基于GSM和ZigBee网络的可自适应调光系统设计研究

2017-07-06徐小虎吴锦华

赤峰学院学报·自然科学版 2017年12期

关键词：调光网关灯具

徐小虎，吴锦华，郁洁

（安徽信息工程学院，安徽芜湖 241000）

科技与艺术设计

基于GSM和ZigBee网络的可自适应调光系统设计研究

徐小虎，吴锦华，郁洁

（安徽信息工程学院，安徽芜湖 241000）

目前多数家庭使用传统的照明控制方式，且控制方式单一，照明灯使用也存在浪费现象.因此，本文研发一种基于GSM和ZigBee网络的可自适应调光系统，系统能根据外界光强的强弱自动调节照明设备使房间内的光照处于良好稳定的状态，并能通过移动终端经GSM网络发送指令打开或关闭照明设备，该系统具有坎线自网、自适应调光、远程控制等特点.通过实验表明，该设计能够远程控制照明设备，照明设备能根据环境进行自适应调光.

自适应调光；GSM；ZigBee技术；移动终端

1 引言

根据国家能源局发布的数据[1]，2013年全社会累计用电量为53223亿千瓦时，其中城乡居民生活用电达到了6793亿千万时，同比增长9.2%，而在城乡家庭中，大多数家庭使用的照明设备不具有自适应调光的功能，用电的浪费明显.

随着科技的快速发展，快捷便利是人们追求的生活方式.传统的照明控制方式过于单一以及布线过于复杂，新型照明控制方式的研发是又一大潜在发展方向.ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，具有低复杂度、自组织、低数据率、低成本等特点，并且具有良好的扩容性[2].采用ZigBee组网技术，将家庭内部的智能灯节点进行集中管理和分散控制[3].我们开发了一种基于GSM和ZigBee网络的可自适应调光系统，具有无线组网、自适应调光、环境智能感知、远程控制等特点，该系统方便了人们对照明设备的控制，同时照明用电得到合理使用.本文主要介绍基于GSM和ZigBee网络可自适应调光系统的设计与实现.

2 系统总体结构

本设计采用家庭无线灯具网络、ZigBee-GSM网关和Android移动终端三部分组成，系统结构如图1所示.

图1 系统总体结构

2.1 无线照明灯网络

传统的无线传感器网络由一系列ZigBee路由节点和终端节点组成.本系统的无线传感器网络主要由网关和灯具节点组成.灯具节点主要是由家用照明灯、无线模块、红外感应、光敏传感器集成.家庭所有灯具节点以网关为中心，构建一个星状的无线灯具网络，它具有扩展性，标准的Zigbee无线传感器网络最多可以集成65535个节点.用户使用移动终端软件以短信形式向网关发送控制指令，网关将控制指令中转发送给各个灯具节点.各个灯具节点主要通过传感器采集环境信息来调节灯光强度，灯具通过红外传感器打开或关闭灯具.节点同时可以接收网关发送的控制指令打开或关闭灯具，节点若接受到查询指令，向网关反馈设备状态信息. 2.2 ZigBee-GSM网关

ZigBee-GSM网关是实现远程控制的关键设备，它集无线收发、控制指令解析以及GSM网络通信于一身，使无线灯具网络和GSM网络实现无缝融合.网关主要通过内部GSM模块接受移动终端发送的短信，将接受到的控制短信通过串口发送给ZigBee模块，Zigbee模块中MCU解析短信获取控制指令，再将控制指令封装成ZigBee网络通信数据包，发送给指定的ZigBee灯具节点，从而实现节点、网关和移动终端的三级通信.网关同时接受灯具反馈的设备信息通过GSM模块发送给手机端.

2.3 Android移动终端控制软件

基于Android平台开发移动端控制软件，负责向网关发送短信.同时借助人机交互界面向用户展示设备信息，如果出现异常会及时提醒.

3 系统设计

3.1 灯具节点设计

灯具节点包含ZigBee无线通信模块、红外传感器、照明光源、光敏电阻和升压模块，接口连接如图2所示.ZigBee模块主要和网关保持通信.照明光源采用节能环保的LED作为照明设备，所选的灯工作电压为12V，支持连续调光，满足本系统的需要.红外传感器主要是判断是否有人进入房间，若有则驱动照明设备开启.光敏传感器是采集室内光照强度，根据强度光照向与灯具连接的Zigbee模块IO口输出PWM信号，从而达到自动调光.由于灯具工作电压是12V，ZigBee输出电压最大为3.3V，采用升压模块输出恒定电压，保证灯具正常工作，同时升压模块可以根据I/O输出自动调节输出电压.

图2 灯具节点

灯具节点核心程序基于ZigBee协议栈在IAR环境下开发.节点主要是监听网关发送的指令以及自适应调光.节点一致监听是否有人进入房间，如果有人进入房间且灯处于关闭状态，则将房间灯的状态信息发送至网关中转至移动端.节点同时监听网关中转的移动端指令，如果是查询指令，则反馈灯具状态信息至网关；如果是控制指令，则打开或关闭灯节点.灯具采用PWM自适应调光，具体自适应调光原理如图3所示，灯具节点具体流程图见图4.

图3 灯具自适应调光

图4 灯具节点流程图

3.2 ZigBee-GSM网关设计

ZigBee-GSM网关由GSM模块、ZigBee模块组成.网关硬件连接图如图5所示.本系统中采用的GSM模块是HUAWEI公司的SIM900A，它是两频段的GSM/GPRS无线模块，支持标准的AT命令及增强AT指令，提供丰富的语音和数据业务等功能，是高速数据传输等各种应用的理想解决方案.为了简化设计，网关中控制器同样使用的是Zig-Bee模块内集成的8051 MCU；ZigBee模块通过RS232串口与GSM模块相连如图6所示，MCU通过串口向GSM发送AT指令控制GSM模块发送和接受短信.内置的闪存用于保存烧写的程序，节约了搜索时间.同时使用8KB SDRAM是网关超低功耗的原因.

图5 ZigBee-GSM网关

图6 具体流程图

网关核心程序主要基于ZigBee协议栈在IAR环境下开发.ZigBee-GSM网关主要监听灯具节点状态信息以及移动端发送的控制信息.如果采集到的数据是节点发送过来的数据则通过GSM模块经GSM网络转发给手机端进行显示.如果采集到的数据是移动端的控制信息则产生串口中断，解析出控制指令再组成ZigBee网络数据包转发给灯具节点，网关的具体流程图见图6.

图7 网关程序流程

3.3 Android移动端软件设计

Android是基于Linux的开源操作系统，目前次系统主要用于定制开发[4]，特别是当今的移动开发中，通常是Android系统上的二次开发.图7为系统运行的流程图.软件开发过程中采用工具Eclipse，嵌入安卓开发插件ADT16.0，同时SDK采用稳定的2.3版本，运用JAVA语言进行编程开发.开发结束生成apk文件，拷贝至手机进行安装即可运行使用.