基于ZigBee和STM32的室內智能照明系統的設計

對集中，實(shí)現了照明控制的自動(dòng)化，但卻不能對照明系統進(jìn)行調光控制。

此外，隨著(zhù)生活水平的不斷提高，人們對日常生活的無(wú)線(xiàn)化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化、節能化的需求越來(lái)越強烈，以上兩種傳統的照明控制系統已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足人們對日常生活品質(zhì)的需求?；谏鲜鲈蛱岢隽艘环N基于ZigBee和STM32的室內智能照明系統的設計。

1 系統總體設計

本系統主要由終端節點(diǎn)、路由器節點(diǎn)和協(xié)調器節點(diǎn)組成。三個(gè)節點(diǎn)各司其職，終端節點(diǎn)主要負責消息的傳輸和允許共它節點(diǎn)通過(guò)它接入到網(wǎng)絡(luò )中;協(xié)調器節點(diǎn)則主要負責網(wǎng)絡(luò )的建立、維持和管理，以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò )數據信息的收集、處理和顯示等。在這三個(gè)節點(diǎn)當中協(xié)調器節點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的核心。系統總體設計框圖如圖1所示。

本設計主要實(shí)現的功能如下：

(1)采用帶調光模塊的LED燈具，通過(guò)程序控制可以實(shí)現燈光亮度的自動(dòng)調節，利用室內燈光與自然光的相互補償使室內照度保持在一個(gè)合適狀態(tài);

(2)采用照度采集節點(diǎn)，可以實(shí)時(shí)地采集并監控室內照度;

(3)加入掉電自鎖功能(在突然停電的情況下再次來(lái)電所有燈具都處于關(guān)閉狀態(tài));

(4)加入部分情景模式，在不同的室內環(huán)境需求時(shí)可以很方便地對燈光環(huán)境進(jìn)行選擇(如家人一起看電視時(shí)的影院模式，看書(shū)寫(xiě)字時(shí)的學(xué)習模式等)。

除上述主要的功能外，本設計還預留了部分外圍接口電路，可以加入一些相應的傳感器實(shí)現更多的功能(如加入燃氣傳感器來(lái)預防廚房燃氣泄漏，加入煙霧傳感器防火災等)

2 系統硬件電路設計

系統硬件電路部分主要由協(xié)調器節點(diǎn)電路、系統照度采集節點(diǎn)電路、系統LED調光節點(diǎn)電路以及系統路由器節點(diǎn)電路四部分組成。

2.1 系統照度節點(diǎn)電路設計

照度采集節點(diǎn)由CC2530和光照度傳感器(BH1750FVI)組成。本節點(diǎn)主要是對室內的照度進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集并通過(guò)ZigBee模塊發(fā)送給協(xié)調器，協(xié)調器再對接收到的照度信息進(jìn)行整合處理，然后在LCD上實(shí)時(shí)顯示出室內的照度信息，并根據照度信息給LED照明節點(diǎn)發(fā)送相應的指令，對LED燈進(jìn)行相應的亮度調節。

BH1750FVI傳感器是一個(gè)光電集成傳感器，其主要有如下幾個(gè)特點(diǎn)：1)可以輸出對應亮度的數字值;2)廣泛的輸入光范圍(相當于1-65535lx);3)通過(guò)降低功率功能，實(shí)現低電流化;4)無(wú)需其它外圍部件;5)光源依賴(lài)性弱(白熾燈、熒光燈、鹵素燈、白光LED、日光燈)。

照度節點(diǎn)硬件電路圖如圖2所示。

2. 2 系統LED調光節點(diǎn)電路設計

LED調光節點(diǎn)由CC2530和調光模塊組成。調光模塊可以根據ZigBee模塊接收到的指令實(shí)時(shí)地對LED燈進(jìn)行亮度的調節。調光的目的是為了使室內自然光跟LED燈光進(jìn)行相互的補償，使室內照度達到一個(gè)合適狀態(tài)。

本節點(diǎn)的調光模塊選用LED恒流驅動(dòng)PWM調光模塊。LED調光節點(diǎn)硬件電路圖設計如圖3所示。

2.3 系統路由器節點(diǎn)電路設計

路由器節點(diǎn)是在CC2530模塊上擴展了一個(gè)CC2591模塊，該模塊是一個(gè)真正意義上精心設計的帶PA+LNA無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊。該節點(diǎn)主要負責接收終端節點(diǎn)信息并轉發(fā)給協(xié)調器，或轉發(fā)協(xié)調器的反饋信息給終端節點(diǎn)。

在開(kāi)闊的場(chǎng)地上，CC2530的傳輸距離可達100m，但在室內環(huán)境下由于有墻體的遮擋，存在路徑損耗問(wèn)題，實(shí)際傳輸距離大大縮短。在室內中間位置若僅放置一個(gè)由CC2530構成的路由節點(diǎn)，很可能造成數據傳輸錯誤甚至數據丟失。所以在實(shí)際設計電路時(shí)，路由器節點(diǎn)采用的是CC2591+CC2530組合的形式。CC2591是一個(gè)2.4GHz的射頻前端芯片，它可以通過(guò)PA提高發(fā)射功率，從而延長(cháng)通信距離。該芯片還可以通過(guò)LNA來(lái)改善接收機的靈敏度。通過(guò)以上兩點(diǎn)可以很好地保證該系統數據傳輸的完整性。CC2591+CC2530硬件電路如圖4所示。

