基于Zig Bee技术的智能调光开关设计*

李治斌， 邓小芳， 张余明， 廖业高

(1.桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004；

2.桂林电子科技大学 认知无线电与信息处理省部共建教育部重点实验室，广西 桂林 541004；

3.广西瀚特信息产业股份有限公司，广西 桂林 541004；

4.中国电信广西分公司，广西 南宁 530012)

0 引 言

物联网作为一种新兴的技术越来越受到人们的关注。它是通过无线传感器网络技术、射频识别技术等，将物理世界中的实体连接到因特网上来完成智能识别和管理。在物联网环境下，人们可以通过各种设备全天候获得特定服务。不仅仅是通过个人电脑，那些连接到互联网的智能终端也可以方便地为人们提供信息和执行决策[1]。作为物联网的典型应用，智能家居业务发展备受瞩目。智能家居是通过在住宅安装传感器用于观察环境并由设备提供主动式服务来达到改善居住者的体验的目的[2]。智能家居可以让用户有更便捷的方式来管理家用设备,使多个设备形成联动,而且,智能家居中的各个设备可以相互间通信,在没有用户指挥的时候也能根据不同的状态互动地运行,从而为用户带来更好的高效、舒适、方便和安全的家居环境[3]。智能家居系统从以PC为控制中心逐渐变为以嵌入式家庭网关为核心的智能控制系统[4]。基于Zig Bee技术的物联网智能家居系统与以前的主机式集中控制系统的最大区别是采用Zig Bee组网通信方式，省去了复杂、困难的布线工作，降低了成本，实现了家居的智能化[5]。

本文设计的基于Zig Bee技术的智能调光开关，在充分考虑用户的需求后，通过对传统开关进行改进，在其中加入Zig Bee模块，使得该智能调光开关可以和整个智能家居系统组成一个网络，可达到对家庭照明环境的全天候、多手段的监视和控制。

1 系统硬件电路设计

智能调光开关模块包括6个模块,其硬件结构框架如图1所示。1)LPC2132微控制器模块负责采集模拟量信息、开关量信息和与Zig Bee模块进行信息交互；2)电源模块主要是根据不同的电路模块对电压的不同需求，将输入的电压转换成电路元器件适应的电压；3)模拟量采集模块主要是检测市电的过零点信号，将检测到的过零点信号输入到LPC2132微控制器模块供其使用；4)开关量采集驱动模块由2个按键构成，按下后产生一个低电平信号，当检测到此触发信号时判断其是调节加信号还是调节减信号，驱动可控硅导通时间点，实现灯光亮度调节；5)Zig Bee模块的无线收发部分可以与Zig Bee智能网关进行信息交互，利用其接收到的用户指令转换成开关调节信息发送给LPC2132微控制器模块；6)JTAG模块用于对微控制器模块中的程序进行更新，方便以后的升级。

图1 智能调光开关硬件结构框架图

1.1 微控制器模块

微控制器模块相当于人体的大脑，其完成对各个模块的控制和协调整个系统的工作[6]。本系统微控制模块选择的是ARM7系列的LPC2132芯片。极小的封装、极低的功耗和丰富的定时器使LPC2132可理想地用于智能调光开关系统中。为了提高系统的整体可靠性，复位电路采用微处理器电压监视器MAX811，并采用手动复位方式。当按键S3被按下后，由MAX811的/RESET引脚向LPC2132的/RESET输出复位信号。微控制器模块电路图如图2所示。

图2 微控制器模块电路

1.2 电源模块

由于灯泡采用的是市电供电，而LPC2132和Zig Bee芯片需要3.3 V供电，所以，必须设计电源模块将市电降压到3.3 V。将交流市电采用整流滤波后再由变压器降压后得到VCC为12 V。输入电压(12 V)通过U1和外围电路后输出VDD为3.3 V，即为LPC2132和CC2530芯片供电。电源模块电路图如图3所示。

图3 电源电路

1.3 模拟量采集模块

智能调光开关是通过检测市电信号的零点后，开启延时计时器，根据所需亮度大小的要求，调整触发的时间即控制可控硅的导通时间。精确地检测市电的零点信号是整个系统的可靠保障。本系统采用将220V交流电压经过电阻器限流后直接加到光电耦合器EL354N的两端。在交流电源正弦波过零的瞬间，光电耦合器产生一低电平脉冲信号作为LPC2132的中断请求信号。模拟量采集模块电路图如图4所示。

图4 模拟量采集电路

1.4 开关量采集驱动模块

按键S1和S2分别完成调节亮度加和调节亮度减的功能，可将其直接连到LPC2132的I/O端口，当有按键按下时，产生一低电平触发输入到LPC2132，LPC2132提取触发信号的下降沿获得定时信号。对零点信号延时后，LPC2132发出驱动信号给光电耦合器ELM3064，光电耦合器导通后给双向可控硅一个触发电压，此时交流电就接到了灯泡两端。开关量采集驱动模块电路图如图5所示。

