基于ZigBee的自動(dòng)感應(yīng)照明系統(tǒng)

瞿思思 馬琪 鄭玲 黃欣陽 金遠(yuǎn)遠(yuǎn)

摘要：在居家生活中，常見的照明系統(tǒng)均為手動(dòng)控制，當(dāng)環(huán)境可見度較低，障礙物較多時(shí)，人們特別是老人與小孩行動(dòng)多有不便，容易引發(fā)摔倒等安全隱患。目前市場(chǎng)上的自動(dòng)照明裝置，普遍為聲控、光控，聲控容易受到噪聲干擾，光控不能避免監(jiān)控盲區(qū)，具有不穩(wěn)定性。而利用無線通信網(wǎng)絡(luò)中的ZigBee協(xié)議設(shè)計(jì)的自動(dòng)感應(yīng)照明系統(tǒng)則可以很好地解決這一問題，保障人身安全，打造良好的生活環(huán)境。該文介紹了使用ZigBee協(xié)議的該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、分模塊的功能介紹以及系統(tǒng)的現(xiàn)有優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：無線網(wǎng)絡(luò);ZigBee;夜起自動(dòng)照明;實(shí)踐應(yīng)用

目前人們的生活日益趨向輕松化、便捷化、智能化、高效化，所以智能家居是一大趨勢(shì)。并且我國消費(fèi)結(jié)構(gòu)加速升級(jí)，95后成主流消費(fèi)人群，而95后群體成長(zhǎng)于經(jīng)濟(jì)和互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的時(shí)代，智慧型家電已經(jīng)成為其消費(fèi)主流。且由于我國人口政策的調(diào)整，人口數(shù)量增多，在一些大型城市，照明電力能源的消耗已經(jīng)成為一個(gè)較為嚴(yán)重的問題。在城市照明系統(tǒng)的建設(shè)中，必須采用相關(guān)技術(shù)對(duì)照明設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，保證能耗降低[3]。但是在市場(chǎng)上，可以提供的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品卻仍存在巨大的供給缺口。起夜在大部分家庭中普遍存在，但是在夜間實(shí)際行動(dòng)時(shí)，存在一定的不便性和危險(xiǎn)性，比如猛然在長(zhǎng)時(shí)間黑暗環(huán)境下開燈，視網(wǎng)膜受到燈光的強(qiáng)烈刺激，這種刺激傳入腦內(nèi)，會(huì)使人感到不舒服，同時(shí)覺得頭暈?zāi)垦?，明適應(yīng)問題有待解決。市場(chǎng)現(xiàn)有的聲控、光控?zé)舳加泄潭ǖ牧翢糸g隔，浪費(fèi)能源，而且燈泡使用壽命較短，需要頻繁更換，智能家居照明就成為市場(chǎng)剛需，去更好的延長(zhǎng)燈泡使用壽命，節(jié)約能源。在相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)雖然已有類似的研究，但經(jīng)過分析其所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用的硬件對(duì)于人體識(shí)別度不高且使用限制條件較多。在綜合考慮了集中當(dāng)下較為熱門的短距離通信技術(shù)后，認(rèn)為Zigbee技術(shù)是適用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的最佳選擇[1]?；赯igBee的自動(dòng)感應(yīng)照明系統(tǒng)則正好解決了這些問題，具有較大的優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)包括了探測(cè)模塊、控制模塊、開關(guān)模塊、通信模塊、供電模塊五大模塊。當(dāng)處于白天時(shí)，探測(cè)模塊中的光敏傳感器阻值增大，開關(guān)模塊中雙D觸發(fā)器斷開。當(dāng)處于晚上時(shí)，光敏傳感器的阻值減小，使得的雙D觸發(fā)器工作，人從反射式開關(guān)前面經(jīng)過時(shí)，探測(cè)模塊中的紅外接收器收到信號(hào)，向控制模塊發(fā)送信息，控制模塊向第一控制電路以及位于廁所的控制模塊發(fā)送消息?？紤]到當(dāng)人眼長(zhǎng)期處于黑暗狀態(tài)時(shí)，瞳孔放大，所以在第一控制電路上使得開關(guān)的可變電容改變，電流隨之改變，電燈的亮度也緩慢增大，從而使得該系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加人性化。

