基于Zig Bee的智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉雪峰

（福建江夏學(xué)院工程學(xué)院，福建福州，350108）

一、引言

（一）研究背景及意義

當(dāng)今照明系統(tǒng)更加注重智能照明的簡(jiǎn)易便捷性和低能耗性，以提高生活質(zhì)量，享受低碳生活。[1]在智能照明系統(tǒng)的普及率上，美國(guó)約占70%，歐洲約占45%，中國(guó)的智能照明系統(tǒng)普及率不到1%。[2]隨著人們對(duì)美好生活的需求升級(jí)，智能控制是未來照明系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。目前對(duì)智能照明系統(tǒng)的研究已經(jīng)日漸成熟，但許多設(shè)計(jì)方案存在布線復(fù)雜、維護(hù)成本高、安全性能低、能耗依舊較大、系統(tǒng)便捷性及靈活性差等問題。智能終端常用無線通訊對(duì)照明設(shè)備進(jìn)行控制，常見的無線通信技術(shù)有WiFi 、藍(lán)牙以及ZigBee。相比較來說，選用ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)作為智能照明系統(tǒng)的內(nèi)網(wǎng)，具有設(shè)備成本低、組網(wǎng)方便、功耗低的特點(diǎn)。[3]在構(gòu)建無線傳感與照明控制網(wǎng)絡(luò)方面具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。采用ZigBee和單片機(jī)相結(jié)合的方法，對(duì)智能照明系統(tǒng)進(jìn)行研究，針對(duì)大型公共場(chǎng)所，如高校教室、會(huì)議室、娛樂區(qū)等用電量大又缺少管控的場(chǎng)所，該設(shè)計(jì)可以減少燈具的工作時(shí)間，延長(zhǎng)燈具壽命并有效節(jié)約能源，以達(dá)到節(jié)能環(huán)保和智能控制的目的。[4]

（二）現(xiàn)有研究概述

ZigBee、NB-IOT 等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，基于同一種軟件開發(fā)，架設(shè)中臺(tái)打破信息孤島，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通的智慧城市照明系統(tǒng)正在世界掀起新的革命浪潮，這種形勢(shì)下的智慧城市建設(shè)方式，可以實(shí)現(xiàn)技術(shù)同源的目的，改變傳統(tǒng)各智慧城市子模塊系統(tǒng)分而專、難整合的窘狀。[5]在國(guó)內(nèi)，智能照明系統(tǒng)已采用總線技術(shù)來實(shí)現(xiàn)脈沖調(diào)制信號(hào)的傳輸，如蘇州國(guó)際科技園的景觀智能照明系統(tǒng)采用DMX512總線制控制方式，但該方法存在布線復(fù)雜、維護(hù)成本高、系統(tǒng)便捷性及靈活性差等問題，而對(duì)已經(jīng)安裝好的照明環(huán)境進(jìn)行整改較難，難以實(shí)現(xiàn)智能化控制。[6]另外一種模式是基于WiFi的LED智能控制系統(tǒng)，手機(jī)接入無線WiFi之后，對(duì)燈進(jìn)行控制，但WiFi存在安全性能低，能耗較大，成本較高的問題。2014年中國(guó)Yeelight公司推出Yeelight Blue無線智能藍(lán)牙燈泡，其優(yōu)勢(shì)是將藍(lán)牙4．0的手機(jī)作為移動(dòng)控制端，無需再安裝網(wǎng)絡(luò)控制器，但控制傳輸距離有限。相比較而言，ZigBee功耗低、可接入節(jié)點(diǎn)數(shù)多、響應(yīng)時(shí)間短、傳輸慢、可自組網(wǎng)，適合傳輸字節(jié)數(shù)不多的場(chǎng)景。[7-8]

二、系統(tǒng)總體框架

本系統(tǒng)以ZigBee無線通信模塊和STM32F427VIT6單片機(jī)作為處理核心。[9]系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。ZigBee無線通信模塊通過WiFi或者網(wǎng)線與路由器連接，而路由器可由互聯(lián)網(wǎng)將信息上傳至云服務(wù)器保存，避免信息的丟失。同時(shí)通過路由器建立起PC端、手機(jī)端與網(wǎng)卡的聯(lián)系，其中PC端可以連接網(wǎng)線或者WiFi通過路由器訪問ZigBee無線通信模塊，而手機(jī)端可以連接WiFi網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過路由器訪問ZigBee無線通信模塊，下達(dá)指令給ZigBee模塊和STM32F427VIT6單片機(jī)，繼而使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)控制按鍵開關(guān)和LED燈組，實(shí)現(xiàn)PC端、手機(jī)端的多重控制，達(dá)到調(diào)節(jié)亮度、控制開關(guān)等功能的應(yīng)用。[10]

