基于zigbee的RGB遠(yuǎn)程燈控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋艷霞 韓慧蓮 常旭青

（中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，太原 030051）

1 引言

隨生活水平的提高，網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，人們對燈的要求不再僅僅局限于簡單照明，燈可變化和網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)成為一種必然趨勢。節(jié)約能源、保證燈具壽命、提高照明管理水平、美化城市夜晚和保證城市夜間出行安全等，已經(jīng)成為對照明系統(tǒng)的一項(xiàng)基本要求[1]。在現(xiàn)代室內(nèi)設(shè)計(jì)中越來越多的人都認(rèn)識到，燈光在室內(nèi)環(huán)境中除了有照明的功能以外，同時(shí)還應(yīng)該滿足視覺審美和表現(xiàn)環(huán)境氛圍等要求。具有節(jié)能、使用壽命長、燈光效果好還有可以隨心所欲的控制，比如：小孩夜晚睡覺給他提供使人有安全感的光線；夜晚工作犯困，此時(shí)可以有個(gè)讓人清醒的光線；同事聚會想要個(gè)KTV的燈光效果；看電影凝造個(gè)電影院的氛圍等等功能的燈成為人們?nèi)找孀非蟮膶ο骩2]。本文設(shè)計(jì)的基于zigbee的RGB燈控系統(tǒng)以CC2530芯片為燈控終端和coordinator的主要芯片，電腦為主控，可實(shí)現(xiàn)根據(jù)需求調(diào)節(jié)LED燈明暗程度，色彩。

2 燈控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

整個(gè)遠(yuǎn)程無線燈控系統(tǒng)分為遠(yuǎn)程客戶端、LabVIEW服務(wù)器端、coordinator和燈模塊

燈控終端四大部分，具體如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體方案圖

2.1 簡單燈控系統(tǒng)

如圖1所示，簡單的燈控系統(tǒng)主要是由燈控終端和擔(dān)任主控任務(wù)的計(jì)算機(jī)構(gòu)成，兩者通過一個(gè)TI的CC2530做coordinator進(jìn)行聯(lián)系，燈控系統(tǒng)和coordinator通過射頻通信，利用基于zigbee技術(shù)的無線通信減少了燈控終端盒主控的繁瑣布線，方便維修。主控計(jì)算機(jī)采用圖形化開發(fā)軟件 LabVIEW開發(fā)用戶操作界面，并利用其多接口支持性和coordinator通過串口相連[3]。

2.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要是通過各種網(wǎng)絡(luò)訪問本地監(jiān)控系統(tǒng)的控制設(shè)備，由于遠(yuǎn)程訪問設(shè)備的不確定性，可能是電腦、上網(wǎng)本等其他一切可以上網(wǎng)的設(shè)備[4]。主要是在網(wǎng)頁中應(yīng)用Remote Panel通過瀏覽器控制遠(yuǎn)端VI的前面板來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

3 本地功能實(shí)現(xiàn)

3.1 燈控功能實(shí)現(xiàn)

燈控模塊主要實(shí)現(xiàn)燈的亮度調(diào)節(jié)、色彩調(diào)節(jié)、以及模式調(diào)節(jié)。PWM實(shí)現(xiàn)燈亮度以及色彩控制。PWM即脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation）[5]，簡稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于從測量、通信到功率控制與變換的眾多領(lǐng)域中。PWM從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字信號形式，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，以數(shù)字的形式來控制模擬電路，和模擬信號相比方便調(diào)制且穩(wěn)定，可以大幅度的降低系統(tǒng)功耗和成本。

CC2530的8051不具有PWM模塊，但可以通過定時(shí)器和通用輸入輸出口（GPIO口）來實(shí)現(xiàn)PWM[6]。本系統(tǒng)就是利用CC2530的Timer1生成PWM波形，通過調(diào)整高電平和低電平的占空比，實(shí)現(xiàn)分別控制Port0 Pin 4/5/6（對 應(yīng) Timer1 Channel 2/3/4）藍(lán) / 綠 /紅三色分量。從而實(shí)現(xiàn)明暗程度調(diào)節(jié)。

色彩控制是對亮度調(diào)節(jié)的重利用，通過改變3色分量后，將三色混和在一起來實(shí)現(xiàn)色彩的調(diào)制。比如：紅綠藍(lán)三色三種相同分量的燈光混合就是白光，改變其中任何一種顏色的分量都會改變燈光的整體效果。

脈沖寬度控制用labvIEW軟件進(jìn)行的模擬，如圖2所示：通過改變紅、綠、藍(lán)三色的占空比，來改變各個(gè)顏色的分量，混合后得到最終右上角的顏色。實(shí)際LED燈顯示顏色稍微有所不同。

圖2 脈沖控制顏色混合的模擬

3.2 無線控制實(shí)現(xiàn)

本地計(jì)算機(jī)作為主控，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)路由表的存儲，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備信息的存儲，控制信息的發(fā)送和接收等。