該系統(tǒng)首先通過臥室區(qū)域探測(cè)模塊中的光敏傳感器感應(yīng)光照強(qiáng)度，判斷目前是處于白天還是晚上，當(dāng)檢測(cè)到天黑時(shí)，發(fā)送信息給控制模塊，此時(shí)控制模塊會(huì)發(fā)送指令使得整套設(shè)備處于開啟狀態(tài)。當(dāng)人首次進(jìn)入房間時(shí)會(huì)開啟房間的照明燈，走到床邊后，安裝在床頭探測(cè)模塊中的反射式光電開關(guān)接收到人體熱輻射后將信息發(fā)送給通信模塊，通信模塊將網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)后反饋給控制模塊，控制模塊發(fā)送指令使臥室的照明燈一定時(shí)間間隔后自動(dòng)關(guān)閉。夜間起夜，當(dāng)人坐起來的一瞬間，探測(cè)模塊會(huì)立即接收人體熱輻射信息，將信息發(fā)送給控制模塊，此時(shí)控制模塊根據(jù)接收到的消息做出判斷，判斷到人是要起夜，于是將判斷得到的信息通過ZigBee通信協(xié)議臥室的通信模塊傳遞給衛(wèi)生間通信模塊，此時(shí)衛(wèi)生間通信模塊將信息從網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)后發(fā)送給它的控制模塊，控制模塊做出判斷后發(fā)送指令控制開關(guān)模塊打開照明燈，此時(shí)從臥室到衛(wèi)生間的照明燈均處于打開狀態(tài)，人便可在完全照明的情況下完成起夜。當(dāng)人離開衛(wèi)生間后衛(wèi)生間探測(cè)模塊檢測(cè)到無人會(huì)反饋信息給它的控制模塊，控制模塊再次判斷，確定無人后通過自己的通信模塊傳遞信息給臥室通信模塊，之后若床頭探測(cè)模塊再次接收到人體信息，發(fā)送給控制端，控制端判斷人已經(jīng)回到臥室并且走到床邊，在此一小段時(shí)間間隔后控制端控制開關(guān)模塊關(guān)閉照明燈。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)

探測(cè)模塊安裝在開發(fā)板上，放在矩形元件盒內(nèi)，元件盒后側(cè)端四周有矩形安裝板，安裝板四周具有多個(gè)安裝孔，元件盒通過安裝板四周多個(gè)安裝孔等安裝在臥室床頭的墻壁上，安裝的高度高于床被40厘米左右，使用者在床上翻身等動(dòng)作不會(huì)觸發(fā)感應(yīng)。

通信模塊是在一個(gè)開發(fā)板上具有可以接收光敏、紅外等傳感器反饋的信息的模塊，共有兩塊，分別安裝在臥室和衛(wèi)生間，兩個(gè)模塊可以通過ZigBee協(xié)議構(gòu)成完整的通信通道，臥室的信息可經(jīng)過通信模塊傳遞給衛(wèi)生間，反之亦然。

控制模塊主要是根據(jù)通信模塊和探測(cè)模塊發(fā)送過來的信息做相關(guān)的判斷，然后根據(jù)判斷的結(jié)果輸出命令到開關(guān)控制模塊或者是衛(wèi)生間的通信模塊，此時(shí)觸發(fā)器或者是衛(wèi)生間通信模塊可根據(jù)接收到的指令做出相應(yīng)的動(dòng)作。

開關(guān)控制模塊是根據(jù)控制模塊發(fā)送過來的信息做出開燈、關(guān)燈的動(dòng)作，在這個(gè)模塊中增加一個(gè)可變電容，使得做出開燈或者是關(guān)燈動(dòng)作時(shí)，燈的亮度狀態(tài)緩慢變化，即從關(guān)閉狀態(tài)逐漸變亮到正常亮度和從正常亮度逐漸變暗直到關(guān)閉狀態(tài)。

供電模塊是為整套設(shè)系統(tǒng)提供電能，系統(tǒng)雖然涉及的區(qū)域范圍比較廣，但所需電能并不是太多，比較節(jié)能環(huán)保的。且此供電模塊可以充電，能長(zhǎng)時(shí)間使用。

2.2 反射式光電開關(guān)

該系統(tǒng)使用的光電開關(guān)是品牌CHUNZ/椿整、型號(hào)E3F-R2NK的反射式光電開關(guān)成品，在該系統(tǒng)內(nèi)其與紅外傳感器作用一致。其具有兩個(gè)電源輸入端1及2腳、一個(gè)高電平輸出端3腳，工作時(shí)在其前端探測(cè)頭的發(fā)射頭直線發(fā)射出的紅外光束被人物阻擋、探測(cè)頭前端的接收頭接收到后高電平輸出端會(huì)輸出高電平，無人物阻擋時(shí)不輸出高電平，最遠(yuǎn)探測(cè)距離2米。