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)智能照明系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和利用visual studio建立的軟件系統(tǒng)構(gòu)成，系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)是設(shè)計(jì)搭建的硬件系統(tǒng)，而軟件系統(tǒng)是在硬件系統(tǒng)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，兩者相輔相成。

（一）硬件模塊

系統(tǒng)是基于Z i g B e e開發(fā)的智能照明系統(tǒng)，通過模塊化設(shè)計(jì)，采用以Z i g B e e模和STM32F427VIT6單片機(jī)為主的控制模塊，與WiFi模塊、電源模塊、LED燈驅(qū)動(dòng)模塊、LED燈具組成一套完整的硬件系統(tǒng)。

（二）通訊技術(shù)

以高校教學(xué)樓為設(shè)計(jì)和應(yīng)用對(duì)象，教學(xué)樓屬于立體空間，信號(hào)易被墻體、門窗等建筑物遮擋，所以通訊方式采用無線和有線相結(jié)合較為合理。一方面，寬敞的教室內(nèi)可采用ZigBee無線通訊來采集信息和控制教室內(nèi)燈具，盡可能減少了室內(nèi)線路的改造，降低成本；另一方面，針對(duì)教室數(shù)量較多、結(jié)構(gòu)環(huán)境復(fù)雜的教學(xué)樓，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，所以監(jiān)控平臺(tái)與STM32F427VIT6單片機(jī)和ZigBee模塊之間采用WiFi通訊。然后將信號(hào)數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳遞至ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)終端通訊結(jié)構(gòu)方式見圖2。

圖2 終端通訊結(jié)構(gòu)方式

（三）監(jiān)控平臺(tái)組成

監(jiān)控平臺(tái)對(duì)各個(gè)教室的燈具進(jìn)行信息的實(shí)時(shí)顯示與遠(yuǎn)程控制。管理人員可以在遠(yuǎn)端使用瀏覽器請(qǐng)求和處理用戶信息和教室照明的管理，提高工作效率。監(jiān)控平臺(tái)組成結(jié)構(gòu)與處理流程見圖3。

圖3 監(jiān)控平臺(tái)組成結(jié)構(gòu)圖

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)智能照明的硬件系統(tǒng)，包括了系統(tǒng)硬件電路、系統(tǒng)硬件構(gòu)成以及硬件設(shè)備的選取。EIOT開發(fā)板、ZigBee無線通訊模塊、電源模塊、WiFi模塊、LED燈驅(qū)動(dòng)模塊以及LED照明模塊構(gòu)成整個(gè)硬件系統(tǒng)，保證了智能照明系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（一）硬件電路設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行要求硬件電路系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性較好。選用EIOT開發(fā)板，它上面搭載著STM32F427VIT6單片機(jī)和ZigBee模塊。其中，STM32F427VIT6單片機(jī)的集成度相對(duì)較高，其外設(shè)的種類多，包括RTC、ADC、DMA、SPI、USB、TMER等。本系統(tǒng)以STM32F427VIT6最小系統(tǒng)板作為控制核心，通過I/O端口連接ZigBee模塊、WiFi模塊、電源模塊、LED燈驅(qū)動(dòng)模塊組成集成化的控制系統(tǒng)來達(dá)到合理控制LED燈組照明。

基于智能照明系統(tǒng)的功能需求，構(gòu)建了有機(jī)集成照明硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的系統(tǒng)方案，并基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，提出以EIOT開發(fā)板上搭載的STM32F427VIT6單片機(jī)和ZigBee模塊作為基礎(chǔ)控制中心模塊，結(jié)合WiFi模塊、LED燈驅(qū)動(dòng)模塊以及LED照明模塊，完成智能照明系統(tǒng)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，見圖4。

圖4 硬件系統(tǒng)原理圖

1．EIOT開發(fā)板

基于ZigBee智能照明系統(tǒng)是以EIOT開發(fā)板上搭載的STM32F427VIT6單片機(jī)以及ZigBee模塊作為基礎(chǔ)控制中心模塊，而STM32最小系統(tǒng)包括了I/O模塊、WiFi模塊、ZigBee無線通訊模塊以及電源模塊，32位的多層AHB總線矩陣構(gòu)成STM32最小系統(tǒng)的主系統(tǒng)，其中還包括了復(fù)位電路、時(shí)鐘電路等。

