宋俊慷 王坊 盧丁銘

文章編號(hào)： 2095-2163（2018）03-0169-03中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

摘要： 關(guān)鍵詞： （College of Physics and Electronic Engineering， Guangxi Normal University for Nationalities， Chongzuo Guangxi 532200， China）

Abstract： Taking the household lighting control system as the research object， the design scheme of wireless household lighting control system is expounded. The system adopts the wireless Internet of things technology， which not only realizes the wireless transmission of the control signal of the household lighting device， but also controls the working state of the household lighting device with the smart phone in the room， therefore provides the flexible control mode.The system effectively reduces the complexity of wiring in household lighting system， and controls the household lighting device flexibly and conveniently. The test results prove the feasibility of the design of the system.

Key words：

基金項(xiàng)目：

作者簡(jiǎn)介：

通訊作者： 收稿日期： 引言

隨著城市建設(shè)規(guī)模的增長(zhǎng)與質(zhì)量的穩(wěn)步提升，與人們生活密切相關(guān)的室內(nèi)照明工程的科技融入研發(fā)即已成為吸引各界關(guān)注的熱點(diǎn)內(nèi)容。其中，家用照明裝置也已然呈現(xiàn)出多功能集成及智能化控制的潮流引領(lǐng)態(tài)勢(shì)。傳統(tǒng)室內(nèi)照明的管理方式已經(jīng)難以適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展需求[1]，人們對(duì)家用照明裝置控制方案舒適度的追求正日趨突出與迫切。為提高室內(nèi)家用照明的管控水平，設(shè)計(jì)展開家用照明裝置無(wú)線控制系統(tǒng)的研究則已勢(shì)在必行，同時(shí)也還具備著良好有益的社會(huì)實(shí)用價(jià)值[2]。

傳統(tǒng)家用照明控制設(shè)備對(duì)家居每一處照明裝置的操作均是孤立行為，照明裝置難以獲得靈活控制。一方面，家用照明裝置采用有線控制方法，使得室內(nèi)電線布局復(fù)雜，而且也提高了布線成本；另一方面，隨著室內(nèi)照明工程的高端升級(jí)，控制開關(guān)檔位也隨即增加了技能處理的復(fù)雜程度[3]。

本文即以現(xiàn)實(shí)應(yīng)用背景為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)開發(fā)了用戶可以通過(guò)智能手機(jī)對(duì)家用照明裝置進(jìn)行無(wú)線控制的便捷方式[4-7]。解決了傳統(tǒng)室內(nèi)照明控制系統(tǒng)的一系列缺陷與不足，有效降低了室內(nèi)照明布線的復(fù)雜程度，在節(jié)約資源的基礎(chǔ)上使家用照明裝置能更加方便地做到科學(xué)集中管理[8-9]。1家用照明裝置無(wú)線控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

建立如圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所部署規(guī)劃的家用照明裝置無(wú)線控制系統(tǒng)，從而完成對(duì)家用照明裝置的控制。系統(tǒng)主要由控制節(jié)點(diǎn)、中心節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)軟件3部分構(gòu)成。其中，控制節(jié)點(diǎn)用于接收中心節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)照明裝置的控制；中心節(jié)點(diǎn)接收上位機(jī)下發(fā)的控制命令，將其轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的控制節(jié)點(diǎn)；上位機(jī)由電腦和智能手機(jī)2部分組成，兩者均可實(shí)現(xiàn)對(duì)家用照明系統(tǒng)控制命令的發(fā)送。

整個(gè)家用照明裝置無(wú)線控制系統(tǒng)具有3層結(jié)構(gòu)，對(duì)其功能可闡析分述如下。

（1）分布式控制層，由各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。該層定制功能是在控制室內(nèi)各照明裝置工作狀態(tài)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)構(gòu)建與數(shù)據(jù)匯集層設(shè)備的數(shù)據(jù)組網(wǎng)通信。

（2）數(shù)據(jù)匯集層，由中心節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。該層設(shè)計(jì)功能是接收來(lái)自人機(jī)交互層下發(fā)的照明控制指令，并轉(zhuǎn)發(fā)至室內(nèi)各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)。

（3）照明控制人機(jī)交互端，由上位機(jī)構(gòu)成。該層重點(diǎn)是通過(guò)人機(jī)交互生成照明控制命令，并下發(fā)給數(shù)據(jù)匯集層的中心節(jié)點(diǎn)。

2系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)

2.1上位機(jī)軟件概述

上位機(jī)軟件分為計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序和手機(jī)App程序2部分。各部分的功能設(shè)計(jì)可見如下。

計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序通過(guò)串口通信程序和Socket通信程序來(lái)研發(fā)建立手機(jī)App與中心節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通路。手機(jī)App程序通過(guò)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)相連接向計(jì)算機(jī)發(fā)送控制命令，計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序間接將手機(jī)發(fā)送的控制命令通過(guò)USB轉(zhuǎn)串行通信下發(fā)至中心節(jié)點(diǎn)。

2.2關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1組網(wǎng)通信設(shè)計(jì)

