基于ZigBee和觸摸感應技術的照明控制系統

摘要：傳統家庭智能照明控制系統采用有線方式搭建家庭局域網，利用導線傳輸控制信號，設計時需預埋大量控制線，布線較為繁瑣；并且所用控制開關大都采用觸點接觸式墻壁開關，長久使用觸點易磨損，接觸不良導致開關可靠性降低。針對以上問題開發了一套基于ZigBee和電容觸摸感應技術的照明控制系統。該系統利用ZigBee無線網絡代替有線方式搭建家庭局域網，省去了預埋控制線的繁瑣布線工作；系統燈控節點內部MCU采用電容式觸摸感應焊盤檢測手指觸壓，之后驅動雙向可控硅的導通與截止來控制燈光亮滅，從而起到無觸點開關控制作用。測試結果表明系統運行穩定，控制可靠，能有效利用ZigBee網絡和觸摸按鍵控制家中燈光亮滅。本文網絡版地址：http：//www.eepw.c om.c n/article/2806 86.htm

關鍵詞：ZigBee；觸摸感應；照明控制；智能家居

DOI： 10.3969/i.issn.1005-5517.2015.9.009

引言

隨著科技的發展，人們對家居環境不斷提出新的要求。在追求高效、舒適、便捷的同時更加注重居室環境的智能化。智能照明作為智能化家居的重要組成部分，近年來國內外許多科研人員對莫進行了大量研究。如周曉偉、徐勇等提出的智能照明控制系統可以根據周圍環境自動調整照明模式或通過PC機終端預設照明模式。李治斌等設計的智能調光開關在傳統開關中加入ZigB ee模塊，實現了通過手機或平板電腦安裝客戶端軟件對燈泡進行調光操作。以上工作均采用ZigB ee組網無線通信方式控制，省去了傳統有線照明控制系統中繁瑣的布線工作，但只能借助PC機或手機等終端設備控制，沒有涉及利用開關進行現場控制。

由于傳統機械開關存在觸點易磨損，使用壽命短，硬件成本高等缺點，而電容式感應按鍵具有無機械磨損，壽命長，可靠性不會隨著時間的增加而降低，硬件成本低，防水防污，易清潔和時尚等優點已在眾多領域得到應用。

在此背景下，本文開發了一套不僅可以利用手機等移動設備實現遠程控制，而且可以利用觸摸按鍵實現現場控制燈光亮滅的智能家居照明控制系統。

1 系統整體方案設計

本系統主要由系統主機和燈控節點兩部分組成，這兩部分通過ZigB ee網絡進行通信。燈控節點取代傳統墻壁開關嵌入墻壁86型底盒內，并配有控制燈光的觸摸按鍵。用戶可以通過遠程控制和現場控制兩種方式控制燈光亮滅。遠程控制時，用戶點擊手機APP軟件操作界面上的燈泡圖標，開關燈命令通過因特網發送到系統主機，系統主機再將該命令通過ZigBee網絡轉發到燈控節點，燈控節點中的MCU根據接收到的命令驅動雙向可控硅導通與截止來控制燈泡接入火線與否，實現燈光亮滅控制?，F場控制時，用戶觸摸燈控節點面板上的不同燈泡圖標，燈控節點內MCU檢測到手指觸壓后用同樣通過驅動雙向可控硅導通與截止來控制燈光亮滅。系統控制原理圖如圖l所示。圖6主程序流程圖

2 燈控節點硬件設計

燈控節點由電源模塊、PIC16F1936微控制器模塊、ZigBee通信模塊、按鍵模塊、燈光控制模塊組成。燈控節點硬件結構框圖如圖2所示。

2.1 電源模塊

由于燈泡采用市電供電，而微控制器芯片和ZigB ee通信芯片采用直流3.3V供電，故燈控節點直接接入220V市電，市電經MB6S整流后輸入FSE21317芯片和變壓器T2降壓得到12V直流電，再由LM1117-3.3及其外圍電路穩壓濾波到直流3.3V給PIC16 F1936和CC2530芯片供電。電源模塊原理圖如圖3所示。

