基于zigbee的夜起自動照明系統(tǒng)

王青青 高宏宇 袁海潮

摘要：目前，我國家庭中的照明設(shè)備大多屬于人工操作控制，這種方法不僅需人力主動去控制，并且在晚上夜起時操作不便。現(xiàn)今科技技術(shù)發(fā)展迅速，我們可利用新興的技術(shù)實現(xiàn)夜起自動照明系統(tǒng)?；谌藗円蛊鸬男枨?，設(shè)計一種夜起自動照明系統(tǒng)：系統(tǒng)主要使用傳感器檢測技術(shù)及ZigBee無線通信技術(shù)，通過傳感器采集壓力值、光照值，然后處理數(shù)據(jù)進(jìn)而控制照明。

本文將ZigBee技術(shù)應(yīng)用到夜起自動照明系統(tǒng)中，主要完成了對節(jié)點的設(shè)計工作。系統(tǒng)整體主要包括信息的采集，ZigBee的無線通信以及外圍的電路等。軟件程序是在Z-stack協(xié)議棧的基礎(chǔ)上進(jìn)行的程序設(shè)計，包括數(shù)據(jù)的采集和無線通信程序。

關(guān)鍵詞：夜起自動照明;zigbee技術(shù);傳感器;CC2530

中圖分類號：TP3? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：1009-3044（2018）34-0224-03

隨著國內(nèi)老齡化形勢的加竣，獨居老人也隨之增多，多數(shù)老年人的行為行動受到身體健康狀況的影響導(dǎo)致行為行動不是很方便，尤其是在夜間生活中的起居，對他們平時的生活造成了一些困擾，基于此類社會中老年人起居不便的問題，設(shè)計了一套夜起自動照明系統(tǒng)的方案，將原本需要人為操控開關(guān)的傳統(tǒng)照明系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為無須人為操控的智能化管理。

自動照明系統(tǒng)對于人們的日常生活也有極大的方便性，實現(xiàn)照明的人性化、智能化。通過傳感器和ZigBee無線通信技術(shù)實現(xiàn)夜起自動照明，以此來解決老年人夜起的不便性，此系統(tǒng)適合老年人的家中、養(yǎng)老院、福利院等夜間行為不便的住所，具有非常重要的實用性。將傳統(tǒng)的人為開關(guān)照明，轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄茏詣踊彰鳎?zhǔn)時的進(jìn)行智能自動開關(guān)，以使系統(tǒng)能夠最大限度地節(jié)約能源的損耗。

1 國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及前景

1.1 ZigBee簡介

ZigBee技術(shù)主要是基于IEE802.15.4的國際無線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議而開發(fā)的一種面向應(yīng)用軟件的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，此協(xié)議技術(shù)承載著短距離，低功耗等優(yōu)點的無線通信技術(shù)。ZigBee技術(shù)并且是一種短距離，低功耗的無線通信技術(shù)協(xié)議，其特點是復(fù)雜度低、功耗較低、低數(shù)據(jù)速率、成本較為低，主要應(yīng)用于自動和遠(yuǎn)程控制，它能嵌入于各種設(shè)備之中。

1.2 ZigBee技術(shù)主要特點

1）低功耗：其技術(shù)僅使用兩節(jié)5號電池，低功耗模式的情況下就可以支持一個節(jié)點維持其工作6-24個月的時間，這就是ZigBee技術(shù)的突出優(yōu)勢功耗低。

2）低成本：一方面通過降低簡化協(xié)議程度的措施，使其達(dá)到了對于通信控制器的要求，據(jù)分析預(yù)測，其主節(jié)點僅需要全功能的32KB代碼，其子功能節(jié)點則需4KB代碼，其ZigBee每塊芯片的價格大約為2美金，價格較為低廉。

3）低速率：ZigBee技術(shù)工作在速度為20-250kbps之間，封閉的俄羅斯提供250kbps（2.4GHz）、40kbps（915MHz）和原始數(shù)據(jù)吞吐量達(dá)到20kbps（868）的傳輸率，基本滿足了應(yīng)用需要的數(shù)據(jù)傳輸率較低的需求。

4）附近的：其數(shù)據(jù)傳輸范圍在10m-100m時，增大RF發(fā)送功率后，可提高至1-3公里相鄰節(jié)點的傳輸距離。若中斷路線，僅通過節(jié)點之間的通信，其傳輸?shù)木嚯x更遠(yuǎn)。

5）短延遲：ZigBee的響應(yīng)速度只需在15ms的時間內(nèi)即可迅速進(jìn)入從睡眠的工作狀態(tài)，且節(jié)點連接進(jìn)網(wǎng)絡(luò)僅需30毫秒，從而達(dá)到節(jié)約能源的目的。藍(lán)牙則需3-10秒，無線網(wǎng)絡(luò)則需3秒，所以相比較下，有很大的優(yōu)勢。

