基于ZigBee的室內智能照明系統設計

摘 要：隨著人們對智能化生活需求的提高，傳統的室內照明系統存在的布線復雜、電能浪費、不能遠程控制等諸多問題已經無法滿足人們需求。為此，文章提出一種基于ZigBee技術的室內智能照明控制系統設計方案。系統主要采用集射頻與微控制器于一體的片上系統CC2530為核心器件，實時采集現場光照強度調節照明光強、紅外感應人體活動自動開關照明。實驗測試表明，該系統操作方便、反應靈敏、更具人性化和節能等特點。

關鍵詞：ZigBee；智能照明；CC2530

1 概述

隨著無線通信技術的發展，各種智能設備與智能家居解決方案不斷推出，其中照明系統解決方案更是百花齊放。市場上的應用最為廣泛的聲控燈，其每一盞燈與聲控、光控、時鐘元件串聯在一起組成一個閉環被動執行系統，當有一定大小的聲音傳入且環境光線較弱時，燈被點亮，延時一定時間后熄滅，看似已經實現了照明設備的自動化，但這種控制僅僅適合樓道等場景使用，同時在點亮的時候需要一定大小的聲音，夜間容易產生噪音干擾，也容易被其他聲音干擾誤點亮。ZigBee技術應用于智能照明系統，能使系統中所有的照明設備在短距離內自動組網，由協調器實現終端無線控制。各個照明設備也能實時判斷環境光線的強弱和是否有人員進入，做到感應開啟。這一控制系統不需要特定環境，也無需重新布線，只要對既有線路稍微做出更改便可實現無線智能控制。簡便的操作、便宜的價格、適用于大部分照明場景。

2 ZigBee技術

ZigBee是一種短距離、低復雜度、低耗能、低速率、低成本的無線短距離雙向網絡通信技術。因此具有廉價的市場定位，非常適合在照明系統中應用。

ZigBee技術介于無線標記和藍牙之間的技術方案工作組，主要用于近距離無線連接，采用IEEE 802.15.4技術標準。一個基于ZigBee的無線個人域網能支持高達254個節點。ZigBee采用自組網方式實現組網，在整個網絡范圍內，節點之間以接力的方式通過無線電波來實現通信，通信效率非常高。

ZigBee組網方式主要有三種拓撲結構：星型結構、簇狀結構和網狀結構。星型拓撲結構包括一個協調器和多個終端，沒有路由，近距離傳輸。本照明系統采用星型網絡拓撲結構，由一個協調器和多個終端設備組成。在本ZigBee網絡中，協調器執行命令的發送。協調器將控制命令發送到指定的節點，當指定的節點收到來自協調器的命令后，就做出指定的動作，而各個終端節點之間不能互相通信。

3 系統硬件設計

本系統在架設ZigBee無線通信網絡系統時所選擇的硬件平臺是CC2530模塊ZigBee開發套件。CC2530內部已集成了一個8051微處理器與高性能的RF收發器。CC2350能以很低的成本建設強大的網絡節點，擁有較大的快閃記憶體，能存儲256B數據。本系統主要分為協調器模塊和終端節點模塊。協調器模塊由ZigBee模塊和PC組成，終端節點模塊主要由ZigBee模塊、光敏傳感器、紅外傳感器和照明燈泡組成。控制策略結合ZigBee2007協議，終端節點實時采集照明現場的環境參數發送給協調器，經過協調器上CC2530芯片的邏輯分析后，發回操作指令給終端節點。PC上位機也可實時顯示環境參數信息，對照明設備進行集中管理和控制。使用的主要硬件包括ZigBeeCC2530芯片模塊、HC-SR501型紅外電傳感器、5549光敏傳感器、燈泡、RS232串口通信線、YL-78 1路繼電器、PC機、電源、下載線等。硬件原理圖如圖1所示。

4 系統軟件設計

使用TI公司開發的基于IEEE 802.15.4標準的 Z-Stack協議棧 ，僅僅需要設計各個節點的應用層軟件即可。網絡協調器初始化網絡后，終端節點與協調器完成網絡連接的過程，成功組建ZigBee星型網絡。光敏傳感器對室內光照強度進行實時采集，并將采集的光強信息傳給終端ZigBee模塊，終端ZigBee模塊又將此信息發送給協調器，協調器通過串口將數據送到上位機顯示，同時，協調器對光強信息進行分析判斷，當光強高于既設閾值時點亮燈泡，小于則熄滅。此模式還要判斷是否有紅外感應的情況下執行，當沒有紅外感應時，燈泡一直處于熄滅狀態。

本論文實物使用開發板P0.4口和P0.5口作為電磁繼電器的信號輸入端，設定高電平時繼電器斷開，低電平時繼電器吸合。主要應用ZigBee協議棧SampleApp_Init（ ）用戶任務初始化函數，設置程序發送數據的方式和目的地址尋址模式，定義設備用來通信的APS層端點描述符；SampleApp_ProcessEvent（ ）用戶應用任務的事件處理函數，處理用戶按鍵任務；SampleApp_SendPeriodicmessage（ ）分析發送信息函數，調用AF_DataRequest將數據無線廣播出去；SampleApp_MessageMSGCB（ ）分析接收數據函數，接收廣播信息數據，并執行。

5 系統整體測試

給兩塊ZigBee開發板上電，組網成功后，當有人體靠近時，紅外熱釋電傳感器感應到人體靠近，同時通過光敏模塊采集環境光強度，協調器分析處理采集信號，如果環境光強度弱，發出高電平，控制繼電器將燈點亮，反之發出低電平，繼電器不工作燈泡保持熄滅狀態。

PC上位機能夠顯示遠程終端節點的實時環境參數，并能實現對終端節點上的燈泡集中控制。

6 結束語

本設計將ZigBee技術與室內照明相結合，能實現對建筑室內外的照明設備進行集中管理，該系統可用于家庭照明、樓道燈和偏僻地點的路燈等場景的照明控制。利用此系統不但可以降低系統的安裝成本與難度，同時可靠性高、維護方便，有著廣闊的應用前景。

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作者簡介：古丹（1991-），女，漢族，四川，助理實驗師，本科，三亞學院，研究方向：電子技術。