基于ZigBee技術的無線燈光智能控制系統設計

摘要：全球經濟快速發展，電力能源緊缺，傳統照明模式不能滿足現有的照明和節能需求。針對此問題，文章設計了一種基于ZigBee技術的新型智能燈光控制系統，實現了教室照明系統分散與集中管理、本地與遠程監控管理相結合的功能，具有一定的理論價值和實踐意義。

關鍵詞：ZigBee技術；智能控制；燈光控制；節能

中圖分類號：TN91

文獻標志碼：A

0 引言

進入21世紀以來，我國的經濟飛速發展，能源的消耗愈加明顯，能源短缺成為人們關注的新問題。針對電力短缺的問題，國家發改委提出全面實行節能照明，大力推行節能措施。照明節能的途徑一般有2種：一種是應用新的照明燈具，如LED燈；另一種是使用新型的燈光照明系統。隨著LED燈的普及，人們對照明系統提出了“綠色、節能、方便、舒適”的理念，也給照明系統帶來了家居化、網絡化、智能化的需求^［1］。針對此問題，本文研制一種新的智能燈光照明系統來滿足市場的需求。

1 學校教室智能燈光控制方案論證

燈光照明控制系統分為傳統照明系統和智能燈光照明系統2類。現如今，在我國占主導地位仍舊是傳統燈光照明系統。這種系統采用單個或者多個開關對電路進行通斷操作來滿足照明需求，其照明模式往往是白天關，晚上開，但是由于人的疏忽極易造成“人走燈亮”的浪費現象。同時，人們對燈光的照度、均勻度、系統的可操作性、系統的智能化等方面有了更高的要求，這些要求都是傳統燈光照明系統不能達到的^［2］。本文以學校教室燈光照明為例，設計了一種基于ZigBee技術的智能燈光控制系統。ZigBee技術是一種具有統一技術標準的短距離無線通信技術，具有低功耗、低成本、時延短、網絡容量大、可靠、安全的特點^［3］。智能照明控制系統是利用計算機技術、網絡通信技術、自動控制技術、微電子技術等現代化科學技術，根據環境變化、客觀要求、用戶預設等因素，進行燈光系統的控制，控制方式靈活多樣，操作簡單便利^［4-5］。

2 校園教室智能燈光控制系統設計

針對高校教室照明系統普遍采用人工管理的現狀，本文設計了基于ZigBee技術實現教室照明系統的分散與集中管理相結合，本地與遠程監控管理相結合的照明管理控制系統。本文采用ZigBee無線網絡組成多個終端節點，每個節點主要由CC2530為核心的協調器控制，協調器通過網關與外界Wi-Fi網絡連接，從而實現對教室燈光的遠程控制。

2.1 無線燈光智能控制系統總設計方案

基于ZigBee的無線智能燈光控制系統設計方案如下：（1）PC機通過串行接口連接協調器，實現學校教室燈光的手動開關。（2）手機通過Wi-Fi連接協調器，實現學校教室燈光的遠程控制。（3）教室終端節點通過光敏傳感器采集教室燈光強度數據，利用ZigBee無線網絡傳送到協調器進行數據處理，發送控制指令實現燈光自動控制。

2.2 學校教室智能燈光控制系統硬件設計

本設計硬件電路主要包括以CC2530單片機為核心的主CPU模塊、傳感器模塊、繼電器模塊、Wi-Fi模塊、LCD顯示模塊以及電源模塊。整個系統硬件框如圖2所示。傳感器模塊主要完成室內光照強度的數據采集，按鍵模塊主要完成人工手動控制功能。繼電器模塊執行室內燈光的開關操作，燈光的工作狀態通過液晶LCD顯示屏顯示。主控模塊的協調器采用單片機CC2530芯片，它的功能是完成無線組網，對接收到的數據進行處理。終端節點上的CC2530芯片功能是負責檢測數據和執行命令的傳輸。Wi-Fi模塊實現了燈光智能控制的手機遠程操作。

