2021年03月03日 | 基于ZigBee和STM32的室内智能照明系统的设计

在人们的传统意识中，照明系统仅以照明为目的。传统的照明系统中主要的控制方式有手动控制方式和自动控制方式。其中手动控制方式简单、有效，但是过于依赖人工操作，并且控制相对分散，不能有效管理;自动控制方式主要是由时钟元件、光电元件或两者组合的方式来实现对照明设备的控制，这种控制方式减少了对人员的依赖性，管理相

对集中，实现了照明控制的自动化，但却不能对照明系统进行调光控制。

此外，随着生活水平的不断提高，人们对日常生活的无线化、网络化、智能化、节能化的需求越来越强烈，以上两种传统的照明控制系统已经无法满足人们对日常生活品质的需求。基于上述原因提出了一种基于ZigBee和STM32的室内智能照明系统的设计。

1 系统总体设计

本系统主要由终端节点、路由器节点和协调器节点组成。三个节点各司其职，终端节点主要负责消息的传输和允许共它节点通过它接入到网络中;协调器节点则主要负责网络的建立、维持和管理，以及整个网络数据信息的收集、处理和显示等。在这三个节点当中协调器节点是整个网络的核心。系统总体设计框图如图1所示。

本设计主要实现的功能如下：

(1)采用带调光模块的LED灯具，通过程序控制可以实现灯光亮度的自动调节，利用室内灯光与自然光的相互补偿使室内照度保持在一个合适状态;

(2)采用照度采集节点，可以实时地采集并监控室内照度;

(3)加入掉电自锁功能(在突然停电的情况下再次来电所有灯具都处于关闭状态);

(4)加入部分情景模式，在不同的室内环境需求时可以很方便地对灯光环境进行选择(如家人一起看电视时的影院模式，看书写字时的学习模式等)。

除上述主要的功能外，本设计还预留了部分外围接口电路，可以加入一些相应的传感器实现更多的功能(如加入燃气传感器来预防厨房燃气泄漏，加入烟雾传感器防火灾等)

2 系统硬件电路设计

系统硬件电路部分主要由协调器节点电路、系统照度采集节点电路、系统LED调光节点电路以及系统路由器节点电路四部分组成。

2.1 系统照度节点电路设计

照度采集节点由CC2530和光照度传感器(BH1750FVI)组成。本节点主要是对室内的照度进行实时的采集并通过ZigBee模块发送给协调器，协调器再对接收到的照度信息进行整合处理，然后在LCD上实时显示出室内的照度信息，并根据照度信息给LED照明节点发送相应的指令，对LED灯进行相应的亮度调节。

BH1750FVI传感器是一个光电集成传感器，其主要有如下几个特点：1)可以输出对应亮度的数字值;2)广泛的输入光范围(相当于1-65535lx);3)通过降低功率功能，实现低电流化;4)无需其它外围部件;5)光源依赖性弱(白炽灯、荧光灯、卤素灯、白光LED、日光灯)。

照度节点硬件电路图如图2所示。

2. 2 系统LED调光节点电路设计

LED调光节点由CC2530和调光模块组成。调光模块可以根据ZigBee模块接收到的指令实时地对LED灯进行亮度的调节。调光的目的是为了使室内自然光跟LED灯光进行相互的补偿，使室内照度达到一个合适状态。

本节点的调光模块选用LED恒流驱动PWM调光模块。LED调光节点硬件电路图设计如图3所示。

2.3 系统路由器节点电路设计

路由器节点是在CC2530模块上扩展了一个CC2591模块，该模块是一个真正意义上精心设计的带PA+LNA无线收发模块。该节点主要负责接收终端节点信息并转发给协调器，或转发协调器的反馈信息给终端节点。

在开阔的场地上，CC2530的传输距离可达100m，但在室内环境下由于有墙体的遮挡，存在路径损耗问题，实际传输距离大大缩短。在室内中间位置若仅放置一个由CC2530构成的路由节点，很可能造成数据传输错误甚至数据丢失。所以在实际设计电路时，路由器节点采用的是CC2591+CC2530组合的形式。CC2591是一个2.4GHz的射频前端芯片，它可以通过PA提高发射功率，从而延长通信距离。该芯片还可以通过LNA来改善接收机的灵敏度。通过以上两点可以很好地保证该系统数据传输的完整性。CC2591+CC2530硬件电路如图4所示。

2.4 系统协调器节点电路设计

协调器节点由STM32F107、CC2530、12864LCD、矩阵键盘、DS18B20和DS1302模块组成。该节点是整个系统的核心，主要负责网络的组建、维护、控制终端节点的加入和删除，以及整个系统信息的处理和显示等。其中STM32F107是意法半导体推出的全新STM32互联型微控制器，此芯片集成了各种高性能工业标准接口，且STM32不同型号产品在引脚和软件上具有完美的兼容性，可以适应多种应用。此外该芯片还可以嵌入μC/GUI系统，拥有独立的32位指令总线和数据总线，全面支持32位Thumb-2和16位Thumb指令等。

矩阵键盘电路采用2×4的矩阵键盘，用于时钟的时间调整及不同情景模式的选择;显示电路采用12864 LCD，可以显示4行信息，每行显示16个字符，完全满足显示照度、时间和温度等要求。

协调器节点硬件电路原理图如图5所示。

3 软件部分设计

软件部分主要是完成对整个系统硬件电路的编程设计。其中终端节点程序主要完成信息的采集、上传和控制等。协调器节点程序用于实现整个网络的组建、维护和管理以及相应数据的收集、处理和显示等。3.1 协调器节点软件设计

协调器节点首先判断是否有数据传送，若有，则选定信道建立网络，进行数据扫描和读取，并打包发送数据。由于电源损耗主要集中在无线数据的收发阶段，在没有接收到时钟信号的唤醒命令前，使其处于睡眠状态，以达到延长电池的使用寿命、减少功耗的效果。

3.2 终端节点软件设计

终端节点数据采集的软件设计包括两部分，分别为单片机CC2530驱动程序设计和传感器收发数据程序设计。首先进行模块初始化，然后启动定时器，每隔一段时间进行信道扫描，查看是否有入网申请指令，若有，则首先判断启动哪一个传感器端口，然后向端口发送数据采集请求，采集完毕后使单片机处于休眠模式，将采集到的数据发送给CC2530作进一步处理。

3.3 路由器节点软件设计

程序中将设备类型设置为网络路由节点，在ZigBee协议栈中只需要更改应用层事件处理函数使其在接收到信息后调用程序把接收到的信息发送出去即可。

4 系统调试

为对系统进行功能的测试，特选择宿舍为实验场所，分别在宿舍的三个卧室各放置3个照明节点和一个照度采集节点，然后对系统的功能进行测试。通过测试，系统能够准确地实现无线控制功能。照度节点能够准确地采集环境的光照度信息，ZigBee模块能够正常地进行数据的相互传输，PWM调光器模块能够准确无误地对LED灯进行相应亮度的调节。此外各种情景模式，如室内温度和时钟信息都可以按照预定指标正常工作。

5 结语

此无线智能照明系统不仅可以用于室内照明的全自动控制，也可根据不同的需求进行手动的调节，这样既可以节约能源又可以使室内光照度达到适合人类活动的最佳状态。本系统具有体积小、功耗低、功能强和可灵活扩展等特点。此外本系统不仅可以用于家庭室内也可应用于学校教室、公司办公区、会议室和KTV等各种不同的场合，只需在运用时对相应模块和程序进行相应的调整即可。本系统在智能照明控制领域具有广阔的应用前景。