2．ZigBee模塊

ZigBee模塊的主要工作分為兩方面：一方面采集數(shù)據(jù)信息，將采集到的燈具狀況信息傳送給STM32F427VIT6單片機(jī)進(jìn)行分析處理；另一方面，ZigBee網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)控平臺(tái)發(fā)出的操作指令傳送到終端節(jié)點(diǎn)上，對(duì)燈具狀況進(jìn)行查詢或者下達(dá)對(duì)燈具的操作。CC2530作為采用的ZigBee無線通信模塊，可以外接包括C251、C261等外接元件，不僅實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解調(diào)、調(diào)制功能，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈具數(shù)據(jù)信息的感知功能。

3．LED驅(qū)動(dòng)模塊

LED驅(qū)動(dòng)模塊在接收到ZigBee終端節(jié)點(diǎn)發(fā)出的指令之后，根據(jù)指令控制LED燈具的開關(guān)、亮度的調(diào)節(jié)以及紅綠藍(lán)三色燈光調(diào)節(jié)，滿足用戶的個(gè)性化需求，增強(qiáng)用戶的體驗(yàn)感。LED驅(qū)動(dòng)模塊的工作電壓為5V，因而需要電源模塊的調(diào)壓。每塊LED驅(qū)動(dòng)模塊通過PWM+接口與各自的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接接受信息指令，通過LED+和LED-接口與各自的LED燈具連接，以便控制燈具。

4．電源模塊

因?yàn)橄到y(tǒng)中各種芯片的工作電壓會(huì)有不同，所以要將220V交流電轉(zhuǎn)化成不同的工作電壓以滿足各種芯片的不同需求。使用電源模塊的工作電壓 （VDD） 要求介于1．8V—3．6V之間，而作為整個(gè)硬件系統(tǒng)的控制中心的STM32F427VIT6單片機(jī)與負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息通訊的WiFi模塊分別用到的是3．3V以及5V電壓。因此需要通過電路中的變壓器將通用的220V交流電降壓為12V交流電。而在之后還要經(jīng)過電解電容濾波、穩(wěn)壓芯片處理之后，轉(zhuǎn)變?yōu)楦臃€(wěn)定的12V直流電。最后再經(jīng)過穩(wěn)壓芯片將12V直流電轉(zhuǎn)換為STM32F427VIT6單片機(jī)所使用的3．3V直流電以及WiFi模塊所需要的5V直流電。

5．WiFi模塊

WiFi模塊的功能是構(gòu)建操作端與控制平臺(tái)聯(lián)系的橋梁，將用戶在操作端下達(dá)的指令傳送給控制平臺(tái)，控制平臺(tái)收到指令，經(jīng)STM32F427VIT6單片機(jī)處理之后通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將指令下達(dá)給連接ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的LED控制模塊，由LED控制模塊控制LED燈具。簡(jiǎn)而言之，WiFi模塊在本文中是起到PC端、手機(jī)端的操作平臺(tái)連接中心控制平臺(tái)的作用，由于是外購(gòu)的模塊，故此不作詳細(xì)說明。

6．復(fù)位電路

復(fù)位的類型總共有3種，分別為系統(tǒng)復(fù)位、電源復(fù)位和備份域復(fù)位。系統(tǒng)復(fù)位中除了備份域的寄存器以及時(shí)鐘控制的寄存器中的復(fù)位標(biāo)志外，會(huì)將其它全部的寄存器都復(fù)位成為復(fù)位值。在常見的幾種復(fù)位形式中，窗口看門狗計(jì)數(shù)結(jié)束（WWDG復(fù)位）、獨(dú)立看門狗計(jì)數(shù)結(jié)束（IWDG復(fù)位）、軟件復(fù)位（SW復(fù)位）會(huì)發(fā)生系統(tǒng)復(fù)位，而低功耗管理復(fù)位、1NRST引腳低電平（外部復(fù)位）也會(huì)發(fā)生系統(tǒng)復(fù)位。

