基于ZigBee的自动感应照明系统

瞿思思 马琪 郑玲 黄欣阳 金远远

摘要：在居家生活中，常见的照明系統均为手动控制，当环境可见度较低，障碍物较多时，人们特别是老人与小孩行动多有不便，容易引发摔倒等安全隐患。目前市场上的自动照明装置，普遍为声控、光控，声控容易受到噪声干扰，光控不能避免监控盲区，具有不稳定性。而利用无线通信网络中的ZigBee协议设计的自动感应照明系统则可以很好地解决这一问题，保障人身安全，打造良好的生活环境。该文介绍了使用ZigBee协议的该系统的总体设计、分模块的功能介绍以及系统的现有优势。

关键词：无线网络;ZigBee;夜起自动照明;实践应用

目前人们的生活日益趋向轻松化、便捷化、智能化、高效化，所以智能家居是一大趋势。并且我国消费结构加速升级，95后成主流消费人群，而95后群体成长于经济和互联网高速发展的时代，智慧型家电已经成为其消费主流。且由于我国人口政策的调整，人口数量增多，在一些大型城市，照明电力能源的消耗已经成为一个较为严重的问题。在城市照明系统的建设中，必须采用相关技术对照明设备进行优化，保证能耗降低[3]。但是在市场上，可以提供的优质产品却仍存在巨大的供给缺口。起夜在大部分家庭中普遍存在，但是在夜间实际行动时，存在一定的不便性和危险性，比如猛然在长时间黑暗环境下开灯，视网膜受到灯光的强烈刺激，这种刺激传入脑内，会使人感到不舒服，同时觉得头晕目眩，明适应问题有待解决。市场现有的声控、光控灯都有固定的亮灯间隔，浪费能源，而且灯泡使用寿命较短，需要频繁更换，智能家居照明就成为市场刚需，去更好的延长灯泡使用寿命，节约能源。在相关领域内虽然已有类似的研究，但经过分析其所设计的系统采用的硬件对于人体识别度不高且使用限制条件较多。在综合考虑了集中当下较为热门的短距离通信技术后，认为Zigbee技术是适用于无线传感网络的最佳选择[1]。基于ZigBee的自动感应照明系统则正好解决了这些问题，具有较大的优势。

1 系统的总体设计

该系统包括了探测模块、控制模块、开关模块、通信模块、供电模块五大模块。当处于白天时，探测模块中的光敏传感器阻值增大，开关模块中双D触发器断开。当处于晚上时，光敏传感器的阻值减小，使得的双D触发器工作，人从反射式开关前面经过时，探测模块中的红外接收器收到信号，向控制模块发送信息，控制模块向第一控制电路以及位于厕所的控制模块发送消息。考虑到当人眼长期处于黑暗状态时，瞳孔放大，所以在第一控制电路上使得开关的可变电容改变，电流随之改变，电灯的亮度也缓慢增大，从而使得该系统设计更加人性化。

该系统首先通过卧室区域探测模块中的光敏传感器感应光照强度，判断目前是处于白天还是晚上，当检测到天黑时，发送信息给控制模块，此时控制模块会发送指令使得整套设备处于开启状态。当人首次进入房间时会开启房间的照明灯，走到床边后，安装在床头探测模块中的反射式光电开关接收到人体热辐射后将信息发送给通信模块，通信模块将网络信号转变为电信号后反馈给控制模块，控制模块发送指令使卧室的照明灯一定时间间隔后自动关闭。夜间起夜，当人坐起来的一瞬间，探测模块会立即接收人体热辐射信息，将信息发送给控制模块，此时控制模块根据接收到的消息做出判断，判断到人是要起夜，于是将判断得到的信息通过ZigBee通信协议卧室的通信模块传递给卫生间通信模块，此时卫生间通信模块将信息从网络信号转变为电信号后发送给它的控制模块，控制模块做出判断后发送指令控制开关模块打开照明灯，此时从卧室到卫生间的照明灯均处于打开状态，人便可在完全照明的情况下完成起夜。当人离开卫生间后卫生间探测模块检测到无人会反馈信息给它的控制模块，控制模块再次判断，确定无人后通过自己的通信模块传递信息给卧室通信模块，之后若床头探测模块再次接收到人体信息，发送给控制端，控制端判断人已经回到卧室并且走到床边，在此一小段时间间隔后控制端控制开关模块关闭照明灯。

2 系统的硬件设计

2.1 系统的模块设计

探测模块安装在开发板上，放在矩形元件盒内，元件盒后侧端四周有矩形安装板，安装板四周具有多个安装孔，元件盒通过安装板四周多个安装孔等安装在卧室床头的墙壁上，安装的高度高于床被40厘米左右，使用者在床上翻身等动作不会触发感应。

通信模块是在一个开发板上具有可以接收光敏、红外等传感器反馈的信息的模块，共有两块，分别安装在卧室和卫生间，两个模块可以通过ZigBee协议构成完整的通信通道，卧室的信息可经过通信模块传递给卫生间，反之亦然。

控制模块主要是根据通信模块和探测模块发送过来的信息做相关的判断，然后根据判断的结果输出命令到开关控制模块或者是卫生间的通信模块，此时触发器或者是卫生间通信模块可根据接收到的指令做出相应的动作。

