家用照明控制設備對家居每一處照明裝置的操作均是孤立行為，照明裝置難以獲得靈活控制。一方面，家用照明裝置采用有線控制方法，使得室內電線布局復雜，而且也提高了布線成本；另一方面，隨著室內照明工程的高端升級，控制開關檔位也隨即增加了技能處理的復雜程度[3]。

本文即以現實應用背景為研究對象，設計開發(fā)了用戶可以通過智能手機對家用照明裝置進行無線控制的便捷方式[4-7]。解決了傳統(tǒng)室內照明控制系統(tǒng)的一系列缺陷與不足，有效降低了室內照明布線的復雜程度，在節(jié)約資源的基礎上使家用照明裝置能更加方便地做到科學集中管理[8-9]。1家用照明裝置無線控制系統(tǒng)總體設計

建立如圖1所示的系統(tǒng)結構設計所部署規(guī)劃的家用照明裝置無線控制系統(tǒng)，從而完成對家用照明裝置的控制。系統(tǒng)主要由控制節(jié)點、中心節(jié)點和上位機軟件3部分構成。其中，控制節(jié)點用于接收中心節(jié)點轉發(fā)的控制命令，實現對照明裝置的控制；中心節(jié)點接收上位機下發(fā)的控制命令，將其轉發(fā)給相應的控制節(jié)點；上位機由電腦和智能手機2部分組成，兩者均可實現對家用照明系統(tǒng)控制命令的發(fā)送。

整個家用照明裝置無線控制系統(tǒng)具有3層結構，對其功能可闡析分述如下。

（1）分布式控制層，由各個控制節(jié)點構成。該層定制功能是在控制室內各照明裝置工作狀態(tài)基礎上，設計構建與數據匯集層設備的數據組網通信。

（2）數據匯集層，由中心節(jié)點構成。該層設計功能是接收來自人機交互層下發(fā)的照明控制指令，并轉發(fā)至室內各個控制節(jié)點。

（3）照明控制人機交互端，由上位機構成。該層重點是通過人機交互生成照明控制命令，并下發(fā)給數據匯集層的中心節(jié)點。

2系統(tǒng)關鍵設計

2.1上位機軟件概述

上位機軟件分為計算機應用程序和手機App程序2部分。各部分的功能設計可見如下。

計算機應用程序通過串口通信程序和Socket通信程序來研發(fā)建立手機App與中心節(jié)點的數據通路。手機App程序通過Wi-Fi網絡與計算機相連接向計算機發(fā)送控制命令，計算機應用程序間接將手機發(fā)送的控制命令通過USB轉串行通信下發(fā)至中心節(jié)點。

2.2關鍵技術設計

2.2.1組網通信設計

控制節(jié)點和中心節(jié)點間的無線數據鏈路采用ZigBee組網通信技術。本設計采用由TI公司生產的CC2530芯片作為ZigBee組網通信的核心。CC2530是TI公司推出的新一代片上系統(tǒng)芯片，采用表面貼裝工藝批量生產，一致性好，可靠性高；芯片工作在2.4 GHz的ISM頻段，芯片數字I/O端口全部引出，應用廣泛并免除了客戶射頻開發(fā)的困難；軟件方面支持TI-MAC、SimpliciTI、Z-Stack、RemoTI等軟件包，方便客戶開發(fā)符合IEEE 802.15.4、ZigBee2007、ZigBee Pro和ZigBee RF4CE等標準或其它非標準產品。芯片體積小巧，采用外置SMA天線接口設計，增益大，接收靈敏度高，通信距離遠。

CC2530的內置資源包括：單周期的8051兼容內核、8 kB的靜態(tài)隨機存取存儲器、21個數字I/O引腳、5個獨立的直接內存存取通道、1個獨立16位定時器、2個8位定時器、1個睡眠定時器、1路8通道14位AD接口、1個隨機數發(fā)生器、1個AES外部協(xié)處理器、4個可選定時器間隔的看門狗、1個高性能的射頻收發(fā)器、2個USART接口。CC2530有40個引腳，引腳按功能排布，其最小系統(tǒng)包含了芯片工作時的基本核心電路部分，也就是：電源電路、復位電路、時鐘電路、仿真接口和無線射頻。這里，給出最小系統(tǒng)主要外圍電路如圖2所示。

2.2.2控制節(jié)點設計

控制節(jié)點在使用CC2530最小系統(tǒng)的基礎上增加繼電器控制接口。通過操作CC2530的P1管腳的I/O端口來控制繼電器，實現對照明裝置的工作狀態(tài)的控制。CC2530與繼電器控制接口設計原理即如圖3所示。

控制節(jié)點軟件的設計流程如圖4所示。

控制節(jié)點CC2530芯片在啟動后即以ZigBee組網終端模式來初始化自身的硬件資源，包括通道、頻率、I/O端口等等；其次，發(fā)出網絡加入信號，向其通信范圍內的Zigbee協(xié)調器申請加入網絡；如果收到成功入網的應答信號，則轉至低功耗狀態(tài)。如果加入網絡失敗，則繼續(xù)發(fā)送申請信號，直到成功加入一個ZigBee協(xié)調器組建的網絡為止；最后，成功加入網絡、并選取低功耗模式后就要等待系統(tǒng)初始化時預置的數據傳輸命令。一旦數據傳輸命令激活，則調取等待數據中心節(jié)點轉發(fā)照明控制命令控制繼電器工作狀態(tài)。

2.2.3中心節(jié)點設計

數據中心節(jié)點硬件設計依然以CC2530最小系統(tǒng)為核心，在此基礎上添加CH340G型USB串行通信接口來與計算機實際建立數據連接。CH340G的結構原理即如圖5所示。

數據中心節(jié)點的CC2530芯片在以協(xié)調器功能啟動后，將會進行ZigBee的網絡初始化，這樣也就確定了網絡的信道和PAN ID。此后就進入無線監(jiān)控狀態(tài)對其通信范圍內的申請加入網絡的信號展開監(jiān)測。當接收到有節(jié)點需要申請加入網絡時，在資源允許的情況下，便為該申請加入的節(jié)點分配指定的網絡資源和地址。如果暫無申請信號，則查詢其與上位機連接的串行通信接口是否接收到上位機發(fā)送的控制命令。若并未收到，就繼續(xù)對周邊加入網絡的申請信號進行監(jiān)測；若上位機發(fā)送了照明裝置控制命令，則將該次獲取的命令發(fā)送至已經加入網絡中對應的控制節(jié)點。

3測試與評估

測試系統(tǒng)如圖7所示。

整個系統(tǒng)測試使用2個自行設計的LED燈模擬家用照明裝置，分別對客廳和臥室的照明裝置指配現場模擬。系統(tǒng)運行后可知，2個控制節(jié)點通過繼電器實現對2個模擬家用照明裝置的控制；中心節(jié)點可實時轉發(fā)上位機下發(fā)的控制命令至對應的控制節(jié)點。

4結束語

通過仿真實驗可以看出，根據家用照明工程的需求機制特點，使用物聯網ZigBee組網通信可以有效實現家用照明裝置的無線組網通信控制。在此基礎上，使用手機App和計算機通信軟件就可對家用照明裝置施以靈活控制，使家用照明工程應用技術的發(fā)展更趨系統(tǒng)化、數字化和智能化。

參考文獻

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