蒋 峰，李 行，熊霆宇，黄昌瑞，王淑良
（中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）
摘 要：针对人们对居住环境智能化、舒适程度等越来越高的要求，以及节能、环保的目的，提出一种操作方便、节能的远程无线智能灯光控制系统的设计实现方法。该系统采用ZigBee技术远程控制灯的开关、调节灯光的强弱，并使灯光强度恒定。该系统改进了现有灯光需要有线、固定开关控制以及光强随电压波动的缺点，节约了人力资源，达到充分合理地利用电能的目的，真正实现节能、环保以及方便控制。实验结果表明，该系统具有操作方便、节能、体积小、响应速度快、便于安装等特点，具有一定的推广应用价值。
关键词：无线开关；节能；ZigBee；灯光控制
随着人民生活水平的提高，人们对于居住环境智能化、舒适程度等要求越来越高，家居灯光的智能控制成为科学家的研究热点[1]。此外，随着经济的日益发展，电能的需求越来越大，能源问题的严峻，节能成为中国乃至世界性的问题。传统的灯光控制主要是通过人直接按动墙上的控制开关来实现，当在周末或者冬季的时候，人们往往想躺在床上或者沙发上就能轻松的按照自己的要求方便地控制电灯的打开和关闭，而不需要起身动手来完成。此外，不同环境下对灯光强度的需求不同，传统的灯光功率无法调节，如果当需要弱光时，能够实现将强光调弱，将节省大量的电能。文中针对目前灯光的发光以及开关模式都存在电能浪费、不节能等问题，提出了一种操作方便、节能的远程无线智能灯光控制系统的设计实现方法。
目前，国内外实现灯光智能控制的方式有多种。根据其实现的网络拓扑结构的不同，可以分为：总线网连接型、星状网连接型、环状网连接型以及混合网连接型。总线结构是采用同一媒体或电缆连接所有用户的一种方式，该结构具有费用低、数据端用户入网灵活、站点或某个端用户实效不影响其他站点或端用户通信的优点。缺点是一次仅能一个端用户发送数据，其他端的用户必须等到获得发送权，此外，其访问获取机制较复杂。星状网便于集中控制，但由于端用户之间的通信必须经过中心站，所以要求中心站必须具有极高的可靠性。另外，该结构的布线较多，对线材的损耗也较多。环状结构就是将所有用户连接成环状，这种结构显而易见消除了用户通信时对中心系统的依赖性，但由于总是以单向方式操作，所以用户之间数据的传输耗时较长。混合结构能够综合上述结构的优点，但实现难度较大，投资较高。根据实现介质的不同，国内外所研究的灯光智能控制系统又可以分为：有线型智能控制和无线型智能控制。其中有线型智能控制系统可以分为：双绞线型、电力线型、电话线型、光纤型等；而无线型可以分为：红外线控制型[2?4]、散射通信型以及微波通信型等。不管是现有的有线型还是无线型，都没有实现对灯光光强的实时采集和闭环控制，灯光的强度受电源波动较大，光线强度不能稳定，更没有实现对灯光的远程控制。基于此，本文提出基于ZigBee技术结合以太网技术来实现远程无线的灯光控制以解决上述问题。
远程无线灯光智能控制系统由终端（PC机）、控制器、以太网通信接口模块、光线传感采集模块、无线发射/接收模块、按键设置模块、显示模块、功率调整控制模块、存储器、信号调理电路等组成。该系统整体组成结构框图如图1所示。
图1 远程无线智能灯光控制系统的整体组成结构图
整个系统的工作原理为用户根据实际需要选定最便捷的方式向灯光智能控制系统发出相应的控制命令，该系统中的控制器对无线接收到的指令进行译码，按照协议调用相应的处理程序进行电灯的开关及光强调整控制。同时光线采集传感模块开始工作，实时采集现场环境光强并将其送入系统中的控制器中，控制器根据所接收指令的具体信息结合所采集的环境光强数据执行相应的动作（如：决定光强调强或调弱等）。如果所接收的控制指令中要求将所采集的环境光强数据实时传送给远端的控制终端，则系统将启动另一个发射/接收模块，通过其串口与PC终端进行通信，最终由PC机通过以太网通信接口实现远端通信[1]。
2.1 远程无线智能灯光控制系统硬件设计
由于文中无线通信技术采用ZigBee协议，而处理ZigBee协议的芯片内部集成了微控制器，故根据系统的整体组成结构框图以及工作原理，设计中直接将其代替图1中的控制器，具体的远程无线智能灯光控制系统的设计实现框图如图2所示。
图2 远程无线智能灯光控制系统的设计实现框图
图2中的光线采集选用光线传感器ISL29004，可控硅触发电路选用可控硅光绝缘驱动器MOC3061，其具体的使用见文献[1]。