控制節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路采用ZigBee組網(wǎng)通信技術(shù)。本設(shè)計(jì)采用由TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片作為ZigBee組網(wǎng)通信的核心。CC2530是TI公司推出的新一代片上系統(tǒng)芯片，采用表面貼裝工藝批量生產(chǎn)，一致性好，可靠性高；芯片工作在2.4 GHz的ISM頻段，芯片數(shù)字I/O端口全部引出，應(yīng)用廣泛并免除了客戶射頻開發(fā)的困難；軟件方面支持TI-MAC、SimpliciTI、Z-Stack、RemoTI等軟件包，方便客戶開發(fā)符合IEEE 802.15.4、ZigBee2007、ZigBee Pro和ZigBee RF4CE等標(biāo)準(zhǔn)或其它非標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。芯片體積小巧，采用外置SMA天線接口設(shè)計(jì)，增益大，接收靈敏度高，通信距離遠(yuǎn)。

CC2530的內(nèi)置資源包括：?jiǎn)沃芷诘?051兼容內(nèi)核、8 kB的靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、21個(gè)數(shù)字I/O引腳、5個(gè)獨(dú)立的直接內(nèi)存存取通道、1個(gè)獨(dú)立16位定時(shí)器、2個(gè)8位定時(shí)器、1個(gè)睡眠定時(shí)器、1路8通道14位AD接口、1個(gè)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、1個(gè)AES外部協(xié)處理器、4個(gè)可選定時(shí)器間隔的看門狗、1個(gè)高性能的射頻收發(fā)器、2個(gè)USART接口。CC2530有40個(gè)引腳，引腳按功能排布，其最小系統(tǒng)包含了芯片工作時(shí)的基本核心電路部分，也就是：電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、仿真接口和無(wú)線射頻。這里，給出最小系統(tǒng)主要外圍電路如圖2所示。

2.2.2控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

控制節(jié)點(diǎn)在使用CC2530最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加繼電器控制接口。通過(guò)操作CC2530的P1管腳的I/O端口來(lái)控制繼電器，實(shí)現(xiàn)對(duì)照明裝置的工作狀態(tài)的控制。CC2530與繼電器控制接口設(shè)計(jì)原理即如圖3所示。

控制節(jié)點(diǎn)軟件的設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

控制節(jié)點(diǎn)CC2530芯片在啟動(dòng)后即以ZigBee組網(wǎng)終端模式來(lái)初始化自身的硬件資源，包括通道、頻率、I/O端口等等；其次，發(fā)出網(wǎng)絡(luò)加入信號(hào)，向其通信范圍內(nèi)的Zigbee協(xié)調(diào)器申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)；如果收到成功入網(wǎng)的應(yīng)答信號(hào)，則轉(zhuǎn)至低功耗狀態(tài)。如果加入網(wǎng)絡(luò)失敗，則繼續(xù)發(fā)送申請(qǐng)信號(hào)，直到成功加入一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器組建的網(wǎng)絡(luò)為止；最后，成功加入網(wǎng)絡(luò)、并選取低功耗模式后就要等待系統(tǒng)初始化時(shí)預(yù)置的數(shù)據(jù)傳輸命令。一旦數(shù)據(jù)傳輸命令激活，則調(diào)取等待數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)照明控制命令控制繼電器工作狀態(tài)。

2.2.3中心節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)依然以CC2530最小系統(tǒng)為核心，在此基礎(chǔ)上添加CH340G型USB串行通信接口來(lái)與計(jì)算機(jī)實(shí)際建立數(shù)據(jù)連接。CH340G的結(jié)構(gòu)原理即如圖5所示。

數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)的CC2530芯片在以協(xié)調(diào)器功能啟動(dòng)后，將會(huì)進(jìn)行ZigBee的網(wǎng)絡(luò)初始化，這樣也就確定了網(wǎng)絡(luò)的信道和PAN ID。此后就進(jìn)入無(wú)線監(jiān)控狀態(tài)對(duì)其通信范圍內(nèi)的申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)展開監(jiān)測(cè)。當(dāng)接收到有節(jié)點(diǎn)需要申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，在資源允許的情況下，便為該申請(qǐng)加入的節(jié)點(diǎn)分配指定的網(wǎng)絡(luò)資源和地址。如果暫無(wú)申請(qǐng)信號(hào)，則查詢其與上位機(jī)連接的串行通信接口是否接收到上位機(jī)發(fā)送的控制命令。若并未收到，就繼續(xù)對(duì)周邊加入網(wǎng)絡(luò)的申請(qǐng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；若上位機(jī)發(fā)送了照明裝置控制命令，則將該次獲取的命令發(fā)送至已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)中對(duì)應(yīng)的控制節(jié)點(diǎn)。

3測(cè)試與評(píng)估

測(cè)試系統(tǒng)如圖7所示。

整個(gè)系統(tǒng)測(cè)試使用2個(gè)自行設(shè)計(jì)的LED燈模擬家用照明裝置，分別對(duì)客廳和臥室的照明裝置指配現(xiàn)場(chǎng)模擬。系統(tǒng)運(yùn)行后可知，2個(gè)控制節(jié)點(diǎn)通過(guò)繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)2個(gè)模擬家用照明裝置的控制；中心節(jié)點(diǎn)可實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)上位機(jī)下發(fā)的控制命令至對(duì)應(yīng)的控制節(jié)點(diǎn)。

4結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)可以看出，根據(jù)家用照明工程的需求機(jī)制特點(diǎn)，使用物聯(lián)網(wǎng)ZigBee組網(wǎng)通信可以有效實(shí)現(xiàn)家用照明裝置的無(wú)線組網(wǎng)通信控制。在此基礎(chǔ)上，使用手機(jī)App和計(jì)算機(jī)通信軟件就可對(duì)家用照明裝置施以靈活控制，使家用照明工程應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展更趨系統(tǒng)化、數(shù)字化和智能化。

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