2.2 PIC16F1936微控制器模塊

PIC16F1936微控制器是微芯公司生產的8位CMOS閃存單片機，具有體積小、功耗低、抗干擾性好、可靠性高、模擬接口功能強大等特點。片內外設資源豐富，主要包括I/O端口、電容觸摸傳感模塊、A/D轉換器、EEPROM、定時器、串口等。燈控節點中他負責處理ZigBee通信模塊接收到的數據，從中提取控制命令進行相應操作，同時也進行按鍵掃描檢測，根據檢測結果進行相應操作。

2.3 ZigBee通信模塊

ZigB ee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網協議，該協議規定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術，具有使用方便、價格低廉、工作可靠等特點。ZigBee無線網絡器件工作模式包含協調器、全功能模式和簡化功能模式三種。協調器是網絡的中心節點，負責網絡的發起組織、維護和管理，一個網絡只有一個協調器，在本系統中它嵌入系統主機內：燈控節點采用全功能模式，既可作為路由節點，也可以作為終端傳感器節點：簡化功能器件只能作為終端無線傳感器節點。

本模塊采用CC2530芯片作為ZigBee網絡的解決方案。CC2530采用了新一代2.4GHz SoC片上系統，支持IEEE802.15.4標準，其內部集成了一個抗干擾性和靈敏度都較高的RF收發器和一個標準增強型8051微處理器，擁有2個USART、12位的ADC和21個通用GPIO等豐富的外設接口。該芯片只需極少的電阻電容就能搭建完整的ZigBee收發電路，通過串口與單片機通信，使用相當簡便。

2.4 按鍵模塊

按鍵模塊采用13mm×lOmm的矩形電路板焊盤通過0.2mm走線直接連接到單片機電容觸摸傳感模塊引腳實現。PIC16F1936單片機自帶電容傳感RC振蕩器，其中振蕩時間常數r=RC= R（C_p+c_f）。c_p為焊盤與地之間的寄生電容，C_f為手指觸摸焊盤時焊盤一手指一地之間的感應電容，未觸摸時該值為0，觸摸后C_f大于0，導致Rc時間常數τ增大，振蕩器頻率減小，單片機檢測到這一頻率變化后判斷出焊盤被手指觸壓。觸摸時電容增量百分比是：AC%=《C_p+C_f）-C_p）/C_p=C_f/C_p

由上式可見為了提高觸摸感應的靈敏度，需減小寄生電容C_p值，可以通過使觸摸焊盤以較窄的走線連到單片機同時遠離地實現。如圖4是按鍵模塊PCB圖，為了減小C_p值，觸摸焊盤位于保護環內，距離保護環0.2mm，所有保護環連在一起通過10K電阻連到單片機I/O口，該I/O口始終輸出低電平。觸摸按鍵通過0.2mm走線串接10K電阻連到單片機檢測引腳。為了提高抗電磁干擾能力，焊盤返回單片機的走線被保護環走線包裹同時焊盤下方不走線。

2.5 燈光控制模塊

本模塊采用單片機檢測市電過零點進而驅動雙向可控硅導通與截止控制燈光亮滅。燈光控制模塊電路圖如圖5所示。

當單片機引腳檢測到市電零點時，Pl.O引腳輸出負脈沖，使Q3導通，MOC3021導通，觸發雙向可控硅Ql導通，燈泡負載與交流火線接通點亮。若要關閉燈泡，只需Pl.O始終保持高電平。圖5中R6為觸發限流電阻，R7為門極電阻，用以提高雙向可控硅抗干擾能力。R9和C14組成RC阻容吸收電路，對雙向可控硅Ql進行過電壓保護。

