家用照明裝置無線控制系統設計

宋俊慷 王坊 盧丁銘

文章編號： 2095-2163（2018）03-0169-03中圖分類號： 文獻標志碼： A

摘要： 關鍵詞： （College of Physics and Electronic Engineering， Guangxi Normal University for Nationalities， Chongzuo Guangxi 532200， China）

Abstract： Taking the household lighting control system as the research object， the design scheme of wireless household lighting control system is expounded. The system adopts the wireless Internet of things technology， which not only realizes the wireless transmission of the control signal of the household lighting device， but also controls the working state of the household lighting device with the smart phone in the room， therefore provides the flexible control mode.The system effectively reduces the complexity of wiring in household lighting system， and controls the household lighting device flexibly and conveniently. The test results prove the feasibility of the design of the system.

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通訊作者： 收稿日期： 引言

隨著城市建設規模的增長與質量的穩步提升，與人們生活密切相關的室內照明工程的科技融入研發即已成為吸引各界關注的熱點內容。其中，家用照明裝置也已然呈現出多功能集成及智能化控制的潮流引領態勢。傳統室內照明的管理方式已經難以適應時代的發展需求[1]，人們對家用照明裝置控制方案舒適度的追求正日趨突出與迫切。為提高室內家用照明的管控水平，設計展開家用照明裝置無線控制系統的研究則已勢在必行，同時也還具備著良好有益的社會實用價值[2]。

傳統家用照明控制設備對家居每一處照明裝置的操作均是孤立行為，照明裝置難以獲得靈活控制。一方面，家用照明裝置采用有線控制方法，使得室內電線布局復雜，而且也提高了布線成本；另一方面，隨著室內照明工程的高端升級，控制開關檔位也隨即增加了技能處理的復雜程度[3]。

本文即以現實應用背景為研究對象，設計開發了用戶可以通過智能手機對家用照明裝置進行無線控制的便捷方式[4-7]。解決了傳統室內照明控制系統的一系列缺陷與不足，有效降低了室內照明布線的復雜程度，在節約資源的基礎上使家用照明裝置能更加方便地做到科學集中管理[8-9]。1家用照明裝置無線控制系統總體設計

建立如圖1所示的系統結構設計所部署規劃的家用照明裝置無線控制系統，從而完成對家用照明裝置的控制。系統主要由控制節點、中心節點和上位機軟件3部分構成。其中，控制節點用于接收中心節點轉發的控制命令，實現對照明裝置的控制；中心節點接收上位機下發的控制命令，將其轉發給相應的控制節點；上位機由電腦和智能手機2部分組成，兩者均可實現對家用照明系統控制命令的發送。

整個家用照明裝置無線控制系統具有3層結構，對其功能可闡析分述如下。

（1）分布式控制層，由各個控制節點構成。該層定制功能是在控制室內各照明裝置工作狀態基礎上，設計構建與數據匯集層設備的數據組網通信。

（2）數據匯集層，由中心節點構成。該層設計功能是接收來自人機交互層下發的照明控制指令，并轉發至室內各個控制節點。

（3）照明控制人機交互端，由上位機構成。該層重點是通過人機交互生成照明控制命令，并下發給數據匯集層的中心節點。

2系統關鍵設計

2.1上位機軟件概述

上位機軟件分為計算機應用程序和手機App程序2部分。各部分的功能設計可見如下。

計算機應用程序通過串口通信程序和Socket通信程序來研發建立手機App與中心節點的數據通路。手機App程序通過Wi-Fi網絡與計算機相連接向計算機發送控制命令，計算機應用程序間接將手機發送的控制命令通過USB轉串行通信下發至中心節點。

