基于ZigBee和觸摸感應技術(shù)的照明控制系統

摘要：傳統家庭智能照明控制系統采用有線(xiàn)方式搭建家庭局域網(wǎng)，利用導線(xiàn)傳輸控制信號，設計時(shí)需預埋大量控制線(xiàn)，布線(xiàn)較為繁瑣;并且所用控制開(kāi)關(guān)大都采用觸點(diǎn)接觸式墻壁開(kāi)關(guān)，長(cháng)久使用觸點(diǎn)易磨損，接觸不良導致開(kāi)關(guān)可靠性降低。針對以上問(wèn)題開(kāi)發(fā)了一套基于ZigBee和電容觸摸感應技術(shù)的照明控制系統。該系統利用ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )代替有線(xiàn)方式搭建家庭局域網(wǎng)，省去了預埋控制線(xiàn)的繁瑣布線(xiàn)工作;系統燈控節點(diǎn)內部MCU采用電容式觸摸感應焊盤(pán)檢測手指觸壓，之后驅動(dòng)雙向可控硅的導通與截止來(lái)控制燈光亮滅，從而起到無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)控制作用。測試結果表明系統運行穩定，控制可靠，能有效利用ZigBee網(wǎng)絡(luò )和觸摸按鍵控制家中燈光亮滅。

引言

　　隨著(zhù)科技的發(fā)展，人們對家居環(huán)境不斷提出新的要求。在追求高效、舒適、便捷的同時(shí)更加注重居室環(huán)境的智能化。智能照明作為智能化家居的重要組成部分，近年來(lái)國內外許多科研人員對其進(jìn)行了大量研究。如周曉偉 ^[1-2]、徐勇^[3]等提出的智能照明控制系統可以根據周?chē)h(huán)境自動(dòng)調整照明模式或通過(guò)PC機終端預設照明模式。李治斌等^[4]設計的智能調光開(kāi)關(guān)在傳統開(kāi)關(guān)中加入ZigBee模塊，實(shí)現了通過(guò)手機或平板電腦安裝客戶(hù)端軟件對燈泡進(jìn)行調光操作。以上工作均采用ZigBee組網(wǎng)無(wú)線(xiàn)通信方式控制，省去了傳統有線(xiàn)照明控制系統中繁瑣的布線(xiàn)工作，但只能借助PC機或手機等終端設備控制，沒(méi)有涉及利用開(kāi)關(guān)進(jìn)行現場(chǎng)控制。

　　由于傳統機械開(kāi)關(guān)存在觸點(diǎn)易磨損，使用壽命短，硬件成本高等缺點(diǎn)，而電容式感應按鍵具有無(wú)機械磨損，壽命長(cháng)，可靠性不會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的增加而降低，硬件成本低，防水防污，易清潔和時(shí)尚等優(yōu)點(diǎn)^[5]已在眾多領(lǐng)域得到應用。

　　在此背景下，本文開(kāi)發(fā)了一套不僅可以利用手機等移動(dòng)設備實(shí)現遠程控制，而且可以利用觸摸按鍵實(shí)現現場(chǎng)控制燈光亮滅的智能家居照明控制系統。

1 系統整體方案設計

　　本系統主要由系統主機和燈控節點(diǎn)兩部分組成，這兩部分通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信。燈控節點(diǎn)取代傳統墻壁開(kāi)關(guān)嵌入墻壁86型底盒內，并配有控制燈光的觸摸按鍵。用戶(hù)可以通過(guò)遠程控制和現場(chǎng)控制兩種方式控制燈光亮滅。遠程控制時(shí)，用戶(hù)點(diǎn)擊手機APP軟件操作界面上的燈泡圖標，開(kāi)關(guān)燈命令通過(guò)因特網(wǎng)發(fā)送到系統主機，系統主機再將該命令通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò )轉發(fā)到燈控節點(diǎn)，燈控節點(diǎn)中的MCU根據接收到的命令驅動(dòng)雙向可控硅導通與截止來(lái)控制燈泡接入火線(xiàn)與否，實(shí)現燈光亮滅控制?，F場(chǎng)控制時(shí)，用戶(hù)觸摸燈控節點(diǎn)面板上的不同燈泡圖標，燈控節點(diǎn)內MCU檢測到手指觸壓后用同樣通過(guò)驅動(dòng)雙向可控硅導通與截止來(lái)控制燈光亮滅。系統控制原理圖如圖1所示。

2 燈控節點(diǎn)硬件設計

　　燈控節點(diǎn)由電源模塊、PIC16F1936微控制器模塊、ZigBee通信模塊、按鍵模塊、燈光控制模塊組成。燈控節點(diǎn)硬件結構框圖如圖2所示。

2.1 電源模塊

　　由于燈泡采用市電供電，而微控制器芯片和ZigBee通信芯片采用直流3.3V供電，故燈控節點(diǎn)直接接入220V市電，市電經(jīng)MB6S整流后輸入FSEZ1317芯片和變壓器T2降壓得到12V直流電，再由LM1117-3.3及其外圍電路穩壓濾波到直流3.3V給PIC16F1936和CC2530芯片供電。電源模塊原理圖如圖3所示。

