基于zigbee的夜起自動照明系統

王青青 高宏宇 袁海潮

摘要：目前，我國家庭中的照明設備大多屬于人工操作控制，這種方法不僅需人力主動去控制，并且在晚上夜起時操作不便。現今科技技術發展迅速，我們可利用新興的技術實現夜起自動照明系統?；谌藗円蛊鸬男枨?，設計一種夜起自動照明系統：系統主要使用傳感器檢測技術及ZigBee無線通信技術，通過傳感器采集壓力值、光照值，然后處理數據進而控制照明。

本文將ZigBee技術應用到夜起自動照明系統中，主要完成了對節點的設計工作。系統整體主要包括信息的采集，ZigBee的無線通信以及外圍的電路等。軟件程序是在Z-stack協議棧的基礎上進行的程序設計，包括數據的采集和無線通信程序。

關鍵詞：夜起自動照明;zigbee技術;傳感器;CC2530

中圖分類號：TP3? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1009-3044（2018）34-0224-03

隨著國內老齡化形勢的加竣，獨居老人也隨之增多，多數老年人的行為行動受到身體健康狀況的影響導致行為行動不是很方便，尤其是在夜間生活中的起居，對他們平時的生活造成了一些困擾，基于此類社會中老年人起居不便的問題，設計了一套夜起自動照明系統的方案，將原本需要人為操控開關的傳統照明系統轉化為無須人為操控的智能化管理。

自動照明系統對于人們的日常生活也有極大的方便性，實現照明的人性化、智能化。通過傳感器和ZigBee無線通信技術實現夜起自動照明，以此來解決老年人夜起的不便性，此系統適合老年人的家中、養老院、福利院等夜間行為不便的住所，具有非常重要的實用性。將傳統的人為開關照明，轉變為智能自動化照明，并準時的進行智能自動開關，以使系統能夠最大限度地節約能源的損耗。

1 國內外相關技術發展現狀及前景

1.1 ZigBee簡介

ZigBee技術主要是基于IEE802.15.4的國際無線標準協議而開發的一種面向應用軟件的技術標準，此協議技術承載著短距離，低功耗等優點的無線通信技術。ZigBee技術并且是一種短距離，低功耗的無線通信技術協議，其特點是復雜度低、功耗較低、低數據速率、成本較為低，主要應用于自動和遠程控制，它能嵌入于各種設備之中。

1.2 ZigBee技術主要特點

1）低功耗：其技術僅使用兩節5號電池，低功耗模式的情況下就可以支持一個節點維持其工作6-24個月的時間，這就是ZigBee技術的突出優勢功耗低。

2）低成本：一方面通過降低簡化協議程度的措施，使其達到了對于通信控制器的要求，據分析預測，其主節點僅需要全功能的32KB代碼，其子功能節點則需4KB代碼，其ZigBee每塊芯片的價格大約為2美金，價格較為低廉。

3）低速率：ZigBee技術工作在速度為20-250kbps之間，封閉的俄羅斯提供250kbps（2.4GHz）、40kbps（915MHz）和原始數據吞吐量達到20kbps（868）的傳輸率，基本滿足了應用需要的數據傳輸率較低的需求。

4）附近的：其數據傳輸范圍在10m-100m時，增大RF發送功率后，可提高至1-3公里相鄰節點的傳輸距離。若中斷路線，僅通過節點之間的通信，其傳輸的距離更遠。

5）短延遲：ZigBee的響應速度只需在15ms的時間內即可迅速進入從睡眠的工作狀態，且節點連接進網絡僅需30毫秒，從而達到節約能源的目的。藍牙則需3-10秒，無線網絡則需3秒，所以相比較下，有很大的優勢。

