一种无线智能家居照明系统的设计与研究

收稿日期:2012－05－06作者简介:白香芳(1974－)，女，河南宜阳人，济源职业技术学院讲师，重庆大学工程硕士，研究方向为自动化控制;闫娜(1982－)，女，河南永城人，永城职业学院讲师，研究方向为计算机应用技术。一种无线智能家居照明系统的设计与研究白香芳1，闫娜2(1．济源职业技术学院，河南济源454650;2．永城职业学院，河南永城476641)摘要:通过分析国内外智能家居的发展现状，构建了以STM32F103RBT6为网关的处理器，以CC2430作为无线通讯的接口芯片的无线网络智能家居照明系统。研究结果表明该系统方便，节能，具有一定的实用价值。关键词:智能家居，照明系统，ZigBeeDOI:10．3969/j．issn．1672－0342．2012．02．006中图分类号:TM923文献标识码:A文章编号:1672－0342(2012)02－0023－04近年来，随着无线网络技术的普及，传统有线照明系统已不能满足人们日益增长的物质文化需求。为克服传统照明系统的可移动性差的问题［1］，需要一种无线智能照明系统。ZigBee技术是最近发展起来的被业界认为最有可能应用在智能家居控制场合的无线通信方式。ZigBee工作于2．4GHz频段，采用自组网的形式，允许255个节点同时联网［2］，网络容量相对较大。它具有功耗低、安全性高、兼容性好、实现成本低等优点，随着无线智能灯光控制系统产品相继出现，以ZigBee技术为核心的无线智能照明系统逐渐得到普及［3］。一、系统总体方案本系统设计主要用于中小型家居环境中，结构相对简单，采用星形网络拓扑结构。整个系统由无线网关、智能开关和无线摇控器组成。系统整体结构如图1所示。图1系统结构模型图二、系统硬件设计本系统采用STM32F103RBT6作为无线网关的控制芯片，CC2430作为整个无线网络通讯的接口芯片。所有照明设备发出的指令要通过无线网关接收，经过处理后转发到相应的智能开关终端设备中。智能开关设备接收到指令后，就会按照指令进行开关或调光。遥控器为网络中所需要的无线手持设备，方便用户随意操纵照明设备。下面分述智能开关单元、无线网关单元和无线摇控单元三大系统硬件模块单元的设计。(一)智能开关单元硬件设计在系统中，智能开关用来控制系统中的照明设备，可以选择自动模式和手动模式两种方式。32第11卷第2期济源职业技术学院学报Vol．11No．22012年6月JournalofJiyuanVocationalandTechnicalCollegeJun．20121．智能开关核心芯片CC2430本系统采用的是Chipcon公司推出的CC2430芯片，既作为主控单元，又作为收发网络数据的网络模块。该芯片组合了一个高性能2．4GHz射频收发器核心和一颗小巧高效的8051控制器，满足2．4GHzISM波段的ZigBee低成本低功耗的应用。2．人体感应电路设计本设计中人体感应模块采用RE200B热释电人体感应传感器，它感应的红外波长和人体发射的红外波长接近，以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换结果以电压信号输出。人体感应电路如图2所示。U2为热释电人体感应传感器RE200B，当人体接近时，在2端感应出电压，经过U3运算放大器放大后送给CC2430中的AD转换模块，CC2430根据转化结果计算出人体位置，并将结果上传至CC2430的微控制模块8051，其中R7来调节电路放大倍数，即调节智能开关的灵敏度。图2人体感应电路图3．测量光线强弱电路设计测量光线强弱电路采用一支光敏电阻作为传感器。当光敏电阻测到人体信号后，会根据光线强弱，使电阻值发生变化，将测得的结果与预先存放的标准值相比较。根据比较结果，决定是否进行开关或调节操作。(二)无线网关设备的硬件设计无线网关在本系统中处于中心位置，起到连接其他设备的纽带作用。本系统中的无线网关采用一片STM32F103RBT6作为控制芯片，一片CC2430作为无线通讯的网络发送接收单元，用串口和PC机连接，作为人机交互的接口。STM32F103RBT6和CC2430功能相当强大，只有让这两种芯片正确连接，才能发挥它们的优势。两者接口连接的电路示意如图3所示。图3STM32F103RBT6和CC2430的接口连接电路示意图无线网关应该一直处于通电的工作状态，因此可以采用AC220V－DC5V电源适配器供电，这类适配器市场比较常见，选择质量较好的电源适配器，可以保证网关处于相对稳定的状态。(三)无线遥控器设备硬件设计遥控器为智能照明设备网络中所需要的无线42济源职业技术学院学报手持设备，方便用户随意操纵照明设备。当用户拿着遥控器进入已经形成的ZigBee无线网络时，遥控器可自动搜寻ZigBee网关，加入到网络中，建立通信关系。遥控器让整个照明控制系统更为灵活，真正发挥了无线网络控制的优势。遥控器使用一片CC2430作为控制器和网络收发信号设备。在CC2430的典型外围电路中扩充一个4*4键盘矩阵，作为用户的输入按键，这些按键分别为数字0－9按键、“开灯”按键、“关灯”按键、“调亮”按键、“调暗”按键、“场景开始”按键、“自动模式”按键。