2.3 雙D觸發(fā)器

該系統(tǒng)使用型號(hào)為CD4013雙D觸發(fā)集成電路。當(dāng)?shù)趎個(gè)周期時(shí)，末端兩分頻的輸出為高電壓，輸入時(shí)鐘信號(hào)端的上升沿使分頻電路工作;當(dāng)?shù)趎+1個(gè)周期時(shí)，末端兩分頻輸出為低電壓，輸入時(shí)鐘信號(hào)端的下降沿使分頻電路工作。雙D觸發(fā)集成電路的正極電源輸入端14腳和繼電器正極電源輸入端及控制電源輸入端連接，雙D觸發(fā)集成電路的時(shí)鐘信號(hào)輸入端3腳和第一只電阻一端連接，雙D觸發(fā)集成電路的反碼輸出端2腳、數(shù)據(jù)輸入端5腳連接，雙D觸發(fā)集成電路的負(fù)極電源輸入端7腳、直接復(fù)位端4腳、直接置位端6腳和三極管發(fā)射極連接，雙D觸發(fā)集成電路的原碼輸出端1腳和第二只電阻一端連接，至此完成雙D出發(fā)器在開發(fā)板上的安裝。

2.4 無線發(fā)射/接收電路

該系統(tǒng)使用的無線發(fā)射電路模塊是型號(hào)ZYO300-A72的無線發(fā)射電路模塊成品，其具有四個(gè)按鍵，分別按下時(shí)可發(fā)射四路無線控制信號(hào)，其內(nèi)部具有編碼電路，通過編碼電路編碼，可防止附近相同型號(hào)的無線發(fā)射電路模塊發(fā)射的無線信號(hào)相互干擾。該系統(tǒng)使用的無線接收電路包括型號(hào)ZYO300-A72的無線接收電路模塊成品、電阻、NPN三極管和繼電器。無線接收電路模塊成品的正極電源輸入端1腳和繼電器正極電源輸入端連接，無線接收電路模塊成品的第一個(gè)輸出端4腳和電阻一端連接，電阻另一端和NPN三極管基極連接，NPN三極管集電極和繼電器負(fù)極電源輸入端連接，無線接收電路模塊成品的負(fù)極電源輸入端3腳和NPN三極管發(fā)射極連接，無線接收電路模塊的2、5、6、7腳懸空。至此完成無線接收電路在開發(fā)板上的安裝。

3 系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)描述

1）我國為世界第一大人口國，人口眾多，幅員遼闊，巨大的人口基數(shù)為我們提供了廣闊的市場(chǎng)?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)表明，我國人口老年化趨勢(shì)愈發(fā)明顯，而自2016年已全面開放二胎政策。那對(duì)老人小孩這些弱勢(shì)群體，該系統(tǒng)將對(duì)他們十分便利，也能提高家庭系統(tǒng)的安全指數(shù)和科技指數(shù)。與該系統(tǒng)類似的技術(shù)還沒有普及，目前市場(chǎng)占有率很低，需求量巨大，市場(chǎng)前景可觀。

2）使用ZigBee協(xié)議設(shè)計(jì)的自動(dòng)感應(yīng)照明系統(tǒng)先進(jìn)、成熟、穩(wěn)定、低功耗且時(shí)延短;設(shè)備的安裝簡(jiǎn)單不需施工、便于快速部署、使用方便、靈活性高、更綠色環(huán)保，適用范圍廣[2]。該系統(tǒng)裝有睡眠終端節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)如果在休眠時(shí)，其射頻接收會(huì)處于關(guān)閉狀態(tài)，只有當(dāng)發(fā)送后等待應(yīng)答及請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)才會(huì)打開，在非工作時(shí)會(huì)立即進(jìn)入睡眠模式。

3）國家大力扶持戰(zhàn)略型新興產(chǎn)業(yè)，涵蓋了新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)、節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域。具體可見《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)分類（2018）》，正在大力引導(dǎo)與推廣節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè);《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》《關(guān)于加快推進(jìn)重點(diǎn)用能單位能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)的通知》等紅頭文件相繼出臺(tái)，對(duì)該系統(tǒng)的未來發(fā)展提供了很好的幫助。

4 結(jié)束語

當(dāng)前多數(shù)人們的家庭使用的照明系統(tǒng)都是手動(dòng)控制，用戶體驗(yàn)差且極易造成人們夜起困難以及電力資源浪費(fèi)的情況，自動(dòng)照明系統(tǒng)能在人們下床時(shí)自動(dòng)打開臥室及衛(wèi)生間照明燈，上床后能自動(dòng)關(guān)閉臥室燈和衛(wèi)生間燈的控制裝備，通過系統(tǒng)感知層的光照和人體感應(yīng)傳感器的作用，可以實(shí)現(xiàn)感知區(qū)域照明設(shè)備的自動(dòng)控制。自動(dòng)照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施，可以實(shí)現(xiàn)電燈的智能控制，從而可以有效地減少電量浪費(fèi)，延長(zhǎng)燈具的使用壽命。更重要的是在給人們帶來方便和節(jié)能的同時(shí)，極大減少了人們因?yàn)橐蛊鹪斐梢馔獾目赡苄?。因此基于ZigBee協(xié)議的自動(dòng)感應(yīng)照明系統(tǒng)的研發(fā)具有較好的應(yīng)用空間。

參考文獻(xiàn)：

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【通聯(lián)編輯：唐一東】