1.3 ZigBee應用前景

ZigBee具有廣泛應用前景。 ZigBee有望在未來短短幾年里面，普通家庭都會用有ZigBee的設備，實現日常生活功能，其主要應用領域包括以下幾個方面：

1）家庭和建立網絡：溫度控制空調系統，自動照明控制，窗簾自動控制。

2）工業中的控制：各式各樣的監控器，自動化和控制。

3）經營范圍：傳感器、玩具等控制領域。

4）公共場所：空調系統的溫度控制器、燈光和窗簾的自動控制、汽車站火車站等地區的煙霧探測器。

5）農業：用于對農田領域溫濕度參數的及時了解，林木防火監控。

6）醫療：用于老年人和行動不便的醫患者之間的緊急呼叫器。

2 需求分析與整體系統設計

2.1 需求分析

根據21世紀初全國第五次人口普查顯示，65歲以上老年人達到了8811萬人，占總人口的6.96%;60歲以上的老年人口則達到1.3億人，占總人口的10.2%。按照國際標準的65歲以上的老年人口占總人口的7%，在2000年，我國就已經邁入老年型社會。老齡化已經成為21世紀不能逆轉的趨勢，與1953年的第一次老年人口普查對比，增長了2.36倍，平均年增2.6%，近幾年來老齡化速度加快，每年都以3%的速度增長，并且80歲以上的高齡人口同樣以百萬人的速度增長。

隨著家庭老年人增多，而且老年人精神差，睡眠差 ，需要多次夜起，若繼續沿用傳統的人工開關燈光的方式，這樣就極大地增加了老年人夜起的負擔。

傳統開關照明存在的問題：

1）用戶需要時刻手動開關;

2）增加老年人的負擔;

3）對于開關，若沒有及時關閉，則會影響能源的損耗。

2.2 整體系統設計概述

本系統主要使用傳感器檢測技術以及ZigBee無線通信技術，無須布線，僅需要在地毯上安裝配有壓力傳感器、光敏傳感器的ZigBee的終端節點即可，通過安裝的傳感器進行數據的采集處理：

1）當傳感器對數據進行采集后對無光照值有壓力值條件時的情況（設定為夜間起床），此時通過ZigBee無線通信發送控制指令，從而打開臥室和洗手間的燈光。

2）當傳感器對數據進行采集后對僅有光照值時的情況（設定為白天或有燈光開啟的狀態），有無壓力的狀態下均不做任何操作。

3）當人回到床上繼續睡覺后，ZigBee節點會通過紅外傳感器監測是否有人，若無人，等待幾秒后自動關閉燈光，同時通過ZigBee節點發送信息到另一個節點，隨之也自動關閉。

整體系統框圖如圖1所示：

2.3系統整體設計方案

系統由多個節點共同組成的ZigBee網絡和多個傳感器檢測系統組成，開燈時，先檢測光照，無光照時檢測是否存在壓力值，如果滿足有壓力產生的條件，則會發送開燈命令，自動打開燈光;關燈時，先檢測是否有光照值，判斷燈光是否開啟，若燈光打開，則判斷是否有人，當達到系統的預設時間，則會發送關燈命令，燈光則會自動關閉。

系統流程圖如圖2所示：

3 系統硬件選擇以及傳感器選型

3.1 CC2530芯片簡介

CC2530是隸屬于Chipcon公司生產的第一款單芯片，此芯片結合了最領先的RF收發器的優良性能、業界標準化的增強型的8051CPU處理、以及系統內部可編程閃存、8-KB ARM等其他強大的功能，此芯片擁有2.4GHz的無線電系統并且適用于2.4GHz主頻之外的設備，完全符合了ZigBee的標準。CC2530芯片還結合了德州儀器業界中相對領先的ZigBee協議棧（Z-Stack?），為使用者提供了一個強大并且完整的解決方案。

CC2530芯片的具體特點如下：

[1]具有低功耗，和高性能的8051 CPU微控制器內核;

[2]芯片使用2.4_GHz的IEEE 802.15.4 RF收發器;

[3]其芯片配有8路可輸入和可配置分辨率的12位ADC;

