基于ZigBee和STM32的室內(nèi)智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

對集中，實(shí)現(xiàn)了照明控制的自動化，但卻不能對照明系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)光控制。

此外，隨著生活水平的不斷提高，人們對日常生活的無線化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、節(jié)能化的需求越來越強(qiáng)烈，以上兩種傳統(tǒng)的照明控制系統(tǒng)已經(jīng)無法滿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(nèi)智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成。三個(gè)節(jié)點(diǎn)各司其職，終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)消息的傳輸和允許共它節(jié)點(diǎn)通過它接入到網(wǎng)絡(luò)中;協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)則主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立、維持和管理，以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息的收集、處理和顯示等。在這三個(gè)節(jié)點(diǎn)當(dāng)中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)的功能如下：

(1)采用帶調(diào)光模塊的LED燈具，通過程序控制可以實(shí)現(xiàn)燈光亮度的自動調(diào)節(jié)，利用室內(nèi)燈光與自然光的相互補(bǔ)償使室內(nèi)照度保持在一個(gè)合適狀態(tài);

(2)采用照度采集節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)時(shí)地采集并監(jiān)控室內(nèi)照度;

(3)加入掉電自鎖功能(在突然停電的情況下再次來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(nèi)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，看書寫字時(shí)的學(xué)習(xí)模式等)。

除上述主要的功能外，本設(shè)計(jì)還預(yù)留了部分外圍接口電路，可以加入一些相應(yīng)的傳感器實(shí)現(xiàn)更多的功能(如加入燃?xì)鈧鞲衅鱽眍A(yù)防廚房燃?xì)庑孤?，加入煙霧傳感器防火災(zāi)等)

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路部分主要由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)電路、系統(tǒng)照度采集節(jié)點(diǎn)電路、系統(tǒng)LED調(diào)光節(jié)點(diǎn)電路以及系統(tǒng)路由器節(jié)點(diǎn)電路四部分組成。

2.1 系統(tǒng)照度節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

照度采集節(jié)點(diǎn)由CC2530和光照度傳感器(BH1750FVI)組成。本節(jié)點(diǎn)主要是對室內(nèi)的照度進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集并通過ZigBee模塊發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)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(nèi)的照度信息，并根據(jù)照度信息給LED照明節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)的指令，對LED燈進(jìn)行相應(yīng)的亮度調(diào)節(jié)。

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(yīng)亮度的數(shù)字值;2)廣泛的輸入光范圍(相當(dāng)于1-65535lx);3)通過降低功率功能，實(shí)現(xiàn)低電流化;4)無需其它外圍部件;5)光源依賴性弱(白熾燈、熒光燈、鹵素?zé)?、白光LED、日光燈)。

照度節(jié)點(diǎn)硬件電路圖如圖2所示。

2. 2 系統(tǒng)LED調(diào)光節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

LED調(diào)光節(jié)點(diǎn)由CC2530和調(diào)光模塊組成。調(diào)光模塊可以根據(jù)ZigBee模塊接收到的指令實(shí)時(shí)地對LED燈進(jìn)行亮度的調(diào)節(jié)。調(diào)光的目的是為了使室內(nèi)自然光跟LED燈光進(jìn)行相互的補(bǔ)償，使室內(nèi)照度達(dá)到一個(gè)合適狀態(tài)。

本節(jié)點(diǎn)的調(diào)光模塊選用LED恒流驅(qū)動PWM調(diào)光模塊。LED調(diào)光節(jié)點(diǎn)硬件電路圖設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.3 系統(tǒng)路由器節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

路由器節(jié)點(diǎn)是在CC2530模塊上擴(kuò)展了一個(gè)CC2591模塊，該模塊是一個(gè)真正意義上精心設(shè)計(jì)的帶PA+LNA無線收發(fā)模塊。該節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)接收終端節(jié)點(diǎn)信息并轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器，或轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)調(diào)器的反饋信息給終端節(jié)點(diǎn)。

