基于Zig Bee技術的智能調光開關設計*

李治斌， 鄧小芳， 張余明， 廖業高

(1.桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林 541004；

2.桂林電子科技大學 認知無線電與信息處理省部共建教育部重點實驗室，廣西 桂林 541004；

3.廣西瀚特信息產業股份有限公司，廣西 桂林 541004；

4.中國電信廣西分公司，廣西 南寧 530012)

0 引 言

物聯網作為一種新興的技術越來越受到人們的關注。它是通過無線傳感器網絡技術、射頻識別技術等，將物理世界中的實體連接到因特網上來完成智能識別和管理。在物聯網環境下，人們可以通過各種設備全天候獲得特定服務。不僅僅是通過個人電腦，那些連接到互聯網的智能終端也可以方便地為人們提供信息和執行決策[1]。作為物聯網的典型應用，智能家居業務發展備受矚目。智能家居是通過在住宅安裝傳感器用于觀察環境并由設備提供主動式服務來達到改善居住者的體驗的目的[2]。智能家居可以讓用戶有更便捷的方式來管理家用設備,使多個設備形成聯動,而且,智能家居中的各個設備可以相互間通信,在沒有用戶指揮的時候也能根據不同的狀態互動地運行,從而為用戶帶來更好的高效、舒適、方便和安全的家居環境[3]。智能家居系統從以PC為控制中心逐漸變為以嵌入式家庭網關為核心的智能控制系統[4]。基于Zig Bee技術的物聯網智能家居系統與以前的主機式集中控制系統的最大區別是采用Zig Bee組網通信方式，省去了復雜、困難的布線工作，降低了成本，實現了家居的智能化[5]。

本文設計的基于Zig Bee技術的智能調光開關，在充分考慮用戶的需求后，通過對傳統開關進行改進，在其中加入Zig Bee模塊，使得該智能調光開關可以和整個智能家居系統組成一個網絡，可達到對家庭照明環境的全天候、多手段的監視和控制。

1 系統硬件電路設計

智能調光開關模塊包括6個模塊,其硬件結構框架如圖1所示。1)LPC2132微控制器模塊負責采集模擬量信息、開關量信息和與Zig Bee模塊進行信息交互；2)電源模塊主要是根據不同的電路模塊對電壓的不同需求，將輸入的電壓轉換成電路元器件適應的電壓；3)模擬量采集模塊主要是檢測市電的過零點信號，將檢測到的過零點信號輸入到LPC2132微控制器模塊供其使用；4)開關量采集驅動模塊由2個按鍵構成，按下后產生一個低電平信號，當檢測到此觸發信號時判斷其是調節加信號還是調節減信號，驅動可控硅導通時間點，實現燈光亮度調節；5)Zig Bee模塊的無線收發部分可以與Zig Bee智能網關進行信息交互，利用其接收到的用戶指令轉換成開關調節信息發送給LPC2132微控制器模塊；6)JTAG模塊用于對微控制器模塊中的程序進行更新，方便以后的升級。

圖1 智能調光開關硬件結構框架圖

1.1 微控制器模塊

微控制器模塊相當于人體的大腦，其完成對各個模塊的控制和協調整個系統的工作[6]。本系統微控制模塊選擇的是ARM7系列的LPC2132芯片。極小的封裝、極低的功耗和豐富的定時器使LPC2132可理想地用于智能調光開關系統中。為了提高系統的整體可靠性，復位電路采用微處理器電壓監視器MAX811，并采用手動復位方式。當按鍵S3被按下后，由MAX811的/RESET引腳向LPC2132的/RESET輸出復位信號。微控制器模塊電路圖如圖2所示。

圖2 微控制器模塊電路

1.2 電源模塊

由于燈泡采用的是市電供電，而LPC2132和Zig Bee芯片需要3.3 V供電，所以，必須設計電源模塊將市電降壓到3.3 V。將交流市電采用整流濾波后再由變壓器降壓后得到VCC為12 V。輸入電壓(12 V)通過U1和外圍電路后輸出VDD為3.3 V，即為LPC2132和CC2530芯片供電。電源模塊電路圖如圖3所示。

圖3 電源電路

1.3 模擬量采集模塊

智能調光開關是通過檢測市電信號的零點后，開啟延時計時器，根據所需亮度大小的要求，調整觸發的時間即控制可控硅的導通時間。精確地檢測市電的零點信號是整個系統的可靠保障。本系統采用將220V交流電壓經過電阻器限流后直接加到光電耦合器EL354N的兩端。在交流電源正弦波過零的瞬間，光電耦合器產生一低電平脈沖信號作為LPC2132的中斷請求信號。模擬量采集模塊電路圖如圖4所示。