（二）軟件功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的功能包含燈具開關(guān)、亮度調(diào)節(jié)、紅綠藍(lán)燈光調(diào)節(jié)三個(gè)功能。軟件系統(tǒng)分別在電腦和手機(jī)兩種不同的控制端使用，通過客戶端與控制模塊和燈具控制模塊進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)燈具的控制。二者功能相同，都可獨(dú)立進(jìn)行系統(tǒng)控制，操作界面里都主要包含用戶信息和燈具信息兩大板塊。用戶信息里包含密碼登陸和注銷賬號(hào)兩個(gè)功能，而燈具信息包括全開、全關(guān)、個(gè)性化服務(wù)三大功能，其中個(gè)性化服務(wù)能針對(duì)燈具地址單獨(dú)開啟或關(guān)閉燈具。手機(jī)端和PC端通過自身WiFi連接控制平臺(tái)從而實(shí)現(xiàn)信息交互通訊功能。

1．燈具開關(guān)

用戶可以訪問客戶端進(jìn)行燈具的管理，燈具開關(guān)分為單燈和多燈兩種。燈具全開和全關(guān)按鈕在操作界面的菜單欄的燈具管理下拉菜單中，而單個(gè)LED燈可以在個(gè)性化管理界面中根據(jù)LED的標(biāo)記地址來進(jìn)行單獨(dú)地開啟或者關(guān)閉。

2．亮度調(diào)節(jié)

PC端用戶或者手機(jī)端用戶都可以通過訪問客戶端進(jìn)行調(diào)節(jié)LED燈亮度，調(diào)節(jié)亮度功能是在客戶端旁邊菜單欄中的燈具管理下拉菜單的個(gè)性化管理中，點(diǎn)擊個(gè)性化管理按鍵，進(jìn)入個(gè)性化管理界面。用戶可以在亮度的方框里面輸入需要亮度所對(duì)應(yīng)的字符，然后點(diǎn)擊下方的“更新控制”按鍵。系統(tǒng)在收到用戶下達(dá)指令后，發(fā)給連接ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的LED驅(qū)動(dòng)模塊，LED燈會(huì)立刻改變亮度，能真正意義上做到節(jié)能。

3．紅綠藍(lán)燈光調(diào)節(jié)

用戶通過訪問客戶端進(jìn)行調(diào)節(jié)LED燈，基于ZigBee的LED燈具智能控制系統(tǒng)支持在方框內(nèi)輸入控制字符來調(diào)整，會(huì)根據(jù)通過WiFi無線通訊網(wǎng)絡(luò)讀取ZigBee模塊接收的燈具控制狀態(tài)字實(shí)時(shí)改變燈具狀態(tài)的功能。而燈具狀態(tài)字的格式如“A****B”，“A”“B”表示狀態(tài)字開始和結(jié)束字符?！?***”依次為亮度以及紅、綠、藍(lán)三色光的占空比，LED控終端的控制狀態(tài)字符取值及定義見表1。

表1 LED控制端的控制狀態(tài)字取值及其定義

控制狀態(tài)字的解析過程偽代碼如下：

五、系統(tǒng)測(cè)試

整個(gè)智能照明系統(tǒng)測(cè)試，包括系統(tǒng)功能測(cè)試和系統(tǒng)整體測(cè)試。系統(tǒng)功能測(cè)試又包括了登錄界面測(cè)試、注銷界面測(cè)試和調(diào)節(jié)亮度測(cè)試。

（一）系統(tǒng)功能測(cè)試

基于ZigBee的智能照明系統(tǒng)軟件調(diào)試，用戶分別通過手機(jī)端和PC端訪問客戶端，登錄之后即可進(jìn)行相應(yīng)操作。

1．登錄界面測(cè)試

打開手機(jī)端或PC端的客戶端，來到智能照明控制系統(tǒng)客戶端的初始界面。如，點(diǎn)擊輸入賬號(hào)名稱“江夏”和密碼“jiangxia”，輸入之后點(diǎn)擊下方登錄按鍵，可以進(jìn)入操作界面進(jìn)行操作，即登錄成功。登錄界面及成功提示界面見圖5。

圖5 登錄界面及成功提示界面

2．注銷界面測(cè)試

進(jìn)入智能照明系統(tǒng)客戶端的操作界面后，可以在左邊的菜單欄里面找到用戶信息一欄，在其下拉菜單里可以找到一個(gè)“注銷登錄”的菜單。點(diǎn)擊“注銷登錄”進(jìn)入注銷界面，點(diǎn)擊“注銷登錄”按鍵，成功注銷。注銷成功提示界面見圖6。

