基于ZigBee的智能照明控制系統(tǒng)設計

張 斌，侯嚴嚴，趙 濤

(商丘工學院 信息與電子工程學院，河南 商丘 476000)

0 引言

隨著傳感器技術、網絡技術、綜合布線技術、自動控制技術和大數據技術的發(fā)展，物聯(lián)網在人們生活中的作用越來越重要，智能家居是物聯(lián)網的應用領域之一。智能家居是一個較為龐大的系統(tǒng)，它由智能家電、智能照明和家庭安防三個部分組成[1]。

智能照明控制系統(tǒng)是智能家居系統(tǒng)的重要組成部分。傳統(tǒng)的家用照明系統(tǒng)一般都是手動控制，因人為疏忽，很可能會引起忘記關燈的情況，極易造成電量的浪費，而且會縮減燈具的使用壽命。另外，在夜晚不容易找到電燈的開關，會有一些不必要的麻煩。而智能家用照明系統(tǒng)則能解決這種問題。通過用傳感器感受光強，來判斷是黑夜還是白天；通過是否有人通過，來判斷是否需要自動地將電燈點亮；還可以通過手機APP對燈具的工作狀況進行檢查，從而可以一目了然地知道哪些燈具正在工作，從而避免不必要的電量浪費。通過智能照明系統(tǒng)對家用燈具進行監(jiān)控和管理，可以極大地提高用戶的生活體驗，能夠讓人們切身體會到現代科技給人們帶來的便利。

1 相關技術介紹

1.1 傳感器技術

傳感器是自動化和智能化控制系統(tǒng)的主要部件，被廣泛應用于收集環(huán)境數據，如溫度、濕度、氣壓、光照等[2]。傳感器感知外界信息，并將獲得的信息通過網絡傳送給計算機進行處理，進而使獲得的信息成為有效的數據。

1.2 ZigBee技術

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗和低成本的無線網絡協(xié)議，適合于遠程控制和自動控制等領域，主要應用于嵌入式設備中[3]。與其他頻段的無線技術相比，ZigBee技術具有功耗低、距離長、成本低、容量高和易組網的特點[4]。ZigBee提供的低安裝和運行成本有助于解決現有家庭自動化系統(tǒng)的昂貴和復雜的體系結構問題[5]。在ZigBee網絡中的設備類型一般有三個，分別是網絡協(xié)調器、中繼器和終端設備[6]。其中協(xié)調器負責將網絡啟動，中繼器可以允許其他終端設備加入ZigBee網絡。

2 智能照明系統(tǒng)硬件設計

2.1 智能照明系統(tǒng)總體設計框圖

智能照明控制系統(tǒng)主要是對家用電燈進行控制，系統(tǒng)主要由基礎設施層、感知層、網絡層和應用層組成，系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。

圖1 智能照明系統(tǒng)總體框圖

基礎設施層：主要是家用電燈，電燈種類和型號沒有限制，節(jié)能燈、彩燈等都可以。

感知層：主要是一些傳感器，用來感知家用電燈的狀態(tài)和周圍環(huán)境，通過將周圍信息進行采集，傳輸給數據處理中心，數據處理中心將數據進行分析，然后發(fā)送相應的指令，從而實現燈具的智能控制。用戶也可以根據采集的信息了解電燈的開關情況，實現電燈的遠程開閉控制。

網絡層：主要是將感知層的設備連接在一起，然后將感知層的數據通過ZigBee網絡傳遞給應用層。該層可以作為照明系統(tǒng)的中樞，實現數據的可靠傳輸。

應用層：該層的主要作用是根據用戶的指令，進行數據的查詢和設備的控制。具體的操控將由手機APP來完成。

2.2 手機與硬件設備的通信過程

在智能照明控制系統(tǒng)中，手機作為客戶端，硬件設備的中央控制器作為服務端。客戶端和服務端通過網絡進行連接。在進行通信的時候，手機APP通過HTTPClient向服務端發(fā)送一個用JSON組織內容的HTTP請求，服務端接收到該請求之后，在中央控制器進行信息的整合匯總，然后進行相應指令的控制。手機與硬件設備的通信如圖2所示。

圖2 手機與硬件設備通信過程

2.3 網絡層的設計

網絡層在整個智能照明系統(tǒng)中處于中間位置，所以智能照明系統(tǒng)的核心是網絡層設計。

網關設計：網關是網絡層的一個核心部件，各種類型的傳感器可以通過網關接入網絡。網關不僅可以對接入的設備進行管理，還可以識別、控制和維護所接入的外設。另外，它還有協(xié)議轉換的能力，可以將感知層獲得的信息進行統(tǒng)一封裝，形成格式統(tǒng)一的數據。網關硬件結構如圖3所示。

圖3 網關結構圖

網關的主要模塊有：主控制器模塊、電源模塊、I/O模塊、ZigBee協(xié)調器、USB接口、時鐘電路、串口調試模塊、JTAG模塊、以太網接口模塊等。

主處理器模塊：采用頻率較高的S3C2440芯片，可以保證系統(tǒng)有較高的處理效率。

JTAG模塊：主要用來進行程序的下載、調試和運行，以便系統(tǒng)達到較好的狀態(tài)。

串口調試模塊：可以對系統(tǒng)進行輔助調試。

電源模塊：提供系統(tǒng)運行所需要的動力，還可以進行系統(tǒng)復位操作。

I/O模塊：負責信號的輸入和輸出。

串口擴展模塊：可以進行接口的擴展，以接入其他硬件設備。

ZigBee協(xié)調器：可以對網絡節(jié)點進行管理，還可以存儲網絡節(jié)點信息。在智能照明系統(tǒng)中采用無線收發(fā)芯片CC2530[7]。它可以接收到中低頻信號，接收到的信號經過放大、濾波和A/D轉換變成數字信號。