ZigBee模块选用TI公司的CC2530芯片。CC2530是TI公司推出的符合IEEE 802.15.4标准的2.4 GHz射频收发器[5]。CC2530芯片内部集成了RF收发器、增强型的51内核、可编程闪存以及8 KB的RAM，是RF4CE和ZigBee应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点。CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。
根据器件手册，CC2530芯片内的1.8 V的稳压器需用去耦电容增加其稳定性，故在40脚接一个1 μF的电容。管脚22，23以及管脚32，33用于外接晶振和电容以分别构成32 MHz，32.768 kHz的振荡电路。管脚25，26是差分信号输入脚，在使用不平衡单极子天线时，需用巴伦匹配电路进行阻抗匹配，文中选用分立电容和电感来实现，具体应用电路图如图3所示。需要注意的是：为保证电路正常工作，在布线时需保证模拟信号与数字信号的互不干扰，而且需保证模拟信号与数字信号的共地。同时在制作PCB时，外露的芯片安装衬垫必须连接到PCB的接地层，并且通过此处接地[6]。
2.2 远程无线智能灯光控制系统软件设计
设计中，根据实际的使用情况，一个开关可以对应2～3个ZigBee节点。根据图2的设计，节点1的光敏传感器实时采集环境光强数据，通过ZigBee无线传输，节点1采集到的光强数据传输到节点2和节点3。节点2将节点1的光强数据显示在12864液晶上，节点3将接收到的光强数据通过串口传输到PC机，再显示在GUI上。节点2是开关的主动控制节点，可通过其上的按键发送控制命令；节点3也可以通过PC机上的GUI发送控制命令，如：调节光线强弱和灯的亮灭。节点1根据接收到的命令通过改变输出PWM波的占空比来控制灯光光线强弱以及亮灭状态。
图3 CC2530芯片简单外围应用电路
要实现上述功能，整个系统的程序应包括：数据采集程序、数据处理程序、显示程序、按键处理程序、PWM波形产生程序、串口通信、基于ZigBee协议的数据收发程序及无线通信程序等，整个程序的改写在集成开发环境IAR中实现。本文重点介绍基于ZigBee协议的数据采集、收发程序、PWM波形产生程序以及的节点3与PC机之间的串口通信的实现。整个系统的工作流程见文献[6]。
2.2.1 光强数据采集控制程序
利用CC2530芯片内自带的A/D转换器来实现光强数据的转换，其内部A/D控制程序由函数my?App_ReadLightLeve（l）实现。ZigBee模块将采集到的光强数据通过调用ZigBee协议栈中的API——AF_Da?taRequest函数发送至其他ZigBee节点，实现采集数据的发送。光强数据采集控制程序代码如下：
2.2.2 基于ZigBee协议栈的接收程序
各节点接收到触发AF_INCOMING_MSG_CMD事件，然后调用事件处理函数，根据发送方的Cluster ID不同做出不同的处理机制，并最终分别实现灯光控制、LCD的显示和触发串口通信。接收数据的程序流程图如图4所示。
图4 接收程序流程图
2.2.3 节点与PC机之间的串口通信
系统如需实现远程监控，远程控制端需先通过互联网向PC机发布命令，PC机再通过串口与节点3之间进行通信，实现对电灯工作状态的实时监控。
发送时：PC端通过串口向ZigBee节点3发送数据的C#代码如下：
为了控制方便，设计中利用VB编写了一个图形界面如图5所示，当按下“+”，“-”，“开”或“关”按钮时，向串口发送不同的数据表示不同的命令。
ZigBee节点3解析PC通过串口发送的数据的部分核心代码如下：
接收时：节点3同时接收节点1的光强采集数据以及节点2的光强控制目标数据，调用系统中的API将数据通过串口发送给PC，然后在串口图形界面上进行显示，并可以通过以太网让远端进行访问。由于接收程序主要借鉴于系统自有软件，改动不大，不再赘述。
图5 串口操作图形界面
2.2.4 PWM波形产生程序
节点1根据接收到的不同的数据，执行相应的操作。设计中使用ZigBee模块1上的LED灯模拟实际照明灯，并采用PWM控制原理，通过改变周期内高电平的时间的长度来实现调节灯光的亮暗。PWM波形的产生采用定时器中断实现，其中断服务程序代码如下：
代码中，改变light的值即可改变灯光的亮暗，对于灯亮灭状态的控制以及LCD显示直接使用ZigBee系统提供的函数即可实现。为了实现光强记忆，即通电后是上一次的亮度，以免每次都需要用户手动调节亮暗，程序在每次改变PWM高电平的时间值时，就将该值写入存储器中，然后上电时将其读出，从而实现调节的记忆功能。
本文利用了ZigBee低功耗、高可靠等特性搭建了远程无线智能灯光控制系统，成功地实现了对LED光源的开关以及光线强弱的连续无线控制，为智能家居的设计提供了一种新的实施方案。实验证明，该系统具有操作方便、节能、体积小、响应速度快、便于安装等特点，具有一定的推广应用价值。
