基于ZigBee智能網(wǎng)絡(luò)燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳加春，潘麗麗

（鹽城生物工程高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 江蘇 鹽城 224000）

1 引言

隨著半導(dǎo)體時(shí)代的到來，涵蓋SoC的ZigBee無線感測(cè)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品已經(jīng)在市場(chǎng)上推廣。ZigBee具有拓?fù)淠芰谩Ⅲw積小、低功耗、低成本及低消息傳輸率等特性，故可應(yīng)用在數(shù)字家庭、綠色建筑、工業(yè)控制及環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域[1-2]。在上述背景條件下，研究智能網(wǎng)絡(luò)燈控系統(tǒng)，除節(jié)能以外，也能使日常居家生活更加便捷，具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

2 智能網(wǎng)絡(luò)燈控系統(tǒng)功能概述

本系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，家庭成員可在遠(yuǎn)程監(jiān)控基礎(chǔ)上對(duì)房屋內(nèi)部的智能設(shè)備進(jìn)行控制，同時(shí)還可接收這些設(shè)備發(fā)送的反饋信息[3]。如圖1所示，該系統(tǒng)功能需求主要包括系統(tǒng)管理，啟動(dòng)/關(guān)閉設(shè)備，事件查看，燈控系統(tǒng)設(shè)置等。

圖1 系統(tǒng)功能需求

3 智能網(wǎng)絡(luò)燈控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 智能網(wǎng)絡(luò)燈控系統(tǒng)整體架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的智能網(wǎng)絡(luò)燈控系統(tǒng)結(jié)合了本地和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)，其組成結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，主要包括ZigBee網(wǎng)，控制單元和傳感器等，本地設(shè)備在進(jìn)行無線通信時(shí)應(yīng)用到ZigBee協(xié)議。而本地控制部分，主要是利用ZigBee節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)相關(guān)通信目的，遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)在通信過程中則用到云端和ZigBee主節(jié)點(diǎn)橋接模式實(shí)現(xiàn)。圖2展示了系統(tǒng)的整體架構(gòu)。

圖2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 系統(tǒng)執(zhí)行動(dòng)作設(shè)計(jì)

這種燈控系統(tǒng)中，為滿足通信控制要求而在各燈具中都設(shè)置了ZigBee muter，與此同時(shí)還安裝了相應(yīng)的控制電路，并在系統(tǒng)環(huán)境中安裝了ZigBee的調(diào)節(jié)器，以此來滿足相關(guān)調(diào)節(jié)和控制要求。

進(jìn)行系統(tǒng)連接時(shí)，將ZigBee相關(guān)的調(diào)節(jié)器基于USBDART接口與控制器連接，在通入電源后，就可通過人機(jī)交互界面而顯示出被系統(tǒng)檢測(cè)到的ZigBee燈具。這種情況下為滿足相關(guān)控制要求，需要將各ZigBee燈具的MAC值登錄到調(diào)機(jī)器中，接著基于相關(guān)的應(yīng)用要求而進(jìn)行燈光控制。圖3顯示出相應(yīng)的控制流程情況。

圖3 系統(tǒng)工作執(zhí)行動(dòng)作流程

3.2.2 ZigBee與Lighting Control設(shè)計(jì)

在進(jìn)行控制過程中，還需要通過PC與調(diào)節(jié)器進(jìn)行連接，同時(shí)給出相關(guān)的設(shè)定，接著通過用戶透過燈控平臺(tái)而發(fā)送指令到調(diào)節(jié)器，再經(jīng)由后者發(fā)送指令到相應(yīng)燈具的router，在此基礎(chǔ)上滿足燈具控制相關(guān)要求。

3.2.3 BLE Interface應(yīng)用設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中根據(jù)交互要求而引入了藍(lán)牙相關(guān)控制接口。圖4顯示除了研究中先前所使用的ZigBee燈控系統(tǒng)外，另外再加入設(shè)備并且與ZigBee Coordinator相互通訊，來實(shí)現(xiàn)使用BLE執(zhí)行燈光控制。

圖4 系統(tǒng)含BLE在內(nèi)的室內(nèi)架構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)

基于BLE來連結(jié)ZigBee調(diào)節(jié)器，據(jù)此滿足支持BLE接口的燈控性能和功能相關(guān)要求。下圖5顯示出系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)情況，分析此圖結(jié)果可知，在控制時(shí)，透過手機(jī)或其它配備發(fā)送燈光控制指令到調(diào)節(jié)器模塊上的BLE設(shè)備。后者在接收到這些指令后進(jìn)行一定轉(zhuǎn)換處理而形成DART信號(hào)，接著通過接口而發(fā)送到Coordinator，以此來滿足BLE燈控相關(guān)的要求。

圖5 BLE與ZigBee Coordinator通信架構(gòu)

3.2.4 本地控制終端設(shè)計(jì)

表1顯示出這種控制系統(tǒng)的燈具種類、數(shù)量等相關(guān)情況。

表1 本地控制終端控制內(nèi)容

在進(jìn)行硬件連接過程中，先將調(diào)節(jié)器與電腦端通過USB-DART接口進(jìn)行連接，接著啟動(dòng)GUI后按下自動(dòng)偵測(cè)按鈕，對(duì)附近的ZigBee進(jìn)行自動(dòng)探測(cè)，為通信功能實(shí)現(xiàn)提供支持。

這種情況下設(shè)備列表中會(huì)觀察到Demo上的ZigBee，如1-10V無線調(diào)光接收器、RS-232等。再按下允許設(shè)備登入，此時(shí)設(shè)備的MAC值就會(huì)被登錄在ZigBee Coordinator的table表中。

