基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)智能家居照明控制系統的研究與實(shí)現

引言

照明控制在日常生活中是必不可少的，無(wú)論是用于日常的照明還是裝飾，都在這個(gè)社會(huì )中扮演著(zhù)不可或缺的角色。從第一盞燈光的亮起到現今智能化的照明設備，照明控制技術(shù)經(jīng)歷了從手動(dòng)控制到自動(dòng)控制，然后到智能照明控制的發(fā)展過(guò)程。以上所述的這些系統的共同特點(diǎn)就是均采用有線(xiàn)控制的方式，復雜的布線(xiàn)施工，在一定程度上造成了系統安裝維護以及維修等方面的不方便，系統的可擴展性也比較差，移動(dòng)性能不好，維護成本相對而言也很高。這些缺點(diǎn)阻礙了智能照明系統的發(fā)展以及應用。

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的日漸成熟，安裝成本低、安裝布置靈活，而且還具有可移動(dòng)性，方便對系統的重新布置，這些優(yōu)點(diǎn)都在很大程度上促進(jìn)了無(wú)線(xiàn)智能照明控制系統的發(fā)展。本文采用IEEE802.15.4e協(xié)議組建無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，適合各種不同建筑物的結構和布局，適用于不同照明設備的選型與配置，以達到照明設備的多元化控制的目的，并可與窗簾、家電設備協(xié)同控制實(shí)現情景模式的切換。

智能照明系統的總體設計

智能照明系統是物聯(lián)網(wǎng)智能家居的重要組成部分，本設計是基于IEEE802.15.4e協(xié)議的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )中需要一個(gè)協(xié)調器對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行自主控制，并通過(guò)家庭網(wǎng)關(guān)與家居中的其他終端設備進(jìn)行通信，網(wǎng)關(guān)負責組員的管理及數據轉發(fā)等任務(wù)。智能終端通過(guò)數據監控中心轉發(fā)數據來(lái)控制燈光節點(diǎn)。燈光節點(diǎn)可以設置成路由或節點(diǎn)設備，對燈具進(jìn)行開(kāi)關(guān)和調節亮度的控制。本設計的主要內容包括：智能終端控制、無(wú)線(xiàn)控制節點(diǎn)及傳感器節點(diǎn)接入、遠程數據中心、遠程客戶(hù)控制。系統結構圖如1所示。

在本系統中，無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)主要負責接收終端控制命令及進(jìn)行燈具亮度的控制；家庭網(wǎng)關(guān)負責網(wǎng)絡(luò )的管理與數據的轉發(fā)；協(xié)調器負責網(wǎng)絡(luò )的建立和節點(diǎn)的管理；監控中心和終端控制機是整個(gè)系統的中樞，實(shí)現對照明的集中管理和對智能家居的整體控制。

無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)可以根據要求組成星形或樹(shù)形的網(wǎng)絡(luò )，星形網(wǎng)絡(luò )一般用于較簡(jiǎn)單的建筑，適合家庭組建。燈光節點(diǎn)和傳感器由路由及協(xié)調器接入智能家居家庭網(wǎng)關(guān)，由家庭網(wǎng)關(guān)與智能終端和服務(wù)器相連，構成統一的控制網(wǎng)絡(luò )。每個(gè)燈光節點(diǎn)都有無(wú)線(xiàn)收發(fā)的功能，可以做協(xié)調器或路由。

智能燈光控制器的設計

硬件設計

智能燈光燈光控制器主要實(shí)現對家庭內部單個(gè)燈光節點(diǎn)的控制（開(kāi)、關(guān)、調光），其硬件框圖如圖1所示，燈光控制器的硬件主要由微處理器、射頻模塊、光控制器以及電源模塊四部分組成。

