基于ZigBee的室内智能照明系统设计

摘 要：随着人们对智能化生活需求的提高，传统的室内照明系统存在的布线复杂、电能浪费、不能远程控制等诸多问题已经无法满足人们需求。为此，文章提出一种基于ZigBee技术的室内智能照明控制系统设计方案。系统主要采用集射频与微控制器于一体的片上系统CC2530为核心器件，实时采集现场光照强度调节照明光强、红外感应人体活动自动开关照明。实验测试表明，该系统操作方便、反应灵敏、更具人性化和节能等特点。

关键词：ZigBee；智能照明；CC2530

1 概述

随着无线通信技术的发展，各种智能设备与智能家居解决方案不断推出，其中照明系统解决方案更是百花齐放。市场上的应用最为广泛的声控灯，其每一盏灯与声控、光控、时钟元件串联在一起组成一个闭环被动执行系统，当有一定大小的声音传入且环境光线较弱时，灯被点亮，延时一定时间后熄灭，看似已经实现了照明设备的自动化，但这种控制仅仅适合楼道等场景使用，同时在点亮的时候需要一定大小的声音，夜间容易产生噪音干扰，也容易被其他声音干扰误点亮。ZigBee技术应用于智能照明系统，能使系统中所有的照明设备在短距离内自动组网，由协调器实现终端无线控制。各个照明设备也能实时判断环境光线的强弱和是否有人员进入，做到感应开启。这一控制系统不需要特定环境，也无需重新布线，只要对既有线路稍微做出更改便可实现无线智能控制。简便的操作、便宜的价格、适用于大部分照明场景。

2 ZigBee技术

ZigBee是一种短距离、低复杂度、低耗能、低速率、低成本的无线短距离双向网络通信技术。因此具有廉价的市场定位，非常适合在照明系统中应用。

ZigBee技术介于无线标记和蓝牙之间的技术方案工作组，主要用于近距离无线连接，采用IEEE 802.15.4技术标准。一个基于ZigBee的无线个人域网能支持高达254个节点。ZigBee采用自组网方式实现组网，在整个网络范围内，节点之间以接力的方式通过无线电波来实现通信，通信效率非常高。

ZigBee组网方式主要有三种拓扑结构：星型结构、簇状结构和网状结构。星型拓扑结构包括一个协调器和多个终端，没有路由，近距离传输。本照明系统采用星型网络拓扑结构，由一个协调器和多个终端设备组成。在本ZigBee网络中，协调器执行命令的发送。协调器将控制命令发送到指定的节点，当指定的节点收到来自协调器的命令后，就做出指定的动作，而各个终端节点之间不能互相通信。

3 系统硬件设计

本系统在架设ZigBee无线通信网络系统时所选择的硬件平台是CC2530模块ZigBee开发套件。CC2530内部已集成了一个8051微处理器与高性能的RF收发器。CC2350能以很低的成本建设强大的网络节点，拥有较大的快闪记忆体，能存储256B数据。本系统主要分为协调器模块和终端节点模块。协调器模块由ZigBee模块和PC组成，终端节点模块主要由ZigBee模块、光敏传感器、红外传感器和照明灯泡组成。控制策略结合ZigBee2007协议，终端节点实时采集照明现场的环境参数发送给协调器，经过协调器上CC2530芯片的逻辑分析后，发回操作指令给终端节点。PC上位机也可实时显示环境参数信息，对照明设备进行集中管理和控制。使用的主要硬件包括ZigBeeCC2530芯片模块、HC-SR501型红外电传感器、5549光敏传感器、灯泡、RS232串口通信线、YL-78 1路继电器、PC机、电源、下载线等。硬件原理图如图1所示。

4 系统软件设计

使用TI公司开发的基于IEEE 802.15.4标准的 Z-Stack协议栈 ，仅仅需要设计各个节点的应用层软件即可。网络协调器初始化网络后，终端节点与协调器完成网络连接的过程，成功组建ZigBee星型网络。光敏传感器对室内光照强度进行实时采集，并将采集的光强信息传给终端ZigBee模块，终端ZigBee模块又将此信息发送给协调器，协调器通过串口将数据送到上位机显示，同时，协调器对光强信息进行分析判断，当光强高于既设阈值时点亮灯泡，小于则熄灭。此模式还要判断是否有红外感应的情况下执行，当没有红外感应时，灯泡一直处于熄灭状态。

本论文实物使用开发板P0.4口和P0.5口作为电磁继电器的信号输入端，设定高电平时继电器断开，低电平时继电器吸合。主要应用ZigBee协议栈SampleApp_Init（ ）用户任务初始化函数，设置程序发送数据的方式和目的地址寻址模式，定义设备用来通信的APS层端点描述符；SampleApp_ProcessEvent（ ）用户应用任务的事件处理函数，处理用户按键任务；SampleApp_SendPeriodicmessage（ ）分析发送信息函数，调用AF_DataRequest将数据无线广播出去；SampleApp_MessageMSGCB（ ）分析接收数据函数，接收广播信息数据，并执行。

5 系统整体测试

给两块ZigBee开发板上电，组网成功后，当有人体靠近时，红外热释电传感器感应到人体靠近，同时通过光敏模块采集环境光强度，协调器分析处理采集信号，如果环境光强度弱，发出高电平，控制继电器将灯点亮，反之发出低电平，继电器不工作灯泡保持熄灭状态。

PC上位机能够显示远程终端节点的实时环境参数，并能实现对终端节点上的灯泡集中控制。

6 结束语

本设计将ZigBee技术与室内照明相结合，能实现对建筑室内外的照明设备进行集中管理，该系统可用于家庭照明、楼道灯和偏僻地点的路灯等场景的照明控制。利用此系统不但可以降低系统的安装成本与难度，同时可靠性高、维护方便，有着广阔的应用前景。

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作者简介：古丹（1991-），女，漢族，四川，助理实验师，本科，三亚学院，研究方向：电子技术。