参考文献：
[1]蒋峰.远程无线灯光智能控制开关的设计[J].中南林业科技大学学报，2011，31（11）：187?191.
[2]杨帆，肖贝，汤路，等.红外线智能遥控开关的设计[J].电气自动化，2010，32（3）：74?76.
[3]梁佩莹，蔡忠岳，陈培宏，等.教室灯光智能控制系统的设计[J].电子测量技术，2014，37（9）：83?87.
[4]刘志成，牛建林.教室灯光智能控制器设计[J].电子测量技术，2013，36（4）：32?35.
[5]刘辉，赵丽芬，孙番典，等.基于CC2530的ZigBee射频收发模块设计[J].云南民族大学学报（自然科学版），2012，21（6）：452?456.
[6]蒋峰，赵伟.ZigBee技术在温室无线监测系统中的应用[J].农机化研究，2013，35（9）：218?222.
Design of remote wireless intelligent lighting control system based on ZigBee technology
JIANG Feng，LI Xing，XIONG Tingyu，HUANG Changrui，WANG Shuliang
（Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004，China）
Abstract：To meet the high requirement of the intelligent and comfortable living environment，and achieve the purposes of environmental protection and energy saving，a design and implementation method of the remote wireless intelligent lighting con?trol system with easy operation and energy saving is proposed.The ZigBee technology is used in the system to control the switching of lights remotely，adjust the intensity of lights，and keep the light intensity constant.The shortcomings of the wired lighting con?trol，fixed switch control and light intensity fluctuation changed with voltage were eliminated by the system，the system can save the human resources，achieve the sufficient and reasonable utilization of the electric energy，and realize the objectives of saving energy，environmental protection and convenient control indeed.The experimental results show that the system has the features of convenient operation，energy saving，small size，fast response and easy installation，and a certain promotion and application values.
Keywords：wireless switch；energy saving；ZigBee；lighting control
中图分类号：TN911?34；TP273
文献标识码：A
文章编号：1004?373X（2017）02?0114?04
doi：10.16652/j.issn.1004?373x.2017.02.027
作者简介：蒋 峰（1976—），男，湖南衡阳人，中南农业科技大学电子信息工程教研室主任，副教授，博士。主要研究方向为嵌入式系统应用、生物信息技术、物联网技术。
收稿日期：2016?05?13
基金项目：中南林业科技大学引进高层次人才科研启动基金计划项目资助（104?0357)；中南林业科技大学大学生研究性学习和创新性实验计划项目资助
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