基于ZigBee的智能照明控制系統設計

張 斌，侯嚴嚴，趙 濤

(商丘工學院 信息與電子工程學院，河南 商丘 476000)

0 引言

隨著傳感器技術、網絡技術、綜合布線技術、自動控制技術和大數據技術的發展，物聯網在人們生活中的作用越來越重要，智能家居是物聯網的應用領域之一。智能家居是一個較為龐大的系統，它由智能家電、智能照明和家庭安防三個部分組成[1]。

智能照明控制系統是智能家居系統的重要組成部分。傳統的家用照明系統一般都是手動控制，因人為疏忽，很可能會引起忘記關燈的情況，極易造成電量的浪費，而且會縮減燈具的使用壽命。另外，在夜晚不容易找到電燈的開關，會有一些不必要的麻煩。而智能家用照明系統則能解決這種問題。通過用傳感器感受光強，來判斷是黑夜還是白天；通過是否有人通過，來判斷是否需要自動地將電燈點亮；還可以通過手機APP對燈具的工作狀況進行檢查，從而可以一目了然地知道哪些燈具正在工作，從而避免不必要的電量浪費。通過智能照明系統對家用燈具進行監控和管理，可以極大地提高用戶的生活體驗，能夠讓人們切身體會到現代科技給人們帶來的便利。

1 相關技術介紹

1.1 傳感器技術

傳感器是自動化和智能化控制系統的主要部件，被廣泛應用于收集環境數據，如溫度、濕度、氣壓、光照等[2]。傳感器感知外界信息，并將獲得的信息通過網絡傳送給計算機進行處理，進而使獲得的信息成為有效的數據。

1.2 ZigBee技術

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗和低成本的無線網絡協議，適合于遠程控制和自動控制等領域，主要應用于嵌入式設備中[3]。與其他頻段的無線技術相比，ZigBee技術具有功耗低、距離長、成本低、容量高和易組網的特點[4]。ZigBee提供的低安裝和運行成本有助于解決現有家庭自動化系統的昂貴和復雜的體系結構問題[5]。在ZigBee網絡中的設備類型一般有三個，分別是網絡協調器、中繼器和終端設備[6]。其中協調器負責將網絡啟動，中繼器可以允許其他終端設備加入ZigBee網絡。

2 智能照明系統硬件設計

2.1 智能照明系統總體設計框圖

智能照明控制系統主要是對家用電燈進行控制，系統主要由基礎設施層、感知層、網絡層和應用層組成，系統總體設計框圖如圖1所示。

圖1 智能照明系統總體框圖

基礎設施層：主要是家用電燈，電燈種類和型號沒有限制，節能燈、彩燈等都可以。

感知層：主要是一些傳感器，用來感知家用電燈的狀態和周圍環境，通過將周圍信息進行采集，傳輸給數據處理中心，數據處理中心將數據進行分析，然后發送相應的指令，從而實現燈具的智能控制。用戶也可以根據采集的信息了解電燈的開關情況，實現電燈的遠程開閉控制。

網絡層：主要是將感知層的設備連接在一起，然后將感知層的數據通過ZigBee網絡傳遞給應用層。該層可以作為照明系統的中樞，實現數據的可靠傳輸。

應用層：該層的主要作用是根據用戶的指令，進行數據的查詢和設備的控制。具體的操控將由手機APP來完成。

2.2 手機與硬件設備的通信過程

在智能照明控制系統中，手機作為客戶端，硬件設備的中央控制器作為服務端。客戶端和服務端通過網絡進行連接。在進行通信的時候，手機APP通過HTTPClient向服務端發送一個用JSON組織內容的HTTP請求，服務端接收到該請求之后，在中央控制器進行信息的整合匯總，然后進行相應指令的控制。手機與硬件設備的通信如圖2所示。

圖2 手機與硬件設備通信過程

2.3 網絡層的設計

網絡層在整個智能照明系統中處于中間位置，所以智能照明系統的核心是網絡層設計。

網關設計：網關是網絡層的一個核心部件，各種類型的傳感器可以通過網關接入網絡。網關不僅可以對接入的設備進行管理，還可以識別、控制和維護所接入的外設。另外，它還有協議轉換的能力，可以將感知層獲得的信息進行統一封裝，形成格式統一的數據。網關硬件結構如圖3所示。

圖3 網關結構圖

網關的主要模塊有：主控制器模塊、電源模塊、I/O模塊、ZigBee協調器、USB接口、時鐘電路、串口調試模塊、JTAG模塊、以太網接口模塊等。

主處理器模塊：采用頻率較高的S3C2440芯片，可以保證系統有較高的處理效率。

JTAG模塊：主要用來進行程序的下載、調試和運行，以便系統達到較好的狀態。

串口調試模塊：可以對系統進行輔助調試。

電源模塊：提供系統運行所需要的動力，還可以進行系統復位操作。

I/O模塊：負責信號的輸入和輸出。

串口擴展模塊：可以進行接口的擴展，以接入其他硬件設備。

ZigBee協調器：可以對網絡節點進行管理，還可以存儲網絡節點信息。在智能照明系統中采用無線收發芯片CC2530[7]。它可以接收到中低頻信號，接收到的信號經過放大、濾波和A/D轉換變成數字信號。