圖1 智能照明系統結構圖

圖2 硬件框圖

（1）微處理器：從低功耗和功能性考慮采用STC10系列單片機作為微處理器，主要用來(lái)分析和控制照明情況。

（2）射頻模塊：采用CC2430作為射頻芯片，負責與協(xié)調器進(jìn)行通信，并通過(guò)串口與微處理器交換數據。

（3）光控制器：采用WS100T10集成電路控制可控硅觸發(fā)電路接收微處理器的指令來(lái)進(jìn)行燈光亮度的調節。

（4）電源模塊：電源電路直接從市電220V經(jīng)AC/DC模塊降壓、整流轉換成12VDC后，通過(guò)穩壓芯片L7805和AS1117-3.3穩壓、濾波后，得到穩定的5V和3.3V電源。

軟件設計

智能燈光控制器的應用程序采用Keil C語(yǔ)言編寫(xiě)，采用Keil C51可以完成編輯、編譯、連接、調試、仿真等整個(gè)開(kāi)發(fā)流程。

光強控制模塊主要包括兩部分功能：燈具能夠根據外界光強，自適應進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制；用戶(hù)可以根據個(gè)人喜好開(kāi)關(guān)燈具和調整燈具的燈光亮度。

軟件流程設計

軟件流程設計是編制軟件的重要環(huán)節之一。清晰的軟件工作流程可以高效、快速地開(kāi)發(fā)出所需的應用軟件，并能優(yōu)化程序結構，所以軟件設計應按照軟件流程圖展開(kāi)。由于篇幅有限，只繪出部分典型模塊設計流程圖。此設計中的調光控制器通過(guò)控制雙向可控硅的導通來(lái)實(shí)現白熾燈(純阻負載)亮度的調整。雙向可控硅的特點(diǎn)是，導通后即使觸發(fā)信號去掉，它仍將保持導通；當負載電流為零(交流電壓過(guò)零點(diǎn))時(shí)，它會(huì )自動(dòng)關(guān)斷。所以在交流電的每個(gè)半波期間都要送出觸發(fā)信號，觸發(fā)信號的送出時(shí)間就決定了燈泡的亮度。調光的實(shí)現方式就是在過(guò)零點(diǎn)后一段時(shí)間才觸發(fā)雙向可控硅開(kāi)關(guān)導通，這段時(shí)間越長(cháng)，可控硅導通的時(shí)間越短，燈的亮度就越低；反之，燈就越亮。這就要求要提取出交流電壓的過(guò)零點(diǎn)，并以此為基礎，確定觸發(fā)信號的送出時(shí)間，達到調光的目的。智能燈光控制器的流程圖如圖3所示。

圖3 智能燈光控制器的流程圖

工作原理

調光控制器要控制的對象是50Hz的正弦交流電，通過(guò)光耦取出其過(guò)零點(diǎn)的信號(同步信號)，將這個(gè)信號送至單片機的外中斷，單片機每接收到這個(gè)同步信號后啟動(dòng)一個(gè)延時(shí)程序，延時(shí)的具體時(shí)間由按鍵來(lái)改變。當延時(shí)結束時(shí)，單片機產(chǎn)生觸發(fā)信號，通過(guò)它讓可控硅導通，電流經(jīng)過(guò)可控硅流過(guò)白熾燈，使燈發(fā)光。延時(shí)越長(cháng)，亮的時(shí)間就越短，燈的亮度越暗(并不會(huì )有閃爍的感覺(jué)，因為重復的頻率為100Hz，且人的視覺(jué)有暫留效應)。由于延時(shí)的長(cháng)短是由按鍵決定的，所以實(shí)際上就是按鍵控制了光的強弱。

無(wú)線(xiàn)路由節點(diǎn)設計

路由節點(diǎn)主要負責網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的管理與數據的轉發(fā)。燈光場(chǎng)景控制中設備較多，數據轉發(fā)壓力大，所以我們采用增加路由節點(diǎn)來(lái)實(shí)現區域的覆蓋，增強網(wǎng)絡(luò )的穩定性，其工作流程如圖4所示。上電初始化完成后，路由節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )，對無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )信號進(jìn)行檢測。若接收到上傳數據，則在數據中加入自己的拓撲信息再繼續上傳，否則，直接將數據上傳；若接收到發(fā)給自己的命令，則響應該命令；若接收到發(fā)給其他節點(diǎn)的數據，則進(jìn)行向下的轉發(fā)。