电源采用3．0V的纽扣式锂电池供电。平时工作在休眠状态，当用户操作键盘时唤醒遥控器，起到了节电作用。通过智能开关单元、无线网关单元和无线遥控器等设备的硬件选型，让整个家居照明系统设计更加合理，充分展现了整个无线照明系统硬件的最优设计思想。三、系统软件设计无线智能照明系统不仅需要各个功能节点的硬件设备，还要有与之功能相对应的软件系统，从而完成一个指令的无线传输过程。本系统软件以各个功能节点为基础，设计了智能开关、智能网关、遥控器三个模块的工作流程，这里重点介绍其中两个模块。(一)智能网关的工作流程和软件实现智能网关在上电时，要完成设备信息表的设置，用户码地址码的配置，场景的配置等工作，并将所有配置信息存储在无线网关内部。同时无线网关将接收到的无线遥控器发来的遥控命令分析处理后，通过ZigBee发送给终端设备，智能开关收到命令后，执行相应的命令，同时将修改后的状态参数及时回传到智能网关中，由智能网关修改交互软件中的智能开关状态。其工作原理及流程如图4所示。图4智能网关工作流程图(二)遥控器工作流程及软件设计采用无线通信芯片CC2430的遥控器可以随时加入已组建的ZigBee无线网络中，进行遥控照明设备操作。用户按下功能键，即将信息传至智52白香芳，闫娜:一种无线智能家居照明系统的设计与研究能网关，然后智能网关将响应的控制指令发送至智能开关模块，从而改变照明设备的状态。首先判断所按键值，如果是数字键，记下要操作的地址码，等待下一个按键。如果下一按键为“开灯”、“关灯”、“调亮”、“调暗”，则直接将地址码和设置命令打包为一帧数据，发给无线网关，然后等待无线网关回应。如果数字键后按下“场景开始”键，则转向执行场景子程序，处理批量的照明设备。如果2秒内没有收到无线网关的回应，则重发一次。收到无线网关回应后，操作完成，进入休眠状态。休眠过程中如果有按键按下，CC2430被唤醒，唤醒30秒后没有收到正确的操作命令，则再次进入休眠状态。四、系统功能测试本系统的硬件结构和软件结构采用模块化设计，各模块调试成功后，再将所有模块连接起来。整个系统功能测试围绕无线网络的错误传输概率和吞吐量进行测试［4］。测试系统中共包含八个照明设备、智能开关和一个智能网关，系统将智能网关与上位机的串行口COM1相连，每一个智能开关控制一个照明设备，微处理器单片机STM32F103RBT6直接控制智能开关。上位机通过第三方软件串口调试助手向网络中发送数据，节点收到数据后经微处理器判断，如果该数据与自己相关，则将对应的状态数据返回，否则舍弃该数据。网关发送的字节数与接收的字节数相同，每发送一条数据帧，网络中有一对应节点返回其状态数据帧。在对协调器连续发送数据帧40分钟的情况下，发现丢包或误码现象只出现1次，系统未出现数据拥塞现象，系统网络运行状态良好。五、结语本系统采用低功耗的STM32F103RBT6和无线芯片CC2430作为核心芯片，完成照明设备的无线组网及遥控器的设计。通过接收到的指令对智能照明灯具进行软开关控制和明暗调节，完成了家庭终端单元的硬件设计和软件编制。该研究结果在某个无线智能家居照明系统中得以实现，结果证明了该系统设计的有效性，它具有成本低廉、节能方便等优点，能满足国内市场的需求，具有一定的应用前景。参考文献:［1］徐勇，栾晓明，王丹．基于ZigBee技术的智能照明系统设计［J］．国外电子测量技术，2010，(01)．［2］孟琳，陈万忠，韩双双．基于ZigBee技术的社区医疗管理系统［J］．微计算机信息，2009，(10)．［3］RafaelC．Gonzalez．DigitalIamgeProcessing［M］．Beijing:Electronicindustrypublishing，2008．［4］彭琴．智能家居照明控制系统研究［D］．重庆大学硕士学位论文．2011．［责任编辑赵冬玲］DesignandResearchofOneWirelessIntelligentHouseholdLightingSystemBAIXiang-fang1，YANNa2(1．JiyuanVocationalandTechnicalCollege，Jiyuan454650，Henan;2．YongchengVocationalCollege，Yongcheng47664，Henan)Abstract:Throughtheanalysisofdevelopmentofintelligenthomefurnishingathomeandabroad，awirelessnetworkintelligenthomefurnishinglightingsystemisbuiltbyusingSTM32F103RBT6asgatewayprocessorandCC2430asthewirelesscommunicationinterfacechip．Theresultsshowsthatthesystemisconvenientandenergy－savingwithacertainpracticalvalue．Keywords:intelligenthomefurnishing;lightingsystem;ZigBee62济源职业技术学院学报