1.3 ZigBee應(yīng)用前景

ZigBee具有廣泛應(yīng)用前景。 ZigBee有望在未來短短幾年里面，普通家庭都會用有ZigBee的設(shè)備，實現(xiàn)日常生活功能，其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括以下幾個方面：

1）家庭和建立網(wǎng)絡(luò)：溫度控制空調(diào)系統(tǒng)，自動照明控制，窗簾自動控制。

2）工業(yè)中的控制：各式各樣的監(jiān)控器，自動化和控制。

3）經(jīng)營范圍：傳感器、玩具等控制領(lǐng)域。

4）公共場所：空調(diào)系統(tǒng)的溫度控制器、燈光和窗簾的自動控制、汽車站火車站等地區(qū)的煙霧探測器。

5）農(nóng)業(yè)：用于對農(nóng)田領(lǐng)域溫濕度參數(shù)的及時了解，林木防火監(jiān)控。

6）醫(yī)療：用于老年人和行動不便的醫(yī)患者之間的緊急呼叫器。

2 需求分析與整體系統(tǒng)設(shè)計

2.1 需求分析

根據(jù)21世紀(jì)初全國第五次人口普查顯示，65歲以上老年人達(dá)到了8811萬人，占總?cè)丝诘?.96%;60歲以上的老年人口則達(dá)到1.3億人，占總?cè)丝诘?0.2%。按照國際標(biāo)準(zhǔn)的65歲以上的老年人口占總?cè)丝诘?%，在2000年，我國就已經(jīng)邁入老年型社會。老齡化已經(jīng)成為21世紀(jì)不能逆轉(zhuǎn)的趨勢，與1953年的第一次老年人口普查對比，增長了2.36倍，平均年增2.6%，近幾年來老齡化速度加快，每年都以3%的速度增長，并且80歲以上的高齡人口同樣以百萬人的速度增長。

隨著家庭老年人增多，而且老年人精神差，睡眠差 ，需要多次夜起，若繼續(xù)沿用傳統(tǒng)的人工開關(guān)燈光的方式，這樣就極大地增加了老年人夜起的負(fù)擔(dān)。

傳統(tǒng)開關(guān)照明存在的問題：

1）用戶需要時刻手動開關(guān);

2）增加老年人的負(fù)擔(dān);

3）對于開關(guān)，若沒有及時關(guān)閉，則會影響能源的損耗。

2.2 整體系統(tǒng)設(shè)計概述

本系統(tǒng)主要使用傳感器檢測技術(shù)以及ZigBee無線通信技術(shù)，無須布線，僅需要在地毯上安裝配有壓力傳感器、光敏傳感器的ZigBee的終端節(jié)點即可，通過安裝的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集處理：

1）當(dāng)傳感器對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集后對無光照值有壓力值條件時的情況（設(shè)定為夜間起床），此時通過ZigBee無線通信發(fā)送控制指令，從而打開臥室和洗手間的燈光。

2）當(dāng)傳感器對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集后對僅有光照值時的情況（設(shè)定為白天或有燈光開啟的狀態(tài)），有無壓力的狀態(tài)下均不做任何操作。

3）當(dāng)人回到床上繼續(xù)睡覺后，ZigBee節(jié)點會通過紅外傳感器監(jiān)測是否有人，若無人，等待幾秒后自動關(guān)閉燈光，同時通過ZigBee節(jié)點發(fā)送信息到另一個節(jié)點，隨之也自動關(guān)閉。

整體系統(tǒng)框圖如圖1所示：

2.3系統(tǒng)整體設(shè)計方案

系統(tǒng)由多個節(jié)點共同組成的ZigBee網(wǎng)絡(luò)和多個傳感器檢測系統(tǒng)組成，開燈時，先檢測光照，無光照時檢測是否存在壓力值，如果滿足有壓力產(chǎn)生的條件，則會發(fā)送開燈命令，自動打開燈光;關(guān)燈時，先檢測是否有光照值，判斷燈光是否開啟，若燈光打開，則判斷是否有人，當(dāng)達(dá)到系統(tǒng)的預(yù)設(shè)時間，則會發(fā)送關(guān)燈命令，燈光則會自動關(guān)閉。

系統(tǒng)流程圖如圖2所示：

3 系統(tǒng)硬件選擇以及傳感器選型

3.1 CC2530芯片簡介

CC2530是隸屬于Chipcon公司生產(chǎn)的第一款單芯片，此芯片結(jié)合了最領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能、業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)化的增強型的8051CPU處理、以及系統(tǒng)內(nèi)部可編程閃存、8-KB ARM等其他強大的功能，此芯片擁有2.4GHz的無線電系統(tǒng)并且適用于2.4GHz主頻之外的設(shè)備，完全符合了ZigBee的標(biāo)準(zhǔn)。CC2530芯片還結(jié)合了德州儀器業(yè)界中相對領(lǐng)先的ZigBee協(xié)議棧（Z-Stack?），為使用者提供了一個強大并且完整的解決方案。

