基于Zig Bee的智能照明系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

劉雪峰

（福建江夏學院工程學院，福建福州，350108）

一、引言

（一）研究背景及意義

當今照明系統(tǒng)更加注重智能照明的簡易便捷性和低能耗性，以提高生活質量，享受低碳生活。[1]在智能照明系統(tǒng)的普及率上，美國約占70%，歐洲約占45%，中國的智能照明系統(tǒng)普及率不到1%。[2]隨著人們對美好生活的需求升級，智能控制是未來照明系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。目前對智能照明系統(tǒng)的研究已經(jīng)日漸成熟，但許多設計方案存在布線復雜、維護成本高、安全性能低、能耗依舊較大、系統(tǒng)便捷性及靈活性差等問題。智能終端常用無線通訊對照明設備進行控制，常見的無線通信技術有WiFi 、藍牙以及ZigBee。相比較來說，選用ZigBee無線通信網(wǎng)絡作為智能照明系統(tǒng)的內(nèi)網(wǎng)，具有設備成本低、組網(wǎng)方便、功耗低的特點。[3]在構建無線傳感與照明控制網(wǎng)絡方面具有相當?shù)膬?yōu)勢。采用ZigBee和單片機相結合的方法，對智能照明系統(tǒng)進行研究，針對大型公共場所，如高校教室、會議室、娛樂區(qū)等用電量大又缺少管控的場所，該設計可以減少燈具的工作時間，延長燈具壽命并有效節(jié)約能源，以達到節(jié)能環(huán)保和智能控制的目的。[4]

（二）現(xiàn)有研究概述

ZigBee、NB-IOT 等物聯(lián)網(wǎng)技術，基于同一種軟件開發(fā)，架設中臺打破信息孤島，能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通的智慧城市照明系統(tǒng)正在世界掀起新的革命浪潮，這種形勢下的智慧城市建設方式，可以實現(xiàn)技術同源的目的，改變傳統(tǒng)各智慧城市子模塊系統(tǒng)分而專、難整合的窘狀。[5]在國內(nèi)，智能照明系統(tǒng)已采用總線技術來實現(xiàn)脈沖調(diào)制信號的傳輸，如蘇州國際科技園的景觀智能照明系統(tǒng)采用DMX512總線制控制方式，但該方法存在布線復雜、維護成本高、系統(tǒng)便捷性及靈活性差等問題，而對已經(jīng)安裝好的照明環(huán)境進行整改較難，難以實現(xiàn)智能化控制。[6]另外一種模式是基于WiFi的LED智能控制系統(tǒng)，手機接入無線WiFi之后，對燈進行控制，但WiFi存在安全性能低，能耗較大，成本較高的問題。2014年中國Yeelight公司推出Yeelight Blue無線智能藍牙燈泡，其優(yōu)勢是將藍牙4．0的手機作為移動控制端，無需再安裝網(wǎng)絡控制器，但控制傳輸距離有限。相比較而言，ZigBee功耗低、可接入節(jié)點數(shù)多、響應時間短、傳輸慢、可自組網(wǎng)，適合傳輸字節(jié)數(shù)不多的場景。[7-8]

二、系統(tǒng)總體框架

本系統(tǒng)以ZigBee無線通信模塊和STM32F427VIT6單片機作為處理核心。[9]系統(tǒng)結構見圖1。ZigBee無線通信模塊通過WiFi或者網(wǎng)線與路由器連接，而路由器可由互聯(lián)網(wǎng)將信息上傳至云服務器保存，避免信息的丟失。同時通過路由器建立起PC端、手機端與網(wǎng)卡的聯(lián)系，其中PC端可以連接網(wǎng)線或者WiFi通過路由器訪問ZigBee無線通信模塊，而手機端可以連接WiFi網(wǎng)絡經(jīng)過路由器訪問ZigBee無線通信模塊，下達指令給ZigBee模塊和STM32F427VIT6單片機，繼而使用ZigBee網(wǎng)絡控制按鍵開關和LED燈組，實現(xiàn)PC端、手機端的多重控制，達到調(diào)節(jié)亮度、控制開關等功能的應用。[10]

圖1 系統(tǒng)結構圖

整個智能照明系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和利用visual studio建立的軟件系統(tǒng)構成，系統(tǒng)運行的基礎是設計搭建的硬件系統(tǒng)，而軟件系統(tǒng)是在硬件系統(tǒng)基礎上實現(xiàn)穩(wěn)定運行，兩者相輔相成。

（一）硬件模塊

系統(tǒng)是基于Z i g B e e開發(fā)的智能照明系統(tǒng)，通過模塊化設計，采用以Z i g B e e模和STM32F427VIT6單片機為主的控制模塊，與WiFi模塊、電源模塊、LED燈驅動模塊、LED燈具組成一套完整的硬件系統(tǒng)。

