基于ZigBee的智能节能灯控系统设计
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摘要：目前照明系统存在输出无节制，负载不可调节，浪费电能等缺点。该项目结合了无线控制系统的优点和ZIGBEE无线通信技术，使用目前比较成熟的ZIGBEE技术，通过网状拓扑结构搭建基于CC2530芯片[3，6]的智能节能灯控系统。该系统控制方便，安装简单，智能高效，可有效地解决用电量大，成本高，布线繁琐等传统家用﹑公用﹑工业照明方面的问题。
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）07-1582-04
1 概述
照明问题一直被社会所关注，与人们日常生活紧密联系。随着社会的不断发展，照明系统也由传统的煤油，蜡烛等可燃物转向了电力系统。爱迪生发明的电灯改变了整个社会的照明方式，电灯走入了社会的各个领域。但是随着电力照明技术的不断发展，节能减排已成为亟待解决重要问题之一。
现有的智能灯控系统基本上采用的是有线控制，增加成本和电力能源消耗，且对于用户远程控制系统造成很大的障碍[1]。目前楼宇灯控设备具有数量大、开放时间长的特性，所以我们不在简单的追求不计能源消耗的照明方式，现有的ZIGBEE技术具有低功耗，近距离，低成本等优势[1，2]。其自动组网技术可以实现家庭网络环境中所有灯控设备的连接，数据共享及网内统一控制。在这些家庭网内灯控节点中加入温度传感器，光敏传感器可以更快更方便地收集设备周围数据，为后续的灯控操作提供依据。本系统提供了以太网和移动互联网的接入方式，为用户提供人性化可操作控制程序和安卓手机控制终端，便于智能照明系统的推广和使用。
2 灯控系统概述
本系统主要由协调器节点，灯控节点，上位机Web平台和安卓或WinCE控制终端四部分组成。此ZigBee协议栈是基于ZStack协议栈所进行的开发。TI官方的Zstack协议栈具有普及性强，适用人群多，易于二次开发等优点。上位机不但有Web平台功能且具有服务器性能，通过服务器组建无线局域网，进而将手持控制终端设备加入到局域网中，实现手持设备与协调器节点的相互通信。
系统的架构图[5]如图1所示，可以看到整个系统主要组成部分，及各层次之间的上下级关系。底层协调器节点和各灯控节点之间具有相同的数据通信协议。此协议通信采用主从式，一问一答，避免灯控节点同时发送数据产生冲突。通信过程均由上位机发起，灯控节点应答。
上层监控软件客户端与手持设备的通信协议采用TCP/IP。根据整个系统数据流传输过程，我们将下层两个传感器采集到的数据传递给灯控节点中的主控MCU，后通过ZIGBEE协议传到上层网关及监控客户端。本系统主要采用TI公司生产的CC2530芯片，此芯片具有增强型8051 CPU，系统内部可以编程闪存，且其具有4种不同的闪存运行模式模式，让此芯片可以真正具有符合低功耗环境开发的基本条件。可直接在片上系统进行编程且代码移植性好，技术成熟，成本低等优势让其成为目前ZIGBEE开发的主流芯片。
3 节点硬件设计
系统灯控节点由CC2530芯片模块﹑传感器模块﹑检错电路模块﹑PWM调光及开关模块﹑电路模块和电源模块六部分组成。
节点硬件设计图如图3所示，芯片模块主要包含CC2530主控芯片及各管脚外接电路，此芯片模块具有快速接收，转发和处理数据的功能。传感器模块我们采用的是DS18B20温度传感器，光敏传感器并由芯片模块给传感器供电[7]，此模块可以时刻感知周围环境参数并及时上传至主控芯片。PWM调光模块包含电压升压模块，通过芯片模块自主调控或用户控制所给出的PWM信号调节整个电路中的灯泡亮度[10，11]。
检错电路图如图4所示，检错电路主要采用一个2N551小功率三极管，两个二极管及电阻控制电压变化[4]。左侧箭头所指方向为信号输出端，当其为高压状态时输出数字信号1，通过协议栈内部编程，当灯控节点内部收到触发信号时发送预警信号给协调器节点，再通过TCP/IP协议同步数据到Web和手持客户端。
检错电路工作原理：协调器获得开灯指令后，如果电路输出为高电压状态，即灯泡损坏或接触不良等，则上位机和手持设备检错指示灯亮，需用户检查电路更换灯泡。检错电路工作原理在灯控系统上的应用，方便有效地解决灯泡损坏检查的问题。
4 软件设计
软件设计主要包括客户端、服务器、底层ZIGBEE协议栈的搭建，客户端主要通过用户的操作来实现上下层的数据交互，所有的客户端都要连接到服务器，并从服务器获取数据信息。
软件设计流程图如图5所示，上位机作为服务器与主节点通过RS232串口通信，通过建立TCP/IP连接与安卓手机、PAD等设手持设备，并且利用Socket通信并保持手持设备与服务器数据的同步。
上位机软件工作流程图如图6所示，主要分为三部分：串口与网络初始化、建立连接与数据传输校验处理。首先，当上位机软件运行时，先获取系统串口数，选取相应的COM口，获取本机IP等。然后，手动选定上位机的COM口，波特率，以及在安卓手机和PDA的应用上输入目的IP，进行连接。最后，通过上位机与协调节点之间的数据传输、校验以及上位机与手机、PDA之间数据传输就可以进行数据处理实现开关灯控制，报警以及实时显示温度和灯的开关和好坏状态等功能。本系统中的两种手持设备客户端采用了不同的技术，PDA采用C++编程，具有单个及批量开关灯，多种传感器数据实时显示等功能。为了实现更加人性化的操作，安卓手机客户端中加入了全景地图控制模式[8，9]，最新提出的全景地图是二维地图的拓展，具有真实感强、交互性强、易于沉浸的特点。将真实的生活空间带入到地图控制模式中去，多张图片的组合可以让我们控制的地图更加具有立体感。采用panoramaGL开源库进行全景环境的展示，利用JSON协议进行通信，通过设置热点进行灯的模拟，从而对灯进行控制。此客户端软件能够显现真实环境场景，只需轻轻触摸场景中的灯即可完成相应操作。适合老人和孩子的使用，降低了使用门槛和提高了用户体验。
5 结束语
本系统在传统的ZIGBEE网络中进一步的优化了智能灯控系统，主要添加了灯控损坏检测及PWM智能调光功能。当本系统中的节点灯出现问题时，将自动报警并显示损坏灯泡的位置，便于用户的自行更换。此外，灯控节能灯光的控制也得到了优化，根据外界光的强度自动调节灯控灯光强弱，可以更好的达到节能，节约成本的目的。本系统手机端全景地图控制模式的增加也更加人性化，方便用户使用。
参考文献：
[1] 宋艳霞.基于 ZigBee 的智能照明设备控制系统设计[D].中北大学，2013.
[2] 詹杰，吴伶锡，唐志军.基于 ZigBee 的智能照明控制系统设计与实现[J].电力电子技术， 2007， 41（10）： 25-26.
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