[4]具備高級加密標準的AES安全處理器;

[5]CC2530芯片具備硬件支持的條件，從而避免載波偵聽多址（CSMA-CA）沖突。

CC2530芯片和結構圖如圖3、圖4所示。

3.2 傳感器選型

3.2.1 光敏傳感器

光敏傳感器的工作原理是在黑暗環境里，電阻值變高，當其接受到光照，光子能量的通過率大于半導體材料的拒止寬度，流動的電子吸收一個光子的能量后可通過極板，攜帶一個帶著正電荷的電子，從而導致光敏傳感器的阻值下降;光照度消失后，光敏傳感器的阻值恢復正常。當在光敏傳感器兩端的正負極加上電源時，光敏傳感器便會有電流通過，當受到光照射時，電流就會隨光照強度變化而變化，因此可以實現光電轉換。我們選用光敏電阻，光敏電阻是以半導體材料制成的電阻傳感器，可對光進行檢測控制以及對光電進行轉換。如圖5所示：

3.2.2 壓力傳感器

工作原理壓力傳感器承載重物時，彈性體受到外力的作用，其應變片的金屬絲長度和橫截面積發生改變。受壓時應變片的金屬絲的長度變短、橫截面積增加，電阻值變小;反之受到拉伸時，應變片的金屬絲長度變長，橫截面積變小，電阻值變大。于此選用1KG電阻應變式壓力傳感器，傳感器如圖6所示。

3.2.3 紅外傳感器

紅外傳感器主要由光學系統、檢測元件、轉換電路三部分組成，其中光學系統按結構不同主要分投射類、反射類兩種。其檢測元件主要分為熱敏檢測元件和光電檢測元件。內置的紅外傳感器是一種主要利用紅外的物理性質，從而進行測量的傳感器，測量時不與被測物體進行直接接觸，無摩擦，并且具有高靈敏，反應快的優點。

4 系統軟件的設計

4.1 ZigBee的簡介

CC2530是以IAR Embedded Workbench for 8051 8.10 為基礎開發環境。本設計是以Z-Stack2006 ZigBee 協議棧作為 CC2530 的開發平臺，且其中每一個網絡節點傳輸距離可從標準的75米擴展至幾百米幾公里的傳輸距離。

ZigBee網絡節點本身可以監控，對傳感器直接進行數據的采集與監控，自動中轉其他網絡節點傳輸的數據資料;同時每個ZigBee網絡節點可在本身信號覆蓋下的范圍內和多個不承擔網絡信息中轉的孤立子節點無線連接。每個網絡節點可支持31個傳感器和受控設備，且每個傳感器和受控設備中可以有8種不同的接口方式，進行數字量和模擬量的采集和傳輸。

4.2 Z-Stack 協議棧

Z-Stack 是開放式協議棧，它符合ZigBee2006標準。本文編寫的軟件程序主存儲在應用層目錄中，主要實現的功能主要包括ZigBee網絡的建立、數據的采集、傳輸、以及對數據的接收等模塊功能。

Z-Stack是TI公司的CC2530的硬件協議棧，全面支持ZigBee協議標準，并滿足了最新的智能能源規范。程序的編譯調試環境選擇IAR軟件進行編譯調試，其中網絡軟件設計的主要工作是協議棧網絡層和應用層的修改，通過編譯調試和開發，以適應個層次網絡節點的程序運行。

5 結論

經這次實驗，成功地調試了系統設計的功能，達到了我們實驗的目的。當傳感器采集到無光照，有壓力時，通過ZigBee無線通信發送開燈控制指令;當傳感器采集到光照時，無論是否有壓力，均不做控制處理。當人回到床上繼續睡覺后，ZigBee節點會通過紅外傳感器監測有沒有人，如果監測不到人，等待一定時間后，衛生間節點控制的燈自動關閉，同時無線通信發送消息到臥室節點，臥室的燈則也自動關閉。

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【通聯編輯：張薇】