（二）通訊技術

以高校教學樓為設計和應用對象，教學樓屬于立體空間，信號易被墻體、門窗等建筑物遮擋，所以通訊方式采用無線和有線相結合較為合理。一方面，寬敞的教室內(nèi)可采用ZigBee無線通訊來采集信息和控制教室內(nèi)燈具，盡可能減少了室內(nèi)線路的改造，降低成本；另一方面，針對教室數(shù)量較多、結構環(huán)境復雜的教學樓，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，所以監(jiān)控平臺與STM32F427VIT6單片機和ZigBee模塊之間采用WiFi通訊。然后將信號數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡傳遞至ZigBee終端節(jié)點，系統(tǒng)終端通訊結構方式見圖2。

圖2 終端通訊結構方式

（三）監(jiān)控平臺組成

監(jiān)控平臺對各個教室的燈具進行信息的實時顯示與遠程控制。管理人員可以在遠端使用瀏覽器請求和處理用戶信息和教室照明的管理，提高工作效率。監(jiān)控平臺組成結構與處理流程見圖3。

圖3 監(jiān)控平臺組成結構圖

三、系統(tǒng)設計

整個智能照明的硬件系統(tǒng)，包括了系統(tǒng)硬件電路、系統(tǒng)硬件構成以及硬件設備的選取。EIOT開發(fā)板、ZigBee無線通訊模塊、電源模塊、WiFi模塊、LED燈驅動模塊以及LED照明模塊構成整個硬件系統(tǒng)，保證了智能照明系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

（一）硬件電路設計

整個系統(tǒng)的運行要求硬件電路系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性較好。選用EIOT開發(fā)板，它上面搭載著STM32F427VIT6單片機和ZigBee模塊。其中，STM32F427VIT6單片機的集成度相對較高，其外設的種類多，包括RTC、ADC、DMA、SPI、USB、TMER等。本系統(tǒng)以STM32F427VIT6最小系統(tǒng)板作為控制核心，通過I/O端口連接ZigBee模塊、WiFi模塊、電源模塊、LED燈驅動模塊組成集成化的控制系統(tǒng)來達到合理控制LED燈組照明。

基于智能照明系統(tǒng)的功能需求，構建了有機集成照明硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的系統(tǒng)方案，并基于ZigBee網(wǎng)絡的特點，提出以EIOT開發(fā)板上搭載的STM32F427VIT6單片機和ZigBee模塊作為基礎控制中心模塊，結合WiFi模塊、LED燈驅動模塊以及LED照明模塊，完成智能照明系統(tǒng)硬件系統(tǒng)的設計，見圖4。

圖4 硬件系統(tǒng)原理圖

1．EIOT開發(fā)板

基于ZigBee智能照明系統(tǒng)是以EIOT開發(fā)板上搭載的STM32F427VIT6單片機以及ZigBee模塊作為基礎控制中心模塊，而STM32最小系統(tǒng)包括了I/O模塊、WiFi模塊、ZigBee無線通訊模塊以及電源模塊，32位的多層AHB總線矩陣構成STM32最小系統(tǒng)的主系統(tǒng)，其中還包括了復位電路、時鐘電路等。

2．ZigBee模塊

ZigBee模塊的主要工作分為兩方面：一方面采集數(shù)據(jù)信息，將采集到的燈具狀況信息傳送給STM32F427VIT6單片機進行分析處理；另一方面，ZigBee網(wǎng)絡將監(jiān)控平臺發(fā)出的操作指令傳送到終端節(jié)點上，對燈具狀況進行查詢或者下達對燈具的操作。CC2530作為采用的ZigBee無線通信模塊，可以外接包括C251、C261等外接元件，不僅實現(xiàn)數(shù)據(jù)解調(diào)、調(diào)制功能，還能實現(xiàn)對LED燈具數(shù)據(jù)信息的感知功能。

3．LED驅動模塊

LED驅動模塊在接收到ZigBee終端節(jié)點發(fā)出的指令之后，根據(jù)指令控制LED燈具的開關、亮度的調(diào)節(jié)以及紅綠藍三色燈光調(diào)節(jié)，滿足用戶的個性化需求，增強用戶的體驗感。LED驅動模塊的工作電壓為5V，因而需要電源模塊的調(diào)壓。每塊LED驅動模塊通過PWM+接口與各自的ZigBee終端節(jié)點進行連接接受信息指令，通過LED+和LED-接口與各自的LED燈具連接，以便控制燈具。