在開闊的場地上，CC2530的傳輸距離可達(dá)100m，但在室內(nèi)環(huán)境下由于有墻體的遮擋，存在路徑損耗問題，實(shí)際傳輸距離大大縮短。在室內(nèi)中間位置若僅放置一個(gè)由CC2530構(gòu)成的路由節(jié)點(diǎn)，很可能造成數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤甚至數(shù)據(jù)丟失。所以在實(shí)際設(shè)計(jì)電路時(shí)，路由器節(jié)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PA提高發(fā)射功率，從而延長通信距離。該芯片還可以通過LNA來改善接收機(jī)的靈敏度。通過以上兩點(diǎn)可以很好地保證該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴C2591+CC2530硬件電路如圖4所示。

2.4 系統(tǒng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)由STM32F107、CC2530、12864LCD、矩陣鍵盤、DS18B20和DS1302模塊組成。該節(jié)點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建、維護(hù)、控制終端節(jié)點(diǎn)的加入和刪除，以及整個(gè)系統(tǒng)信息的處理和顯示等。其中STM32F107是意法半導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)多種應(yīng)用。此外該芯片還可以嵌入μC/GUI系統(tǒng)，擁有獨(dú)立的32位指令總線和數(shù)據(jù)總線，全面支持32位Thumb-2和16位Thumb指令等。

矩陣鍵盤電路采用2×4的矩陣鍵盤，用于時(shí)鐘的時(shí)間調(diào)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，完全滿足顯示照度、時(shí)間和溫度等要求。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件電路原理圖如圖5所示。

3 軟件部分設(shè)計(jì)

軟件部分主要是完成對整個(gè)系統(tǒng)硬件電路的編程設(shè)計(jì)。其中終端節(jié)點(diǎn)程序主要完成信息的采集、上傳和控制等。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組建、維護(hù)和管理以及相應(yīng)數(shù)據(jù)的收集、處理和顯示等。3.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

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

3.2 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集的軟件設(shè)計(jì)包括兩部分，分別為單片機(jī)CC2530驅(qū)動程序設(shè)計(jì)和傳感器收發(fā)數(shù)據(jù)程序設(shè)計(jì)。首先進(jìn)行模塊初始化，然后啟動定時(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，則首先判斷啟動哪一個(gè)傳感器端口，然后向端口發(fā)送數(shù)據(jù)采集請求，采集完畢后使單片機(jī)處于休眠模式，將采集到的數(shù)據(jù)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(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

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

4 系統(tǒng)調(diào)試

為對系統(tǒng)進(jìn)行功能的測試，特選擇宿舍為實(shí)驗(yàn)場所，分別在宿舍的三個(gè)臥室各放置3個(gè)照明節(jié)點(diǎn)和一個(gè)照度采集節(jié)點(diǎn)，然后對系統(tǒng)的功能進(jìn)行測試。通過測試，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)無線控制功能。照度節(jié)點(diǎn)能夠準(zhǔn)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(shù)據(jù)的相互傳輸，PWM調(diào)光器模塊能夠準(zhǔn)確無誤地對LED燈進(jìn)行相應(yīng)亮度的調(diào)節(jié)。此外各種情景模式，如室內(nèi)溫度和時(shí)鐘信息都可以按照預(yù)定指標(biāo)正常工作。

5 結(jié)語

此無線智能照明系統(tǒng)不僅可以用于室內(nèi)照明的全自動控制，也可根據(jù)不同的需求進(jìn)行手動的調(diào)節(jié)，這樣既可以節(jié)約能源又可以使室內(nèi)光照度達(dá)到適合人類活動的最佳狀態(tài)。本系統(tǒng)具有體積小、功耗低、功能強(qiáng)和可靈活擴(kuò)展等特點(diǎn)。此外本系統(tǒng)不僅可以用于家庭室內(nèi)也可應(yīng)用于學(xué)校教室、公司辦公區(qū)、會議室和KTV等各種不同的場合，只需在運(yùn)用時(shí)對相應(yīng)模塊和程序進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整即可。本系統(tǒng)在智能照明控制領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。