图5 开关量采集驱动模块电路

1.5 Zig Bee模块

Zig Bee模块是整个系统组网和控制的核心,采用德州仪器(TI)Zig Bee射频芯片CC2530，CC2530提供了101dB的链路质量，高的接收器灵敏度和强的抗干扰性，4种供电模式，以及一套广泛的外设集,包括2个USART、12位ADC和21个通用GPIO等[7]。CC2530配备TI的一个标准兼容或专有的网络协议栈来简化开发，缩短开发周期。Zig Bee模块中主时钟晶振采用32 MHz无源晶振和32.768 kHz时钟晶振，射频收发模块外围电路采用阻抗匹配网络，天线使用50 Ω 鞭状负极性天线[8]。Zig Bee模块电路图如图6所示。

图6 Zig Bee模块电路

1.6 JTAG模块

JTAG接口用于系统仿真和调试。标准的JTAG接口是4线的：TMS,TCK,TDI和TDO，分别为测试选择、测试时钟、测试数据输入和测试数据输出。本系统采用20针的JTAG接口。除了上面4根线，还有nTRST,RTCK和nRESET，分别为测试系统复位信号、测试时钟返回信号和目标系统复位信号。

2 主要软件设计

2.1 微控制器模块程序

微控制器模块程序设计采用了ADS1.2软件编程环境。微控制器模块作为系统的核心模块，主要完成检测过零信号、开启延时定时器、发出驱动信号、检测按键信号及与Zig Bee模块通信。当模块上电后，调光控制端口置零，此时灯光不亮。接着完成端口初始化和T0,T1定时器和PWM定时器初始化。当系统执行过零检测程序后将检测后的过零时间点作为延时定时器的起点。系统一直检测是否有按键消息或者来自Zig Bee模块的控制信号。如果检测到该类信号，将其转换成定时器的不同定时时长。当定时器超时后发出PWM驱动电压信号，可控硅导通，灯泡被点亮。微控制器模块程序流程图如图7所示。

图7 微控制器模块程序流程图

2.2 Zig Bee模块程序

Zig Bee模块程序设计采用了IAR开发环境和TI公司提供的ZStack协议栈框架，编写了实现所需功能的APS层部分。ZStack协议栈是基于Zig Bee联盟新发布技术规范Zig Bee PRO开发而成的[9]。程序框架采用了Sample程序实例的结构，使得系统的开发周期大大缩短。当系统上电后，程序首先初始化CC2530，然后初始化I/O口和协议栈，并开始发送加入网络信号，等待Zig Bee智能网关响应，并给自己分配网络地址[10]。成功加入网络后，系统进入监控状态，当有新消息发生时，执行相应应用层处理函数。Zig Bee模块程序流程图如图8所示。

图8 Zig Bee模块程序流程图

3 测试结果与性能分析

通过对实际电路的测试，本系统的智能调光开关和Zig Bee智能网关的有效通信距离可以达到50 m以上，接收数据时电流为23 mA，发送数据时电流为33 mA。在实验室环境下进行了系统运行测试，灯泡选择额定电压220 V、额定功率25 W的白色白炽灯。接上220 V交流电后，测得电源模块VCC端电压为11.9 V，VDD端电压为3.3 V，满足正常供电要求。实验中设置了五档调光级别，分别测试了每档调光级别的灯泡两端电压、电流、实际功率，经测试均满足设定要求。测试结果如表1所示。

表1 测试结果

4 结束语

随着生活品质的提高，人们越来越追求家居环境的智能化和舒适性。本文采用的基于Zig Bee技术设计的智能调光开关可以实现利用智能终端对家居照明环境进行控制

和调节。经测试，系统各模块均正常工作,且实现了通过手机和平板电脑安装客户端软件后，对测试环境中的灯泡进行调光操作。本开关安装方便，无需重新布线，可扩展性强，具有很强的实用性，适合家庭住宅、公寓、公司写字楼等场所推广使用，具有很好的市场前景。

参考文献:

[1]Yuan X R,Peng S G.A research on secure smart home based on the Internet of things[C]∥IEEE International Conference on Information Science and Technology,Wuhan:IEEE,2012:737-740.

[2]Dan D,Rory A C,Paul F P,et al.Sensor technology for smart homes[J].Maturitas,2011,69(2):131-136.

[3]李 睿.基于Zig Bee的移动智能终端在物联网智能家居中的应用[D].北京：北京邮电大学,2011:1-7.

[4]芦 宁.Zig Bee无线技术在智能家居中的应用[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006:1-5.

[5]童晓渝，房秉毅，张云勇.物联网智能家居发展分析[J].移动通信，2010,34 (9)：16-20.

[6]朱延生，蒋 泰，佘 智.基于ARM的公交优先控制器的设计[J].广西科学院学报，2012,28(1):55-58.

[7]Texas Instruments.CC2530 data sheet [EB/OL].[2010—10—05].http:∥www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cc2530.pdf.

[8]吕海洋，钱正洪，白 茹，等.基于GMR传感器的Zig Bee无线车辆检测系统设计[J].传感器与微系统，2013,32(3)：127-130.

[9]吴光荣，章剑雄.基于Zig Bee技术的无线智能照明系统[J].现代电子技术，2008,14(1)：67-69.

[10] 徐 勇，栾晓明，王 丹.基于Zig Bee技术的智能照明系统设计[J].研究与开发，2010,29(1)：42-45.