以太網接口模塊：負責將系統與網絡進行連接，實現數據的傳輸和用戶對網絡的控制。

2.4 感知層設計

2.4.1感知層結構

感知層主要是由傳感器組進行環境信息的采集，然后通過ZigBee節點與協調器將ZigBee節點的信息進行匯總，再通過網關進行信息的網絡傳輸。感知層結構如圖4所示。

圖4 感知層結構圖

2.4.2協調器設計

CC2530可以廣泛應用在2.4 GHz IEEE802.15.4系統，它整合了8051兼容微控制器、ZigBee射頻前端(RF)、A/D轉換器、多個定時器、看門狗定時器等部件，可以提供強大和完整的ZigBee解決方案[8]。

CC2530引腳可以分為三類，分別是：I/O端口引腳、電源線引腳和控制線引腳。通過軟件設置特殊功能寄存器的位，可以使這些引腳作為I/O或者連接定時器等其他外圍接口[9]。CC2530功能豐富，因此使用該芯片設計ZigBee協調器。協調器設計如圖5所示。

圖5 協調器電路圖

其中C2、C3、C9和C10是負載電容，L1、L2、C4、C5、C6、C7、C8為匹配網絡的部分。

2.5 應用層設計

2.5.1應用層主要功能

應用層用智能手機來實現，系統除了保留傳統的手動控制照明設備的功能外，還實現了對照明系統的智能化控制。具體的實現方法是把手機用無線網絡接入智能照明控制系統，用智能控制系統APP進行電燈的控制。

智能控制系統APP主要有設備管理、信息推送、軟件管理、數據查詢等功能。

設備管理：(1)當電燈被設置為在線狀態時，可以利用傳感器感受光照強度，判斷是白天還是黑夜，黑夜情況下可以根據紅外傳感器判斷是否有人活動，從而自動點亮活動區域的電燈。(2)調節燈光，根據不同的組合模式將電燈進行編排組合，根據自己的需要進行組合電燈的打開或關閉。(3)時間控制，可以設置電燈的自動關閉時間，可以實現電燈定時開關的目的。(4)燈具的選擇，可以根據具體的需要選擇要控制的電燈。

信息推送：在白天推送未關電燈的信息，從而可以讓用戶及時發現問題，解決問題，防止電量過度浪費。

軟件設置：軟件管理主要進行軟件的升級設置、主題信息設置和個人信息設置等功能，如改變主體風格、個人信息修改等。

數據查詢：數據信息存儲在MySQL數據庫中，通過該數據查詢功能，不僅可以對設備狀態(開/關)進行查詢，還可以對一段時間內用戶的操作記錄(如新添加的燈具信息、新刪除的燈具信息、燈具設備的總數等信息)進行查詢。

2.5.2軟件工作流程

家庭照明設備的控制有兩種方式，一種是手動控制；另一種是智能控制。在具體使用過程中，用戶可以根據實際需要進行選擇。當用戶不啟用智能控制而使用手動控制時，在照明設備的狀態發生改變時，系統向后臺發出一個請求，將電燈狀態和操作記錄進行存儲。當用戶啟用智能控制時，系統會自動讀取當前燈具的信息，然后進入相應的功能選擇界面。在該界面用戶可以對照明設備進行控制，調節燈光或者是打開某一組合的設備等。當設備狀態發生改變后同樣會向后臺發送存儲狀態和操作記錄的請求。軟件工作流程如圖6所示。

圖6 智能照明系統APP工作流程

3 系統測試

智能照明控制系統對照明設備的控制方式主要兩種：手動控制和智能控制。其中，手動控制不限制控制條件。智能控制要測試燈具的編排組合以及自動感應等功能。

具體要求有：在代碼中根據燈的編號進行組合，實現組合內燈具點亮或關閉的功能；自動感應，要實現白天有人經過感應區時感應區內燈不亮，而夜晚有人經過感應區時感應區內燈被點亮。

在無光(弱光)情況下(可遮擋光照傳感器)，人體感應傳感器感受到人的存在時，測試結果為相應地區的燈亮。智能照明控制系統APP主界面和無光有人情況下的測試結果如圖7所示。

圖7 APP界面及無光有人測試結果

其他情況下的測試步驟和無光有人時相似，不再進行贅述，具體測試結果如表1所示。

表1 測試結果

4 結論

智能照明控制系統作為傳統照明系統的改進，最突出的功能是智能控制。該系統不僅可以實現燈具的一鍵全開和全關功能，還能夠根據燈具的編排組合對部分燈具進行控制，從而實現對室內燈光亮度的調節；另外，根據光照傳感器和人體感應傳感器的組合，實現了黑暗環境下感應區照明設備的自動開啟功能。智能照明控制系統是智能家居的組成部分，通過對智能照明系統的設計與應用，不僅可以極大地提高用戶體驗，還可以為智能家居在今后的普及起一定的推廣作用。