4．電源模塊

因為系統(tǒng)中各種芯片的工作電壓會有不同，所以要將220V交流電轉化成不同的工作電壓以滿足各種芯片的不同需求。使用電源模塊的工作電壓 （VDD） 要求介于1．8V—3．6V之間，而作為整個硬件系統(tǒng)的控制中心的STM32F427VIT6單片機與負責數(shù)據(jù)信息通訊的WiFi模塊分別用到的是3．3V以及5V電壓。因此需要通過電路中的變壓器將通用的220V交流電降壓為12V交流電。而在之后還要經(jīng)過電解電容濾波、穩(wěn)壓芯片處理之后，轉變?yōu)楦臃€(wěn)定的12V直流電。最后再經(jīng)過穩(wěn)壓芯片將12V直流電轉換為STM32F427VIT6單片機所使用的3．3V直流電以及WiFi模塊所需要的5V直流電。

5．WiFi模塊

WiFi模塊的功能是構建操作端與控制平臺聯(lián)系的橋梁，將用戶在操作端下達的指令傳送給控制平臺，控制平臺收到指令，經(jīng)STM32F427VIT6單片機處理之后通過ZigBee網(wǎng)絡將指令下達給連接ZigBee終端節(jié)點的LED控制模塊，由LED控制模塊控制LED燈具。簡而言之，WiFi模塊在本文中是起到PC端、手機端的操作平臺連接中心控制平臺的作用，由于是外購的模塊，故此不作詳細說明。

6．復位電路

復位的類型總共有3種，分別為系統(tǒng)復位、電源復位和備份域復位。系統(tǒng)復位中除了備份域的寄存器以及時鐘控制的寄存器中的復位標志外，會將其它全部的寄存器都復位成為復位值。在常見的幾種復位形式中，窗口看門狗計數(shù)結束（WWDG復位）、獨立看門狗計數(shù)結束（IWDG復位）、軟件復位（SW復位）會發(fā)生系統(tǒng)復位，而低功耗管理復位、1NRST引腳低電平（外部復位）也會發(fā)生系統(tǒng)復位。

（二）軟件功能設計

系統(tǒng)的功能包含燈具開關、亮度調(diào)節(jié)、紅綠藍燈光調(diào)節(jié)三個功能。軟件系統(tǒng)分別在電腦和手機兩種不同的控制端使用，通過客戶端與控制模塊和燈具控制模塊進行通信，實現(xiàn)對燈具的控制。二者功能相同，都可獨立進行系統(tǒng)控制，操作界面里都主要包含用戶信息和燈具信息兩大板塊。用戶信息里包含密碼登陸和注銷賬號兩個功能，而燈具信息包括全開、全關、個性化服務三大功能，其中個性化服務能針對燈具地址單獨開啟或關閉燈具。手機端和PC端通過自身WiFi連接控制平臺從而實現(xiàn)信息交互通訊功能。

1．燈具開關

用戶可以訪問客戶端進行燈具的管理，燈具開關分為單燈和多燈兩種。燈具全開和全關按鈕在操作界面的菜單欄的燈具管理下拉菜單中，而單個LED燈可以在個性化管理界面中根據(jù)LED的標記地址來進行單獨地開啟或者關閉。

2．亮度調(diào)節(jié)

PC端用戶或者手機端用戶都可以通過訪問客戶端進行調(diào)節(jié)LED燈亮度，調(diào)節(jié)亮度功能是在客戶端旁邊菜單欄中的燈具管理下拉菜單的個性化管理中，點擊個性化管理按鍵，進入個性化管理界面。用戶可以在亮度的方框里面輸入需要亮度所對應的字符，然后點擊下方的“更新控制”按鍵。系統(tǒng)在收到用戶下達指令后，發(fā)給連接ZigBee終端節(jié)點的LED驅動模塊，LED燈會立刻改變亮度，能真正意義上做到節(jié)能。

3．紅綠藍燈光調(diào)節(jié)

用戶通過訪問客戶端進行調(diào)節(jié)LED燈，基于ZigBee的LED燈具智能控制系統(tǒng)支持在方框內(nèi)輸入控制字符來調(diào)整，會根據(jù)通過WiFi無線通訊網(wǎng)絡讀取ZigBee模塊接收的燈具控制狀態(tài)字實時改變燈具狀態(tài)的功能。而燈具狀態(tài)字的格式如“A****B”，“A”“B”表示狀態(tài)字開始和結束字符?！?***”依次為亮度以及紅、綠、藍三色光的占空比，LED控終端的控制狀態(tài)字符取值及定義見表1。

表1 LED控制端的控制狀態(tài)字取值及其定義

控制狀態(tài)字的解析過程偽代碼如下：

五、系統(tǒng)測試

整個智能照明系統(tǒng)測試，包括系統(tǒng)功能測試和系統(tǒng)整體測試。系統(tǒng)功能測試又包括了登錄界面測試、注銷界面測試和調(diào)節(jié)亮度測試。