圖6 注銷成功提示界面

3．調(diào)節(jié)亮度測(cè)試

調(diào)節(jié)亮度實(shí)驗(yàn)以PC端為例，同樣是進(jìn)入智能照明系統(tǒng)客戶端的操作界面，在左邊的菜單欄里面找到燈具信息一欄，在其下拉菜單里可以找到一個(gè)“個(gè)性化管理”的菜單，點(diǎn)擊“個(gè)性化管理”菜單進(jìn)入燈具個(gè)性化管理界面，找到亮度一欄，輸入需要的燈具照明的亮度參數(shù)調(diào)節(jié)界面與調(diào)節(jié)成功提示界面，見圖7。

（二）系統(tǒng)整體測(cè)試

安裝好整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路后，先使用萬(wàn)用表對(duì)各個(gè)硬件模塊進(jìn)行電壓值、電流值的測(cè)量，以防止硬件電路連接出錯(cuò)而導(dǎo)致硬件模塊的燒損，合理編排硬件系統(tǒng)所有的模塊和線路位置，保證整個(gè)系統(tǒng)模塊與線路的流暢運(yùn)行。

本系統(tǒng)將STM32F427VIT6單片機(jī)和ZigBee無線通訊模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心。首先將所有的硬件模塊正確地連接在EIOT輸入/輸出端口上。因?yàn)長(zhǎng)ED燈組的工作電源為12V，而LED驅(qū)動(dòng)模塊與相連接的ZigBee無線通訊模塊的工作電壓都為5V，因此需要通過調(diào)壓處理。待電源接通后，ZigBee無線通訊模塊、LED燈組指示燈依次亮起，而控制端的EIOT板指示燈也亮起，系統(tǒng)整個(gè)電路正常運(yùn)行。用電腦打開visual studio軟件編寫的“教室燈具管理系統(tǒng)”網(wǎng)頁(yè)，輸入正確的賬號(hào)和密碼，進(jìn)入“教室燈具管理系統(tǒng)”操作界面。點(diǎn)擊左側(cè)菜單欄內(nèi)的“燈具管理”，在其下拉菜單欄中點(diǎn)擊“全開”按鍵，LED燈組在其連接的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)收到“全開”指令后，LED燈組亮起。接著點(diǎn)擊下方的“個(gè)性化管理”按鍵，進(jìn)入“個(gè)性化管理”界面，在亮度一欄輸入字符，點(diǎn)擊下方的“更新控制”按鍵，LED燈組亮度發(fā)生變化。再接著依次調(diào)節(jié)紅光、綠光、藍(lán)光的數(shù)值，LED燈組在接到下達(dá)指令之后均發(fā)生變化。最后點(diǎn)擊左側(cè)菜單欄內(nèi)的“燈具管理”，在其下拉菜單欄中點(diǎn)擊“全關(guān)”按鍵，LED燈組收到指令后全部滅燈。綜上所述，基于ZigBee的智能照明系統(tǒng)運(yùn)行成功，完成其設(shè)計(jì)功能，基本達(dá)到預(yù)期目的。

六、總結(jié)與展望

近年來智能家居進(jìn)入了人們的消費(fèi)視野，不僅滿足人們更高的家居需求，而且符合節(jié)能減排的發(fā)展理念。此背景下設(shè)計(jì)的基于ZigBee的LED燈智能控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)針對(duì)用戶需求和個(gè)性化設(shè)定LED燈具的運(yùn)行模式，即燈具開關(guān)、亮度調(diào)節(jié)、紅綠藍(lán)燈光調(diào)節(jié)。在實(shí)際的使用過程中，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。該系統(tǒng)可以運(yùn)用于公共照明、辦公照明等場(chǎng)所，能有效節(jié)能。

本系統(tǒng)根據(jù)用戶的實(shí)際需求進(jìn)行個(gè)性化功能定制，讓用戶消除了機(jī)械化的操作，還能進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，變得更加人性化。系統(tǒng)采用經(jīng)濟(jì)性和安全性都較好的ZigBee無線通訊技術(shù)，而移動(dòng)客戶端是當(dāng)今人們廣泛使用的手機(jī)，便于操作，推廣上具有很大的優(yōu)勢(shì)；且該系統(tǒng)具備功耗低、操作便捷的特性，能有效地避免有線線路布線的不便，更使其具備良好的市場(chǎng)前景。