3 學校教室智能燈光控制系統軟件設計3.1 ZigBee-Wi-Fi網關程序設計

本文設計的ZigBee-Wi-Fi網關模塊是建立智能燈光控制系統通信的關鍵，它是將Wi-Fi模塊內嵌到ZigBee協調器上，形成一個具有串口通信功能的ZigBee網關。該模塊主要負責系統中協調器和Wi-Fi模塊互相的無線網絡的搭建和維護，完成與終端節點之間的數據傳輸。由于Z-Stack 協議棧支持部分開源，所以本文主要針對ZigBee網關作為無線網絡中協調器的作用展開說明，其工作流程主要包含初始化、網絡建立、信息收發等幾個階段。

協調器的本質相當于客戶端與服務器之間的通信，主要負責網絡配置和管理以及控制終端節點的加入。它的一端接收終端節點發送的數據，另一端通過串口將接收到的數據傳送給上位機程序。協調器主要包括以下幾部分：設備初始化、節點申請入網、數據接收和發送，協調器程序流程如圖3所示。協調器將選擇用ZCD_NV_PANID參數設置網絡ID，終端節點根據ZCD_NV_CHANLIST參數規定的信道尋找ID為ZCD_NV_PANID參數指定的網絡，設備根據自身的設備類型組建網絡并加入網絡。

3.2 ZigBee-Wi-Fi終端節點程序設計

終端節點負責采集光照度信息并對數據進行通信和處理。其軟件部分主要分為2部分：數據的采集和網絡的通信。終端節點的網絡通信功能比較簡單，終端節點程序流程如圖4所示。終端節點通上電后，首先對設備的硬件進行初始化，然后對信道進行掃描檢查是否有網絡存在，搜索到網絡之后終端節點向協調器發送請求加入網絡指令，加入網絡成功之后等待協調器發送命令，收到采集命令完成光照度信息采集并發送數據，終端節點收到PWM調光命令驅動LED燈電路。

4 系統測試

本系統具有以下幾個功能。（1）手動控制：該功能使公共場所的燈光，具有手動打開、手動關斷的功能，該功能是根據用戶的需求通過PC機按鍵進行燈光的開關，此功能可以檢測燈光的開關狀態。（2）自動控制：通過傳感器模塊實時檢測教室光照度，將光照度數據傳至單片機CC2530協調器，協調器通過ZigBee無線組網向對應終端節點發信號，驅動繼電器模塊實現燈光的開啟或關閉，燈的工作狀態實時通過LCD顯示屏顯示。（3）Wi-Fi遠程控制：采用Wi-Fi無線通信技術，通過手機App實現對燈光的遠程控制功能。

5 結語

本文基于ZigBee的光照控制系統的技術，主要利用光敏傳感器對太陽光的靈敏的特性并結合ZigBee的協議棧和虛擬調試機去調試，實現了教室燈光照明開關的智能控制，為智能照明提供了一種可行方案。實驗證明：該系統造價便宜、操作方便、體積小、節能，具有一定的推廣價值。

參考文獻

［1］蔣峰，李行，熊霆宇，等.基于ZigBee技術的遠程無線智能燈光控制系統的設計［J］.現代電子技術，2017（2）：114-117.

［2］戴琪.基于的路燈智能控制系統［D］.西安：西安電子科技大學，2012.

［3］梁佩瑩，蔡忠岳，陳培宏，等.教室燈光智能控制系統的設計［J］.電子測量技術，2014（9）：83-87.

［4］肖敏明.基于CC2530的ZigBee無線傳感網絡的設計與實現［J］.科技創新，2019（6）：13.

［5］劉志成，牛建林.教室燈光智能控制器設計［J］.電子測量技術，2013（4）：32-35.

（編輯 王永超）

Design of wireless lighting intelligent control system based on ZigBee technology

Shen" Jiamin

（Jiangsu United Vocational and Technical College， Wuxi 214000， China）Abstract： With the rapid development of the global economy and the shortage of electricity and energy， traditional lighting models cannot meet the existing lighting and energy-saving needs. In response to this issue， this article designs a new intelligent lighting control system based on ZigBee technology， which realizes the functions of decentralized and centralized management of classroom lighting systems， combined with local and remote monitoring and management， and has certain theoretical value and practical significance.

Key words：ZigBee technology; intelligent control; light control; energy conservation