（一）系統(tǒng)功能測試

基于ZigBee的智能照明系統(tǒng)軟件調(diào)試，用戶分別通過手機端和PC端訪問客戶端，登錄之后即可進行相應操作。

1．登錄界面測試

打開手機端或PC端的客戶端，來到智能照明控制系統(tǒng)客戶端的初始界面。如，點擊輸入賬號名稱“江夏”和密碼“jiangxia”，輸入之后點擊下方登錄按鍵，可以進入操作界面進行操作，即登錄成功。登錄界面及成功提示界面見圖5。

圖5 登錄界面及成功提示界面

2．注銷界面測試

進入智能照明系統(tǒng)客戶端的操作界面后，可以在左邊的菜單欄里面找到用戶信息一欄，在其下拉菜單里可以找到一個“注銷登錄”的菜單。點擊“注銷登錄”進入注銷界面，點擊“注銷登錄”按鍵，成功注銷。注銷成功提示界面見圖6。

圖6 注銷成功提示界面

3．調(diào)節(jié)亮度測試

調(diào)節(jié)亮度實驗以PC端為例，同樣是進入智能照明系統(tǒng)客戶端的操作界面，在左邊的菜單欄里面找到燈具信息一欄，在其下拉菜單里可以找到一個“個性化管理”的菜單，點擊“個性化管理”菜單進入燈具個性化管理界面，找到亮度一欄，輸入需要的燈具照明的亮度參數(shù)調(diào)節(jié)界面與調(diào)節(jié)成功提示界面，見圖7。

（二）系統(tǒng)整體測試

安裝好整個系統(tǒng)的硬件電路后，先使用萬用表對各個硬件模塊進行電壓值、電流值的測量，以防止硬件電路連接出錯而導致硬件模塊的燒損，合理編排硬件系統(tǒng)所有的模塊和線路位置，保證整個系統(tǒng)模塊與線路的流暢運行。

本系統(tǒng)將STM32F427VIT6單片機和ZigBee無線通訊模塊作為整個系統(tǒng)的控制中心。首先將所有的硬件模塊正確地連接在EIOT輸入/輸出端口上。因為LED燈組的工作電源為12V，而LED驅動模塊與相連接的ZigBee無線通訊模塊的工作電壓都為5V，因此需要通過調(diào)壓處理。待電源接通后，ZigBee無線通訊模塊、LED燈組指示燈依次亮起，而控制端的EIOT板指示燈也亮起，系統(tǒng)整個電路正常運行。用電腦打開visual studio軟件編寫的“教室燈具管理系統(tǒng)”網(wǎng)頁，輸入正確的賬號和密碼，進入“教室燈具管理系統(tǒng)”操作界面。點擊左側菜單欄內(nèi)的“燈具管理”，在其下拉菜單欄中點擊“全開”按鍵，LED燈組在其連接的ZigBee終端節(jié)點收到“全開”指令后，LED燈組亮起。接著點擊下方的“個性化管理”按鍵，進入“個性化管理”界面，在亮度一欄輸入字符，點擊下方的“更新控制”按鍵，LED燈組亮度發(fā)生變化。再接著依次調(diào)節(jié)紅光、綠光、藍光的數(shù)值，LED燈組在接到下達指令之后均發(fā)生變化。最后點擊左側菜單欄內(nèi)的“燈具管理”，在其下拉菜單欄中點擊“全關”按鍵，LED燈組收到指令后全部滅燈。綜上所述，基于ZigBee的智能照明系統(tǒng)運行成功，完成其設計功能，基本達到預期目的。

六、總結與展望

近年來智能家居進入了人們的消費視野，不僅滿足人們更高的家居需求，而且符合節(jié)能減排的發(fā)展理念。此背景下設計的基于ZigBee的LED燈智能控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)針對用戶需求和個性化設定LED燈具的運行模式，即燈具開關、亮度調(diào)節(jié)、紅綠藍燈光調(diào)節(jié)。在實際的使用過程中，已經(jīng)實現(xiàn)預期的設計目標。該系統(tǒng)可以運用于公共照明、辦公照明等場所，能有效節(jié)能。

本系統(tǒng)根據(jù)用戶的實際需求進行個性化功能定制，讓用戶消除了機械化的操作，還能進行遠程操控，變得更加人性化。系統(tǒng)采用經(jīng)濟性和安全性都較好的ZigBee無線通訊技術，而移動客戶端是當今人們廣泛使用的手機，便于操作，推廣上具有很大的優(yōu)勢；且該系統(tǒng)具備功耗低、操作便捷的特性，能有效地避免有線線路布線的不便，更使其具備良好的市場前景。