CC2530芯片的具體特點如下：

[1]具有低功耗，和高性能的8051 CPU微控制器內(nèi)核;

[2]芯片使用2.4_GHz的IEEE 802.15.4 RF收發(fā)器;

[3]其芯片配有8路可輸入和可配置分辨率的12位ADC;

[4]具備高級加密標(biāo)準(zhǔn)的AES安全處理器;

[5]CC2530芯片具備硬件支持的條件，從而避免載波偵聽多址（CSMA-CA）沖突。

CC2530芯片和結(jié)構(gòu)圖如圖3、圖4所示。

3.2 傳感器選型

3.2.1 光敏傳感器

光敏傳感器的工作原理是在黑暗環(huán)境里，電阻值變高，當(dāng)其接受到光照，光子能量的通過率大于半導(dǎo)體材料的拒止寬度，流動的電子吸收一個光子的能量后可通過極板，攜帶一個帶著正電荷的電子，從而導(dǎo)致光敏傳感器的阻值下降;光照度消失后，光敏傳感器的阻值恢復(fù)正常。當(dāng)在光敏傳感器兩端的正負(fù)極加上電源時，光敏傳感器便會有電流通過，當(dāng)受到光照射時，電流就會隨光照強度變化而變化，因此可以實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。我們選用光敏電阻，光敏電阻是以半導(dǎo)體材料制成的電阻傳感器，可對光進(jìn)行檢測控制以及對光電進(jìn)行轉(zhuǎn)換。如圖5所示：

3.2.2 壓力傳感器

工作原理壓力傳感器承載重物時，彈性體受到外力的作用，其應(yīng)變片的金屬絲長度和橫截面積發(fā)生改變。受壓時應(yīng)變片的金屬絲的長度變短、橫截面積增加，電阻值變小;反之受到拉伸時，應(yīng)變片的金屬絲長度變長，橫截面積變小，電阻值變大。于此選用1KG電阻應(yīng)變式壓力傳感器，傳感器如圖6所示。

3.2.3 紅外傳感器

紅外傳感器主要由光學(xué)系統(tǒng)、檢測元件、轉(zhuǎn)換電路三部分組成，其中光學(xué)系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)不同主要分投射類、反射類兩種。其檢測元件主要分為熱敏檢測元件和光電檢測元件。內(nèi)置的紅外傳感器是一種主要利用紅外的物理性質(zhì)，從而進(jìn)行測量的傳感器，測量時不與被測物體進(jìn)行直接接觸，無摩擦，并且具有高靈敏，反應(yīng)快的優(yōu)點。

4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

4.1 ZigBee的簡介

CC2530是以IAR Embedded Workbench for 8051 8.10 為基礎(chǔ)開發(fā)環(huán)境。本設(shè)計是以Z-Stack2006 ZigBee 協(xié)議棧作為 CC2530 的開發(fā)平臺，且其中每一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳輸距離可從標(biāo)準(zhǔn)的75米擴展至幾百米幾公里的傳輸距離。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點本身可以監(jiān)控，對傳感器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)控，自動中轉(zhuǎn)其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)資料;同時每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可在本身信號覆蓋下的范圍內(nèi)和多個不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)的孤立子節(jié)點無線連接。每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可支持31個傳感器和受控設(shè)備，且每個傳感器和受控設(shè)備中可以有8種不同的接口方式，進(jìn)行數(shù)字量和模擬量的采集和傳輸。

4.2 Z-Stack 協(xié)議棧

Z-Stack 是開放式協(xié)議棧，它符合ZigBee2006標(biāo)準(zhǔn)。本文編寫的軟件程序主存儲在應(yīng)用層目錄中，主要實現(xiàn)的功能主要包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立、數(shù)據(jù)的采集、傳輸、以及對數(shù)據(jù)的接收等模塊功能。

Z-Stack是TI公司的CC2530的硬件協(xié)議棧，全面支持ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，并滿足了最新的智能能源規(guī)范。程序的編譯調(diào)試環(huán)境選擇IAR軟件進(jìn)行編譯調(diào)試，其中網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計的主要工作是協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的修改，通過編譯調(diào)試和開發(fā)，以適應(yīng)個層次網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的程序運行。

5 結(jié)論

經(jīng)這次實驗，成功地調(diào)試了系統(tǒng)設(shè)計的功能，達(dá)到了我們實驗的目的。當(dāng)傳感器采集到無光照，有壓力時，通過ZigBee無線通信發(fā)送開燈控制指令;當(dāng)傳感器采集到光照時，無論是否有壓力，均不做控制處理。當(dāng)人回到床上繼續(xù)睡覺后，ZigBee節(jié)點會通過紅外傳感器監(jiān)測有沒有人，如果監(jiān)測不到人，等待一定時間后，衛(wèi)生間節(jié)點控制的燈自動關(guān)閉，同時無線通信發(fā)送消息到臥室節(jié)點，臥室的燈則也自動關(guān)閉。

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【通聯(lián)編輯：張薇】