Coordinator是所有節(jié)點(diǎn)和主控的橋梁，串口通信通過心跳檢測與主控實(shí)時(shí)保持聯(lián)系，并基于zigbee協(xié)議[7]的應(yīng)用實(shí)時(shí)檢測接收主控的控制信息、ZigBee節(jié)點(diǎn)的回復(fù)信息。最主要coordinator還起到建立網(wǎng)絡(luò)的作用。Coordinator在開始工作后，首先建立無線網(wǎng)絡(luò)，隨后進(jìn)入偵聽狀態(tài)。當(dāng)串口接收到數(shù)據(jù)后，檢測是否為心跳檢測，如果是回復(fù)事先約定的字符串告知主控它的存在性，否則檢測是否是要求搜索網(wǎng)絡(luò)的指令，如果是則廣播搜索消息給網(wǎng)絡(luò)中的多有節(jié)點(diǎn)，要求回復(fù)指定的信息。如果不是，則檢測是否是控制指令，當(dāng)檢測是則將該指令原封不動的打包廣播到網(wǎng)路的所有節(jié)點(diǎn)，如果不是在此回到偵測狀態(tài)。當(dāng)接收到加入網(wǎng)絡(luò)請求，則按照協(xié)議為此節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址。如果收到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)射頻發(fā)送其他的信息，檢測信息是否為本網(wǎng)絡(luò)的消息，并依照約定將信息通過串口上傳主控。由主控進(jìn)行分析和處理。

具體流程圖如下圖3所示：

圖3 coordinator程序流程圖

表1 燈綜合對比表

相比coordinator的工作，燈控節(jié)點(diǎn)的工作比較的簡單。當(dāng)節(jié)點(diǎn)打開，就申請加入網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)后便進(jìn)入偵聽狀態(tài)。此處偵聽的是coordinator是否有消息下放。如果接收到coordinator的指令則判定是否為心跳檢測，如果是按照約定回復(fù)coordinator自己當(dāng)前的狀態(tài)值，或者約定的字符串。如果不是，檢測是否為控制信息如果是則按照指令控制芯片的端口輸出從而實(shí)現(xiàn)指令要求。具體流程框圖4如下：

圖4 燈控終端程序流程圖

3.3 計(jì)算機(jī)控制模塊實(shí)現(xiàn)

采用圖像化的軟件labvIEW實(shí)現(xiàn)本地計(jì)算機(jī)的控制面板。在前面板主要包括三大控制：燈顯示色彩選擇、燈亮度選擇、受控?zé)鬗AC地址選擇。如圖6所示。

燈控模塊主要實(shí)現(xiàn)了串口讀取[8]由zigbee網(wǎng)絡(luò)上傳的信息，串口發(fā)送燈的控制信息燈。主要程序框圖如圖7所示。系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)測是否有串口數(shù)據(jù)要求發(fā)送，如果有則調(diào)用串口發(fā)送VI進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，如果沒有則實(shí)施監(jiān)測并讀取串口上傳數(shù)據(jù)。

圖6 燈控面板

圖7 主控程序框圖——數(shù)據(jù)讀取

圖8 主控程序框圖——數(shù)據(jù)發(fā)送

4 遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制采用B /S模式實(shí)現(xiàn)。所謂B/S模是指：客戶端瀏覽器以超文本形式向網(wǎng)絡(luò)上的Web服務(wù)器提出服務(wù)請求，Web服務(wù)器接受請求后執(zhí)行相應(yīng)的擴(kuò)展應(yīng)用程序?qū)⑦@個(gè)請求轉(zhuǎn)化為 SQL 語法等方式，并交給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器得到請求后驗(yàn)證其合法性，并對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查詢、修改、更新等處理，然后將處理后的結(jié)果提交給Web服務(wù)器，最后Web 服務(wù)器將得到的所有結(jié)果用 HTTP協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)給客戶端瀏覽器[9]。這種方式體現(xiàn)了更多的優(yōu)勢。

在本設(shè)計(jì)中利用的是LabVIEW的遠(yuǎn)程面板技術(shù)，服務(wù)器計(jì)算機(jī)發(fā)布并運(yùn)行所需VI，且配置 Web服務(wù)器設(shè)置：文件路徑和網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、客戶機(jī)訪問權(quán)限設(shè)置、VIs 訪問權(quán)限設(shè)置；客戶端則通過瀏覽器對所需VI進(jìn)行瀏覽和控制。具體做法如下：

首先在服務(wù)器計(jì)算機(jī)labvIEW軟件中利用菜單欄中的工具 → Web 發(fā)布工具將網(wǎng)頁發(fā)布出去，此時(shí)自動生成一個(gè)HTML 文件，完成配置后運(yùn)行服務(wù)器的該遠(yuǎn)程面板。

其次，在遠(yuǎn)程操作端安裝labvIEW運(yùn)行環(huán)境（LabVIEW Run-Time Engine）。

最后只需在頁面瀏覽器中輸入所需控制VI的網(wǎng)址就可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制了，實(shí)現(xiàn)效果圖如下圖9所示。

5 小結(jié)

如表1所示，傳統(tǒng)燈控系統(tǒng)體積大、功能單一、節(jié)能效果差、有線操控不利于部署，且需要專門的彩燈來實(shí)現(xiàn)彩燈效果。而本文設(shè)計(jì)的燈系統(tǒng)體積小、功能多、用戶可自定義顏色、操作界面簡單、基于ZigBee協(xié)議無線控制，不僅省去了繁瑣的布線也在成本上有很大的節(jié)約。很好的響應(yīng)了低碳生活的號召，更能很好的滿足當(dāng)今社會人們對燈功能的需求，具有很好的發(fā)展前景。

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