基于ZigBee的自動感應照明系統

瞿思思 馬琪 鄭玲 黃欣陽 金遠遠

摘要：在居家生活中，常見的照明系統均為手動控制，當環境可見度較低，障礙物較多時，人們特別是老人與小孩行動多有不便，容易引發摔倒等安全隱患。目前市場上的自動照明裝置，普遍為聲控、光控，聲控容易受到噪聲干擾，光控不能避免監控盲區，具有不穩定性。而利用無線通信網絡中的ZigBee協議設計的自動感應照明系統則可以很好地解決這一問題，保障人身安全，打造良好的生活環境。該文介紹了使用ZigBee協議的該系統的總體設計、分模塊的功能介紹以及系統的現有優勢。

關鍵詞：無線網絡;ZigBee;夜起自動照明;實踐應用

目前人們的生活日益趨向輕松化、便捷化、智能化、高效化，所以智能家居是一大趨勢。并且我國消費結構加速升級，95后成主流消費人群，而95后群體成長于經濟和互聯網高速發展的時代，智慧型家電已經成為其消費主流。且由于我國人口政策的調整，人口數量增多，在一些大型城市，照明電力能源的消耗已經成為一個較為嚴重的問題。在城市照明系統的建設中，必須采用相關技術對照明設備進行優化，保證能耗降低[3]。但是在市場上，可以提供的優質產品卻仍存在巨大的供給缺口。起夜在大部分家庭中普遍存在，但是在夜間實際行動時，存在一定的不便性和危險性，比如猛然在長時間黑暗環境下開燈，視網膜受到燈光的強烈刺激，這種刺激傳入腦內，會使人感到不舒服，同時覺得頭暈目眩，明適應問題有待解決。市場現有的聲控、光控燈都有固定的亮燈間隔，浪費能源，而且燈泡使用壽命較短，需要頻繁更換，智能家居照明就成為市場剛需，去更好的延長燈泡使用壽命，節約能源。在相關領域內雖然已有類似的研究，但經過分析其所設計的系統采用的硬件對于人體識別度不高且使用限制條件較多。在綜合考慮了集中當下較為熱門的短距離通信技術后，認為Zigbee技術是適用于無線傳感網絡的最佳選擇[1]。基于ZigBee的自動感應照明系統則正好解決了這些問題，具有較大的優勢。

1 系統的總體設計

該系統包括了探測模塊、控制模塊、開關模塊、通信模塊、供電模塊五大模塊。當處于白天時，探測模塊中的光敏傳感器阻值增大，開關模塊中雙D觸發器斷開。當處于晚上時，光敏傳感器的阻值減小，使得的雙D觸發器工作，人從反射式開關前面經過時，探測模塊中的紅外接收器收到信號，向控制模塊發送信息，控制模塊向第一控制電路以及位于廁所的控制模塊發送消息。考慮到當人眼長期處于黑暗狀態時，瞳孔放大，所以在第一控制電路上使得開關的可變電容改變，電流隨之改變，電燈的亮度也緩慢增大，從而使得該系統設計更加人性化。

該系統首先通過臥室區域探測模塊中的光敏傳感器感應光照強度，判斷目前是處于白天還是晚上，當檢測到天黑時，發送信息給控制模塊，此時控制模塊會發送指令使得整套設備處于開啟狀態。當人首次進入房間時會開啟房間的照明燈，走到床邊后，安裝在床頭探測模塊中的反射式光電開關接收到人體熱輻射后將信息發送給通信模塊，通信模塊將網絡信號轉變為電信號后反饋給控制模塊，控制模塊發送指令使臥室的照明燈一定時間間隔后自動關閉。夜間起夜，當人坐起來的一瞬間，探測模塊會立即接收人體熱輻射信息，將信息發送給控制模塊，此時控制模塊根據接收到的消息做出判斷，判斷到人是要起夜，于是將判斷得到的信息通過ZigBee通信協議臥室的通信模塊傳遞給衛生間通信模塊，此時衛生間通信模塊將信息從網絡信號轉變為電信號后發送給它的控制模塊，控制模塊做出判斷后發送指令控制開關模塊打開照明燈，此時從臥室到衛生間的照明燈均處于打開狀態，人便可在完全照明的情況下完成起夜。當人離開衛生間后衛生間探測模塊檢測到無人會反饋信息給它的控制模塊，控制模塊再次判斷，確定無人后通過自己的通信模塊傳遞信息給臥室通信模塊，之后若床頭探測模塊再次接收到人體信息，發送給控制端，控制端判斷人已經回到臥室并且走到床邊，在此一小段時間間隔后控制端控制開關模塊關閉照明燈。

2 系統的硬件設計

2.1 系統的模塊設計

探測模塊安裝在開發板上，放在矩形元件盒內，元件盒后側端四周有矩形安裝板，安裝板四周具有多個安裝孔，元件盒通過安裝板四周多個安裝孔等安裝在臥室床頭的墻壁上，安裝的高度高于床被40厘米左右，使用者在床上翻身等動作不會觸發感應。

通信模塊是在一個開發板上具有可以接收光敏、紅外等傳感器反饋的信息的模塊，共有兩塊，分別安裝在臥室和衛生間，兩個模塊可以通過ZigBee協議構成完整的通信通道，臥室的信息可經過通信模塊傳遞給衛生間，反之亦然。

控制模塊主要是根據通信模塊和探測模塊發送過來的信息做相關的判斷，然后根據判斷的結果輸出命令到開關控制模塊或者是衛生間的通信模塊，此時觸發器或者是衛生間通信模塊可根據接收到的指令做出相應的動作。