3.2.5 移動(dòng)遙控器模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在初次使用過程中，應(yīng)該對(duì)用戶的身份進(jìn)行驗(yàn)證，主要是通過注冊(cè)賬戶相關(guān)的模式而驗(yàn)證，在獲得驗(yàn)證通過情況下方可使用。在登錄成功后，可基于功能權(quán)限進(jìn)行相關(guān)的功能操作，在注銷后，如果利用同樣的設(shè)備進(jìn)行登錄訪問則需重新進(jìn)入登錄模塊。

為滿足本系統(tǒng)的功能操作要求，在設(shè)計(jì)過程中對(duì)遙控器主面板進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，見表2。

表2 遙控器面板功能

3.2.6 場(chǎng)景管理模塊設(shè)計(jì)

場(chǎng)景管理是本系統(tǒng)作為智能燈控系統(tǒng)的重點(diǎn)。良好的場(chǎng)景管理是系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)的重要部分。基于本系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì),場(chǎng)景管理模塊主要包括如下功能。

（1）場(chǎng)景感知

系統(tǒng)根據(jù)時(shí)間和傳感器參數(shù)兩類特征進(jìn)行場(chǎng)景感知。場(chǎng)景感知示意見圖6。

圖6 場(chǎng)景感知示意

系統(tǒng)在運(yùn)行過程中基于用戶設(shè)計(jì)的場(chǎng)景規(guī)則，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景感知目的，基于時(shí)間進(jìn)行場(chǎng)景定義，然后結(jié)合傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)而進(jìn)行場(chǎng)景響應(yīng)，以此來滿足功能相關(guān)要求。

（2）場(chǎng)景規(guī)則設(shè)置

場(chǎng)景規(guī)則是用戶設(shè)定的，在具體設(shè)定時(shí)先基于時(shí)鐘的間隔而進(jìn)行劃分，同時(shí)結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)而進(jìn)行次級(jí)劃分。如在時(shí)間劃分上，先劃分1周為7d，接著劃分每天時(shí)段為8:00～18:00。溫度方面通過傳感器檢測(cè)為29℃。

（3）場(chǎng)景切換

在進(jìn)行場(chǎng)景切換時(shí)也依據(jù)時(shí)間或傳感器參采集的數(shù)據(jù)而自動(dòng)切換。在此過程中用戶設(shè)置結(jié)束后，就可根據(jù)設(shè)定的條件而進(jìn)行自動(dòng)觸發(fā)。

4 系統(tǒng)功能測(cè)試

4.1 燈控測(cè)試

對(duì)控制系統(tǒng)的測(cè)試，主要是分析該系統(tǒng)基于云端控制對(duì)室內(nèi)環(huán)境的感知和遙控功能，在測(cè)試時(shí)應(yīng)用了安卓移動(dòng)終端。相關(guān)操作包括遠(yuǎn)程遙控以及查看室內(nèi)參數(shù)等，其測(cè)試情況見表3。

表3 室內(nèi)參數(shù)測(cè)試

對(duì)測(cè)試結(jié)果分析可知，該系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可協(xié)調(diào)室內(nèi)各環(huán)節(jié)至移動(dòng)端，即移動(dòng)遙控器端界面上顯示出傳感器采集到的各方面信息。傳感器發(fā)送室內(nèi)設(shè)備狀態(tài)至云端，云端對(duì)采集的信息發(fā)送至遙控器，以實(shí)現(xiàn)顯示傳感器采集數(shù)據(jù)的目的。

4.2 場(chǎng)景管理測(cè)試

場(chǎng)景管理測(cè)試由兩部分組成。首先測(cè)試過程中根據(jù)要求先進(jìn)行場(chǎng)景配置，用戶在應(yīng)用過程中應(yīng)對(duì)場(chǎng)景下的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，在進(jìn)行場(chǎng)景切換時(shí)對(duì)應(yīng)的室內(nèi)燈具也作相應(yīng)改變；其次是測(cè)試系統(tǒng)能否對(duì)用戶預(yù)先設(shè)定的場(chǎng)景規(guī)則進(jìn)行正確響應(yīng)。為彰顯“燈具系統(tǒng)管理”理念，測(cè)試是檢驗(yàn)不同虛擬設(shè)置場(chǎng)景下，場(chǎng)景自身智能化響應(yīng)程度，這里選擇溫度和光強(qiáng)兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果見表4。測(cè)試結(jié)果可看出，在運(yùn)行過程中用戶可以方便的配制系統(tǒng)規(guī)則和場(chǎng)景。

表4 移動(dòng)端功能測(cè)試

表5顯示了不同設(shè)置規(guī)則及場(chǎng)景模式下，系統(tǒng)的響應(yīng)情況，表明該系統(tǒng)可根據(jù)控制指令和場(chǎng)景配置規(guī)則準(zhǔn)確控制燈具，滿足了預(yù)先設(shè)置的功能要求。

表5 系統(tǒng)響應(yīng)功能測(cè)試

5 結(jié)語

在全球能源供應(yīng)短缺形勢(shì)下，關(guān)于節(jié)能相關(guān)的研究也開始受到廣泛關(guān)注。本文進(jìn)行此方面研究時(shí)，設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee的無線燈控系統(tǒng)，且對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。所得結(jié)果發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可很好的滿足節(jié)能相關(guān)要求，在人造光源場(chǎng)景下也不會(huì)影響整體環(huán)境。在以后的研究中，可透過BLE將手機(jī)相關(guān)的移動(dòng)終端引入，這樣可以更好的滿足用戶的燈光控制要求，為其進(jìn)一步應(yīng)用推廣提供支持。