2.2 PIC16F1936微控制器模塊

　　PIC16F1936微控制器是微芯公司生產(chǎn)的8位CMOS閃存單片機，具有體積小、功耗低、抗干擾性好、可靠性高、模擬接口功能強大等特點(diǎn)。片內外設資源豐富，主要包括I/O端口、電容觸摸傳感模塊、A/D轉換器、EEPROM、定時(shí)器、串口等。燈控節點(diǎn)中他負責處理ZigBee通信模塊接收到的數據，從中提取控制命令進(jìn)行相應操作，同時(shí)也進(jìn)行按鍵掃描檢測，根據檢測結果進(jìn)行相應操作。

2.3 ZigBee通信模塊

　　ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議，該協(xié)議規定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，具有使用方便、價(jià)格低廉、工作可靠等特點(diǎn)。ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )器件工作模式包含協(xié)調器、全功能模式和簡(jiǎn)化功能模式三種[6]。協(xié)調器是網(wǎng)絡(luò )的中心節點(diǎn)，負責網(wǎng)絡(luò )的發(fā)起組織、維護和管理，一個(gè)網(wǎng)絡(luò )只有一個(gè)協(xié)調器，在本系統中它嵌入系統主機內;燈控節點(diǎn)采用全功能模式，既可作為路由節點(diǎn)，也可以作為終端傳感器節點(diǎn);簡(jiǎn)化功能器件只能作為終端無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)。

　　本模塊采用CC2530芯片作為ZigBee網(wǎng)絡(luò )的解決方案。CC2530采用了新一代2.4GHz SoC片上系統，支持IEEE802.15.4標準，其內部集成了一個(gè)抗干擾性和靈敏度都較高的RF收發(fā)器和一個(gè)標準增強型8051微處理器，擁有2個(gè)USART、12位的ADC和21個(gè)通用GPIO等豐富的外設接口。該芯片只需極少的電阻電容就能搭建完整的ZigBee收發(fā)電路，通過(guò)串口與單片機通信，使用相當簡(jiǎn)便。

2.4 按鍵模塊

　　按鍵模塊采用13mm×10mm 的矩形電路板焊盤(pán)通過(guò)0.2mm走線(xiàn)直接連接到單片機電容觸摸傳感模塊引腳實(shí)現。PIC16F1936單片機自帶電容傳感RC振蕩器，其中振蕩時(shí)間常數= RC = R(C_p + C_f)。C_p為焊盤(pán)與地之間的寄生電容，C_f為手指觸摸焊盤(pán)時(shí)焊盤(pán)-手指-地之間的感應電容，未觸摸時(shí)該值為0，觸摸后Cf大于0，導致RC時(shí)間常數τ增大，振蕩器頻率減小，單片機檢測到這一頻率變化后判斷出焊盤(pán)被手指觸壓。觸摸時(shí)電容增量百分比是：

　　由上式可見(jiàn)為了提高觸摸感應的靈敏度，需減小寄生電容C_p值，可以通過(guò)使觸摸焊盤(pán)以較窄的走線(xiàn)連到單片機同時(shí)遠離地實(shí)現。如圖4是按鍵模塊PCB圖，為了減小C_p值，觸摸焊盤(pán)位于保護環(huán)內，距離保護環(huán)0.2 mm，所有保護環(huán)連在一起通過(guò)10K電阻連到單片機I/O口，該I/O口始終輸出低電平。觸摸按鍵通過(guò)0.2mm走線(xiàn)串接10K電阻連到單片機檢測引腳。為了提高抗電磁干擾能力，焊盤(pán)返回單片機的走線(xiàn)被保護環(huán)走線(xiàn)包裹同時(shí)焊盤(pán)下方不走線(xiàn)。

2.5 燈光控制模塊

　　本模塊采用單片機檢測市電過(guò)零點(diǎn)進(jìn)而驅動(dòng)雙向可控硅導通與截止控制燈光亮滅。燈光控制模塊電路圖如圖5所示。

　　當單片機引腳檢測到市電零點(diǎn)時(shí)，P1.0 引腳輸出負脈沖，使Q3導通，MOC3021導通，觸發(fā)雙向可控硅Q1導通，燈泡負載與交流火線(xiàn)接通點(diǎn)亮。若要關(guān)閉燈泡，只需P1.0始終保持高電平。圖5中R6為觸發(fā)限流電阻，R7為門(mén)極電阻，用以提高雙向可控硅抗干擾能力。R9和C14組成RC阻容吸收電路，對雙向可控硅Q1進(jìn)行過(guò)電壓保護。