2.2關鍵技術設計

2.2.1組網通信設計

控制節點和中心節點間的無線數據鏈路采用ZigBee組網通信技術。本設計采用由TI公司生產的CC2530芯片作為ZigBee組網通信的核心。CC2530是TI公司推出的新一代片上系統芯片，采用表面貼裝工藝批量生產，一致性好，可靠性高；芯片工作在2.4 GHz的ISM頻段，芯片數字I/O端口全部引出，應用廣泛并免除了客戶射頻開發的困難；軟件方面支持TI-MAC、SimpliciTI、Z-Stack、RemoTI等軟件包，方便客戶開發符合IEEE 802.15.4、ZigBee2007、ZigBee Pro和ZigBee RF4CE等標準或其它非標準產品。芯片體積小巧，采用外置SMA天線接口設計，增益大，接收靈敏度高，通信距離遠。

CC2530的內置資源包括：單周期的8051兼容內核、8 kB的靜態隨機存取存儲器、21個數字I/O引腳、5個獨立的直接內存存取通道、1個獨立16位定時器、2個8位定時器、1個睡眠定時器、1路8通道14位AD接口、1個隨機數發生器、1個AES外部協處理器、4個可選定時器間隔的看門狗、1個高性能的射頻收發器、2個USART接口。CC2530有40個引腳，引腳按功能排布，其最小系統包含了芯片工作時的基本核心電路部分，也就是：電源電路、復位電路、時鐘電路、仿真接口和無線射頻。這里，給出最小系統主要外圍電路如圖2所示。

2.2.2控制節點設計

控制節點在使用CC2530最小系統的基礎上增加繼電器控制接口。通過操作CC2530的P1管腳的I/O端口來控制繼電器，實現對照明裝置的工作狀態的控制。CC2530與繼電器控制接口設計原理即如圖3所示。

控制節點軟件的設計流程如圖4所示。

控制節點CC2530芯片在啟動后即以ZigBee組網終端模式來初始化自身的硬件資源，包括通道、頻率、I/O端口等等；其次，發出網絡加入信號，向其通信范圍內的Zigbee協調器申請加入網絡；如果收到成功入網的應答信號，則轉至低功耗狀態。如果加入網絡失敗，則繼續發送申請信號，直到成功加入一個ZigBee協調器組建的網絡為止；最后，成功加入網絡、并選取低功耗模式后就要等待系統初始化時預置的數據傳輸命令。一旦數據傳輸命令激活，則調取等待數據中心節點轉發照明控制命令控制繼電器工作狀態。

2.2.3中心節點設計

數據中心節點硬件設計依然以CC2530最小系統為核心，在此基礎上添加CH340G型USB串行通信接口來與計算機實際建立數據連接。CH340G的結構原理即如圖5所示。

數據中心節點的CC2530芯片在以協調器功能啟動后，將會進行ZigBee的網絡初始化，這樣也就確定了網絡的信道和PAN ID。此后就進入無線監控狀態對其通信范圍內的申請加入網絡的信號展開監測。當接收到有節點需要申請加入網絡時，在資源允許的情況下，便為該申請加入的節點分配指定的網絡資源和地址。如果暫無申請信號，則查詢其與上位機連接的串行通信接口是否接收到上位機發送的控制命令。若并未收到，就繼續對周邊加入網絡的申請信號進行監測；若上位機發送了照明裝置控制命令，則將該次獲取的命令發送至已經加入網絡中對應的控制節點。

3測試與評估

測試系統如圖7所示。

整個系統測試使用2個自行設計的LED燈模擬家用照明裝置，分別對客廳和臥室的照明裝置指配現場模擬。系統運行后可知，2個控制節點通過繼電器實現對2個模擬家用照明裝置的控制；中心節點可實時轉發上位機下發的控制命令至對應的控制節點。

4結束語

通過仿真實驗可以看出，根據家用照明工程的需求機制特點，使用物聯網ZigBee組網通信可以有效實現家用照明裝置的無線組網通信控制。在此基礎上，使用手機App和計算機通信軟件就可對家用照明裝置施以靈活控制，使家用照明工程應用技術的發展更趨系統化、數字化和智能化。

參考文獻

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