2.4 系統協(xié)調器節點(diǎn)電路設計

協(xié)調器節點(diǎn)由STM32F107、CC2530、12864LCD、矩陣鍵盤(pán)、DS18B20和DS1302模塊組成。該節點(diǎn)是整個(gè)系統的核心，主要負責網(wǎng)絡(luò )的組建、維護、控制終端節點(diǎn)的加入和刪除，以及整個(gè)系統信息的處理和顯示等。其中STM32F107是意法半導體推出的全新STM32互聯(lián)型微控制器，此芯片集成了各種高性能工業(yè)標準接口，且STM32不同型號產(chǎn)品在引腳和軟件上具有完美的兼容性，可以適應多種應用。此外該芯片還可以嵌入μC/GUI系統，擁有獨立的32位指令總線(xiàn)和數據總線(xiàn)，全面支持32位Thumb-2和16位Thumb指令等。

矩陣鍵盤(pán)電路采用2×4的矩陣鍵盤(pán)，用于時(shí)鐘的時(shí)間調整及不同情景模式的選擇;顯示電路采用12864 LCD，可以顯示4行信息，每行顯示16個(gè)字符，完全滿(mǎn)足顯示照度、時(shí)間和溫度等要求。

協(xié)調器節點(diǎn)硬件電路原理圖如圖5所示。

3 軟件部分設計

軟件部分主要是完成對整個(gè)系統硬件電路的編程設計。其中終端節點(diǎn)程序主要完成信息的采集、上傳和控制等。協(xié)調器節點(diǎn)程序用于實(shí)現整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的組建、維護和管理以及相應數據的收集、處理和顯示等。3.1 協(xié)調器節點(diǎn)軟件設計

協(xié)調器節點(diǎn)首先判斷是否有數據傳送，若有，則選定信道建立網(wǎng)絡(luò )，進(jìn)行數據掃描和讀取，并打包發(fā)送數據。由于電源損耗主要集中在無(wú)線(xiàn)數據的收發(fā)階段，在沒(méi)有接收到時(shí)鐘信號的喚醒命令前，使其處于睡眠狀態(tài)，以達到延長(cháng)電池的使用壽命、減少功耗的效果。程序流程圖如圖6所示。

3.2 終端節點(diǎn)軟件設計

終端節點(diǎn)數據采集的軟件設計包括兩部分，分別為單片機CC2530驅動(dòng)程序設計和傳感器收發(fā)數據程序設計。首先進(jìn)行模塊初始化，然后啟動(dòng)定時(shí)器，每隔一段時(shí)間進(jìn)行信道掃描，查看是否有入網(wǎng)申請指令，若有，則首先判斷啟動(dòng)哪一個(gè)傳感器端口，然后向端口發(fā)送數據采集請求，采集完畢后使單片機處于休眠模式，將采集到的數據發(fā)送給CC2530作進(jìn)一步處理。程序流程圖如圖7所示。

3.3 路由器節點(diǎn)軟件設計

程序中將設備類(lèi)型設置為網(wǎng)絡(luò )路由節點(diǎn)，在ZigBee協(xié)議棧中只需要更改應用層事件處理函數使其在接收到信息后調用程序把接收到的信息發(fā)送出去即可。

4 系統調試

為對系統進(jìn)行功能的測試，特選擇宿舍為實(shí)驗場(chǎng)所，分別在宿舍的三個(gè)臥室各放置3個(gè)照明節點(diǎn)和一個(gè)照度采集節點(diǎn)，然后對系統的功能進(jìn)行測試。通過(guò)測試，系統能夠準確地實(shí)現無(wú)線(xiàn)控制功能。照度節點(diǎn)能夠準確地采集環(huán)境的光照度信息，ZigBee模塊能夠正常地進(jìn)行數據的相互傳輸，PWM調光器模塊能夠準確無(wú)誤地對LED燈進(jìn)行相應亮度的調節。此外各種情景模式，如室內溫度和時(shí)鐘信息都可以按照預定指標正常工作。

5 結語(yǔ)

此無(wú)線(xiàn)智能照明系統不僅可以用于室內照明的全自動(dòng)控制，也可根據不同的需求進(jìn)行手動(dòng)的調節，這樣既可以節約能源又可以使室內光照度達到適合人類(lèi)活動(dòng)的最佳狀態(tài)。本系統具有體積小、功耗低、功能強和可靈活擴展等特點(diǎn)。此外本系統不僅可以用于家庭室內也可應用于學(xué)校教室、公司辦公區、會(huì )議室和KTV等各種不同的場(chǎng)合，只需在運用時(shí)對相應模塊和程序進(jìn)行相應的調整即可。本系統在智能照明控制領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。