3 ZigBee通信協議設計

ZigBee聯盟與IEEE802.15.4的任務小組制定的ZigBee協議棧標準有5層體系組成，其中應用層由用戶定義。本系統定義的ZigBee通信協議屬應用層，用于用戶遠程控制。遠程控制時，用戶手機發送控制指令到系統主機，系統主機再將該指令轉換成符合表l所示通信協議的格式，通過內嵌的ZigBee網絡協調器將指令發送到各個燈控節點。

4 燈控節點軟件設計

燈控節點軟件程序主要由主程序，串口信息處理程序和觸摸按鍵掃描程序組成。 主程序在節點上電后首先進行系統初始化，然后循環檢測有無串口信息處理，有無按鍵被按下等事件。主程序流程圖如圖6所示。

串口信息處理程序在主程序檢測到接收完成一幀串口信息后被調用。程序首先判斷該幀指令是否為本節點控制指令，然后根據指令要求驅動雙向可控硅的導通或截止，并向主機反饋控制信息。串口信息處理程序流程圖如圖7所示。

觸摸按鍵掃描程序是燈控節點軟件設計的難點。按鍵處理初始化在節點上電后主程序中完成，包括振蕩器振蕩頻率設置，定時器TO預分頻器設置以及中斷的相關設置等。按鍵掃描原理如下：首先振蕩器頻率輸出腳在硬件上已經和16位定時/計數器Tl時鐘輸入端連接，Tl會從0開始計數直至溢出清零后重新計數。軟件上將振蕩器頻率輸出腳映射到某一按鍵焊盤所接單片機引腳，振蕩器便以固定頻率在該按鍵焊盤上振蕩，若有手指觸壓焊盤，振蕩頻率便減小。再設置8位定時器TO提供固定時基測量振蕩器頻率。開始測量時，TO、Tl均清零，然后TO計數至溢出中斷，在TO中斷服務函數中讀取Tl計數值，與前16次的采樣滑動平均值比較，這樣就完成了對按鈕的一次掃描，如果頻率計數有顯著下降則說明按鈕被按下。最后將振蕩器移向下一個按鈕焊盤掃描。觸摸按鍵掃描程序流程圖如圖8所示。

5 測試結果

本文所開發的照明控制系統分遠程控制和現場控制兩種控制方式。對于遠程控制其穩定性主要受系統主機與燈控節點間ZigBee網絡穩定性影響，故采取協調器與燈控節點相距10米距離，協調器連續發送1000條控制指令，每條指令間隔0.5秒，統計燈控節點收包率的方式實現。對于現場控制，采取連續點擊燈控節點面板上觸摸按鈕1000次，每次點擊間隔0.5秒，統計燈光實際受控次數的方式實現。測試結果如表2所示。

由測試結果和大數定律可知遠程控制時主機每發送一條控制指令，燈控節點接收到的概率是0.981，若主機連續發送兩條指令，則燈控節點接收到的概率：P=1-（1-0.981）²≈0.9996

而現場控制時受控率達到100%。以上實驗結果表明本系統可以有效實現燈光的遠程控制和現場控制。燈光控制效果圖如圖9所示。

6 結束語

本文開發了一套基于ZigBee網絡技術和電容觸摸感應技術的智能家居照明控制系統，實現了當用戶外出時，利用手機等移動設備遠程控制家中燈光亮滅和在家時通過觸摸按鍵現場控制家中燈光亮滅的功能。利用ZigB ee無線網絡代替有線來搭建家庭局域網，省去了傳統燈控系統中繁瑣的布線工作：利用觸摸按鍵和雙向可控硅代替傳統墻壁開關實現無觸點開關控制，解決了傳統開關觸點易磨損，可靠性隨著時間的延長而降低等問題。

該系統在實際批量使用中發現當電網中雜波較多時，觸摸按鍵會發生誤觸發現象。下一步將重點研究如何提高該系統對不穩地電網的抗干擾性。