開關控制模塊是根據控制模塊發送過來的信息做出開燈、關燈的動作，在這個模塊中增加一個可變電容，使得做出開燈或者是關燈動作時，燈的亮度狀態緩慢變化，即從關閉狀態逐漸變亮到正常亮度和從正常亮度逐漸變暗直到關閉狀態。

供電模塊是為整套設系統提供電能，系統雖然涉及的區域范圍比較廣，但所需電能并不是太多，比較節能環保的。且此供電模塊可以充電，能長時間使用。

2.2 反射式光電開關

該系統使用的光電開關是品牌CHUNZ/椿整、型號E3F-R2NK的反射式光電開關成品，在該系統內其與紅外傳感器作用一致。其具有兩個電源輸入端1及2腳、一個高電平輸出端3腳，工作時在其前端探測頭的發射頭直線發射出的紅外光束被人物阻擋、探測頭前端的接收頭接收到后高電平輸出端會輸出高電平，無人物阻擋時不輸出高電平，最遠探測距離2米。

2.3 雙D觸發器

該系統使用型號為CD4013雙D觸發集成電路。當第n個周期時，末端兩分頻的輸出為高電壓，輸入時鐘信號端的上升沿使分頻電路工作;當第n+1個周期時，末端兩分頻輸出為低電壓，輸入時鐘信號端的下降沿使分頻電路工作。雙D觸發集成電路的正極電源輸入端14腳和繼電器正極電源輸入端及控制電源輸入端連接，雙D觸發集成電路的時鐘信號輸入端3腳和第一只電阻一端連接，雙D觸發集成電路的反碼輸出端2腳、數據輸入端5腳連接，雙D觸發集成電路的負極電源輸入端7腳、直接復位端4腳、直接置位端6腳和三極管發射極連接，雙D觸發集成電路的原碼輸出端1腳和第二只電阻一端連接，至此完成雙D出發器在開發板上的安裝。

2.4 無線發射/接收電路

該系統使用的無線發射電路模塊是型號ZYO300-A72的無線發射電路模塊成品，其具有四個按鍵，分別按下時可發射四路無線控制信號，其內部具有編碼電路，通過編碼電路編碼，可防止附近相同型號的無線發射電路模塊發射的無線信號相互干擾。該系統使用的無線接收電路包括型號ZYO300-A72的無線接收電路模塊成品、電阻、NPN三極管和繼電器。無線接收電路模塊成品的正極電源輸入端1腳和繼電器正極電源輸入端連接，無線接收電路模塊成品的第一個輸出端4腳和電阻一端連接，電阻另一端和NPN三極管基極連接，NPN三極管集電極和繼電器負極電源輸入端連接，無線接收電路模塊成品的負極電源輸入端3腳和NPN三極管發射極連接，無線接收電路模塊的2、5、6、7腳懸空。至此完成無線接收電路在開發板上的安裝。

3 系統的優勢描述

1）我國為世界第一大人口國，人口眾多，幅員遼闊，巨大的人口基數為我們提供了廣闊的市場。現有數據表明，我國人口老年化趨勢愈發明顯，而自2016年已全面開放二胎政策。那對老人小孩這些弱勢群體，該系統將對他們十分便利，也能提高家庭系統的安全指數和科技指數。與該系統類似的技術還沒有普及，目前市場占有率很低，需求量巨大，市場前景可觀。

2）使用ZigBee協議設計的自動感應照明系統先進、成熟、穩定、低功耗且時延短;設備的安裝簡單不需施工、便于快速部署、使用方便、靈活性高、更綠色環保，適用范圍廣[2]。該系統裝有睡眠終端節點，該節點如果在休眠時，其射頻接收會處于關閉狀態，只有當發送后等待應答及請求數據時才會打開，在非工作時會立即進入睡眠模式。

3）國家大力扶持戰略型新興產業，涵蓋了新一代信息技術產業、節能環保產業等領域。具體可見《戰略性新興產業分類（2018）》，正在大力引導與推廣節能環保產業;《“十三五”節能減排綜合工作方案》《關于加快推進重點用能單位能耗在線監測系統建設的通知》等紅頭文件相繼出臺，對該系統的未來發展提供了很好的幫助。

4 結束語

當前多數人們的家庭使用的照明系統都是手動控制，用戶體驗差且極易造成人們夜起困難以及電力資源浪費的情況，自動照明系統能在人們下床時自動打開臥室及衛生間照明燈，上床后能自動關閉臥室燈和衛生間燈的控制裝備，通過系統感知層的光照和人體感應傳感器的作用，可以實現感知區域照明設備的自動控制。自動照明系統的設計與實施，可以實現電燈的智能控制，從而可以有效地減少電量浪費，延長燈具的使用壽命。更重要的是在給人們帶來方便和節能的同時，極大減少了人們因為夜起造成意外的可能性。因此基于ZigBee協議的自動感應照明系統的研發具有較好的應用空間。

參考文獻：

[1] 王風.基于CC2530的ZigBee無線傳感器網絡的設計與實現[D].西安：西安電子科技大學，2012.

[2] 昂志敏，金海紅，范之國，等.基于ZigBee的無線傳感器網絡節點的設計與通信實現[J].現代電子技術，2007，30（10）：47-49，57.

[3] 孫海艷，陳偉，王娜.基于ZigBee無線傳感器網絡的智能照明系統設計與實現[J].現代電子技術，2017，40（11）：183-186.

【通聯編輯：唐一東】