圖4 模擬量采集電路

1.4 開關量采集驅動模塊

按鍵S1和S2分別完成調節亮度加和調節亮度減的功能，可將其直接連到LPC2132的I/O端口，當有按鍵按下時，產生一低電平觸發輸入到LPC2132，LPC2132提取觸發信號的下降沿獲得定時信號。對零點信號延時后，LPC2132發出驅動信號給光電耦合器ELM3064，光電耦合器導通后給雙向可控硅一個觸發電壓，此時交流電就接到了燈泡兩端。開關量采集驅動模塊電路圖如圖5所示。

圖5 開關量采集驅動模塊電路

1.5 Zig Bee模塊

Zig Bee模塊是整個系統組網和控制的核心,采用德州儀器(TI)Zig Bee射頻芯片CC2530，CC2530提供了101dB的鏈路質量，高的接收器靈敏度和強的抗干擾性，4種供電模式，以及一套廣泛的外設集,包括2個USART、12位ADC和21個通用GPIO等[7]。CC2530配備TI的一個標準兼容或專有的網絡協議棧來簡化開發，縮短開發周期。Zig Bee模塊中主時鐘晶振采用32 MHz無源晶振和32.768 kHz時鐘晶振，射頻收發模塊外圍電路采用阻抗匹配網絡，天線使用50 Ω 鞭狀負極性天線[8]。Zig Bee模塊電路圖如圖6所示。

圖6 Zig Bee模塊電路

1.6 JTAG模塊

JTAG接口用于系統仿真和調試。標準的JTAG接口是4線的：TMS,TCK,TDI和TDO，分別為測試選擇、測試時鐘、測試數據輸入和測試數據輸出。本系統采用20針的JTAG接口。除了上面4根線，還有nTRST,RTCK和nRESET，分別為測試系統復位信號、測試時鐘返回信號和目標系統復位信號。

2 主要軟件設計

2.1 微控制器模塊程序

微控制器模塊程序設計采用了ADS1.2軟件編程環境。微控制器模塊作為系統的核心模塊，主要完成檢測過零信號、開啟延時定時器、發出驅動信號、檢測按鍵信號及與Zig Bee模塊通信。當模塊上電后，調光控制端口置零，此時燈光不亮。接著完成端口初始化和T0,T1定時器和PWM定時器初始化。當系統執行過零檢測程序后將檢測后的過零時間點作為延時定時器的起點。系統一直檢測是否有按鍵消息或者來自Zig Bee模塊的控制信號。如果檢測到該類信號，將其轉換成定時器的不同定時時長。當定時器超時后發出PWM驅動電壓信號，可控硅導通，燈泡被點亮。微控制器模塊程序流程圖如圖7所示。

圖7 微控制器模塊程序流程圖

2.2 Zig Bee模塊程序

Zig Bee模塊程序設計采用了IAR開發環境和TI公司提供的ZStack協議棧框架，編寫了實現所需功能的APS層部分。ZStack協議棧是基于Zig Bee聯盟新發布技術規范Zig Bee PRO開發而成的[9]。程序框架采用了Sample程序實例的結構，使得系統的開發周期大大縮短。當系統上電后，程序首先初始化CC2530，然后初始化I/O口和協議棧，并開始發送加入網絡信號，等待Zig Bee智能網關響應，并給自己分配網絡地址[10]。成功加入網絡后，系統進入監控狀態，當有新消息發生時，執行相應應用層處理函數。Zig Bee模塊程序流程圖如圖8所示。

圖8 Zig Bee模塊程序流程圖

3 測試結果與性能分析

通過對實際電路的測試，本系統的智能調光開關和Zig Bee智能網關的有效通信距離可以達到50 m以上，接收數據時電流為23 mA，發送數據時電流為33 mA。在實驗室環境下進行了系統運行測試，燈泡選擇額定電壓220 V、額定功率25 W的白色白熾燈。接上220 V交流電后，測得電源模塊VCC端電壓為11.9 V，VDD端電壓為3.3 V，滿足正常供電要求。實驗中設置了五檔調光級別，分別測試了每檔調光級別的燈泡兩端電壓、電流、實際功率，經測試均滿足設定要求。測試結果如表1所示。

表1 測試結果

4 結束語

隨著生活品質的提高，人們越來越追求家居環境的智能化和舒適性。本文采用的基于Zig Bee技術設計的智能調光開關可以實現利用智能終端對家居照明環境進行控制

和調節。經測試，系統各模塊均正常工作,且實現了通過手機和平板電腦安裝客戶端軟件后，對測試環境中的燈泡進行調光操作。本開關安裝方便，無需重新布線，可擴展性強，具有很強的實用性，適合家庭住宅、公寓、公司寫字樓等場所推廣使用，具有很好的市場前景。

參考文獻:

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