开关控制模块是根据控制模块发送过来的信息做出开灯、关灯的动作，在这个模块中增加一个可变电容，使得做出开灯或者是关灯动作时，灯的亮度状态缓慢变化，即从关闭状态逐渐变亮到正常亮度和从正常亮度逐渐变暗直到关闭状态。

供电模块是为整套设系统提供电能，系统虽然涉及的区域范围比较广，但所需电能并不是太多，比较节能环保的。且此供电模块可以充电，能长时间使用。

2.2 反射式光电开关

该系统使用的光电开关是品牌CHUNZ/椿整、型号E3F-R2NK的反射式光电开关成品，在该系统内其与红外传感器作用一致。其具有两个电源输入端1及2脚、一个高电平输出端3脚，工作时在其前端探测头的发射头直线发射出的红外光束被人物阻挡、探测头前端的接收头接收到后高电平输出端会输出高电平，无人物阻挡时不输出高电平，最远探测距离2米。

2.3 双D触发器

该系统使用型号为CD4013双D触发集成电路。当第n个周期时，末端两分频的输出为高电压，输入时钟信号端的上升沿使分频电路工作;当第n+1个周期时，末端两分频输出为低电压，输入时钟信号端的下降沿使分频电路工作。双D触发集成电路的正极电源输入端14脚和继电器正极电源输入端及控制电源输入端连接，双D触发集成电路的时钟信号输入端3脚和第一只电阻一端连接，双D触发集成电路的反码输出端2脚、数据输入端5脚连接，双D触发集成电路的负极电源输入端7脚、直接复位端4脚、直接置位端6脚和三极管发射极连接，双D触发集成电路的原码输出端1脚和第二只电阻一端连接，至此完成双D出发器在开发板上的安装。

2.4 无线发射/接收电路

该系统使用的无线发射电路模块是型号ZYO300-A72的无线发射电路模块成品，其具有四个按键，分别按下时可发射四路无线控制信号，其内部具有编码电路，通过编码电路编码，可防止附近相同型号的无线发射电路模块发射的无线信号相互干扰。该系统使用的无线接收电路包括型号ZYO300-A72的无线接收电路模块成品、电阻、NPN三极管和继电器。无线接收电路模块成品的正极电源输入端1脚和继电器正极电源输入端连接，无线接收电路模块成品的第一个输出端4脚和电阻一端连接，电阻另一端和NPN三极管基极连接，NPN三极管集电极和继电器负极电源输入端连接，无线接收电路模块成品的负极电源输入端3脚和NPN三极管发射极连接，无线接收电路模块的2、5、6、7脚悬空。至此完成无线接收电路在开发板上的安装。

3 系统的优势描述

1）我国为世界第一大人口国，人口众多，幅员辽阔，巨大的人口基数为我们提供了广阔的市场。现有数据表明，我国人口老年化趋势愈发明显，而自2016年已全面开放二胎政策。那对老人小孩这些弱势群体，该系统将对他们十分便利，也能提高家庭系统的安全指数和科技指数。与该系统类似的技术还没有普及，目前市场占有率很低，需求量巨大，市场前景可观。

2）使用ZigBee协议设计的自动感应照明系统先进、成熟、稳定、低功耗且时延短;设备的安装简单不需施工、便于快速部署、使用方便、灵活性高、更绿色环保，适用范围广[2]。该系统装有睡眠终端节点，该节点如果在休眠时，其射频接收会处于关闭状态，只有当发送后等待应答及请求数据时才会打开，在非工作时会立即进入睡眠模式。

3）国家大力扶持战略型新兴产业，涵盖了新一代信息技术产业、节能环保产业等领域。具体可见《战略性新兴产业分类（2018）》，正在大力引导与推广节能环保产业;《“十三五”节能减排综合工作方案》《关于加快推进重点用能单位能耗在线监测系统建设的通知》等红头文件相继出台，对该系统的未来发展提供了很好的帮助。

4 结束语

当前多数人们的家庭使用的照明系统都是手动控制，用户体验差且极易造成人们夜起困难以及电力资源浪费的情况，自动照明系统能在人们下床时自动打开卧室及卫生间照明灯，上床后能自动关闭卧室灯和卫生间灯的控制装备，通过系统感知层的光照和人体感应传感器的作用，可以实现感知区域照明设备的自动控制。自动照明系统的设计与实施，可以实现电灯的智能控制，从而可以有效地减少电量浪费，延长灯具的使用寿命。更重要的是在给人们带来方便和节能的同时，极大减少了人们因为夜起造成意外的可能性。因此基于ZigBee协议的自动感应照明系统的研发具有较好的应用空间。

参考文献：

[1] 王风.基于CC2530的ZigBee無线传感器网络的设计与实现[D].西安：西安电子科技大学，2012.

[2] 昂志敏，金海红，范之国，等.基于ZigBee的无线传感器网络节点的设计与通信实现[J].现代电子技术，2007，30（10）：47-49，57.

[3] 孙海艳，陈伟，王娜.基于ZigBee无线传感器网络的智能照明系统设计与实现[J].现代电子技术，2017，40（11）：183-186.

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