以太網接口模塊：負責將系統(tǒng)與網絡進行連接，實現數據的傳輸和用戶對網絡的控制。

2.4 感知層設計

2.4.1感知層結構

感知層主要是由傳感器組進行環(huán)境信息的采集，然后通過ZigBee節(jié)點與協(xié)調器將ZigBee節(jié)點的信息進行匯總，再通過網關進行信息的網絡傳輸。感知層結構如圖4所示。

圖4 感知層結構圖

2.4.2協(xié)調器設計

CC2530可以廣泛應用在2.4 GHz IEEE802.15.4系統(tǒng)，它整合了8051兼容微控制器、ZigBee射頻前端(RF)、A/D轉換器、多個定時器、看門狗定時器等部件，可以提供強大和完整的ZigBee解決方案[8]。

CC2530引腳可以分為三類，分別是：I/O端口引腳、電源線引腳和控制線引腳。通過軟件設置特殊功能寄存器的位，可以使這些引腳作為I/O或者連接定時器等其他外圍接口[9]。CC2530功能豐富，因此使用該芯片設計ZigBee協(xié)調器。協(xié)調器設計如圖5所示。

圖5 協(xié)調器電路圖

其中C2、C3、C9和C10是負載電容，L1、L2、C4、C5、C6、C7、C8為匹配網絡的部分。

2.5 應用層設計

2.5.1應用層主要功能

應用層用智能手機來實現，系統(tǒng)除了保留傳統(tǒng)的手動控制照明設備的功能外，還實現了對照明系統(tǒng)的智能化控制。具體的實現方法是把手機用無線網絡接入智能照明控制系統(tǒng)，用智能控制系統(tǒng)APP進行電燈的控制。

智能控制系統(tǒng)APP主要有設備管理、信息推送、軟件管理、數據查詢等功能。

設備管理：(1)當電燈被設置為在線狀態(tài)時，可以利用傳感器感受光照強度，判斷是白天還是黑夜，黑夜情況下可以根據紅外傳感器判斷是否有人活動，從而自動點亮活動區(qū)域的電燈。(2)調節(jié)燈光，根據不同的組合模式將電燈進行編排組合，根據自己的需要進行組合電燈的打開或關閉。(3)時間控制，可以設置電燈的自動關閉時間，可以實現電燈定時開關的目的。(4)燈具的選擇，可以根據具體的需要選擇要控制的電燈。

信息推送：在白天推送未關電燈的信息，從而可以讓用戶及時發(fā)現問題，解決問題，防止電量過度浪費。

軟件設置：軟件管理主要進行軟件的升級設置、主題信息設置和個人信息設置等功能，如改變主體風格、個人信息修改等。

數據查詢：數據信息存儲在MySQL數據庫中，通過該數據查詢功能，不僅可以對設備狀態(tài)(開/關)進行查詢，還可以對一段時間內用戶的操作記錄(如新添加的燈具信息、新刪除的燈具信息、燈具設備的總數等信息)進行查詢。

2.5.2軟件工作流程

家庭照明設備的控制有兩種方式，一種是手動控制；另一種是智能控制。在具體使用過程中，用戶可以根據實際需要進行選擇。當用戶不啟用智能控制而使用手動控制時，在照明設備的狀態(tài)發(fā)生改變時，系統(tǒng)向后臺發(fā)出一個請求，將電燈狀態(tài)和操作記錄進行存儲。當用戶啟用智能控制時，系統(tǒng)會自動讀取當前燈具的信息，然后進入相應的功能選擇界面。在該界面用戶可以對照明設備進行控制，調節(jié)燈光或者是打開某一組合的設備等。當設備狀態(tài)發(fā)生改變后同樣會向后臺發(fā)送存儲狀態(tài)和操作記錄的請求。軟件工作流程如圖6所示。

圖6 智能照明系統(tǒng)APP工作流程

3 系統(tǒng)測試

智能照明控制系統(tǒng)對照明設備的控制方式主要兩種：手動控制和智能控制。其中，手動控制不限制控制條件。智能控制要測試燈具的編排組合以及自動感應等功能。

具體要求有：在代碼中根據燈的編號進行組合，實現組合內燈具點亮或關閉的功能；自動感應，要實現白天有人經過感應區(qū)時感應區(qū)內燈不亮，而夜晚有人經過感應區(qū)時感應區(qū)內燈被點亮。

在無光(弱光)情況下(可遮擋光照傳感器)，人體感應傳感器感受到人的存在時，測試結果為相應地區(qū)的燈亮。智能照明控制系統(tǒng)APP主界面和無光有人情況下的測試結果如圖7所示。

圖7 APP界面及無光有人測試結果

其他情況下的測試步驟和無光有人時相似，不再進行贅述，具體測試結果如表1所示。

表1 測試結果

4 結論

智能照明控制系統(tǒng)作為傳統(tǒng)照明系統(tǒng)的改進，最突出的功能是智能控制。該系統(tǒng)不僅可以實現燈具的一鍵全開和全關功能，還能夠根據燈具的編排組合對部分燈具進行控制，從而實現對室內燈光亮度的調節(jié)；另外，根據光照傳感器和人體感應傳感器的組合，實現了黑暗環(huán)境下感應區(qū)照明設備的自動開啟功能。智能照明控制系統(tǒng)是智能家居的組成部分，通過對智能照明系統(tǒng)的設計與應用，不僅可以極大地提高用戶體驗，還可以為智能家居在今后的普及起一定的推廣作用。