基于ZigBee的智能家庭照明系统的设计

基于ZigBee的智能家庭照明系统的设计
王文钊;李斌
【摘要】描述了ZigBee协议在智能家庭照明系统中的应用，采用ZigBee协议的遥控器，能够根据家庭中所需要的环境氛围，通过控制灯光的亮度，选择不同的灯光场景模式。

给出了整体设计框图，原理图以及软件设计方案。

系统的硬件设计分为：电源电路部分、灯具控制电路部分和遥控器电路部分。

软件部分在TI的Z-stack基础上进行编程，完成系统的物理层、网络层初始化、系统硬件初始化和用户任务初始化等。

%The design represents the application of the ZigBee protocol in the smart home lighting system. Using the remote control of the ZigBee protocol, it can control the brightness of the light in order to choose the different light scene mode according to the needed family atmosphere. This paper presents the overall design of the block diagram, schematics, and software design. The hardware design of the system consists of the power supply circuit, the remote control circuit and the lighting control circuit. The software design is based on TI Z-Stack, which will realize the initialization of the physical layer, the network layer, system hardware and user tasks.
【期刊名称】《电脑与电信》
【年(卷),期】2012(000)006
【总页数】3页(P40-42)
【关键词】ZigBee模块;照明系统;智能家庭网络
【作者】王文钊;李斌
【作者单位】沈阳理工大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳110159;沈阳理工大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳110159
【正文语种】中文
【中图分类】TN92
1.引言
随着科技的发展和生活水平的提高，人们对工作和生活环境的要求越来越高，同时对照明系统的要求也越来越高。

而传统照明系统已经无法满足人们对现代化灯光系统的要求。

智能家庭照明系统把控制方式、电子技术和网络通信技术集成于一体，解决了传统照明方式相对分散和缺乏有效管理等问题，而且许多传统方式无法达到现代化功能的要求，比如场景设置、管理智能化和操作简单化等。

本系统照明电路设计采用PHILIPS公司的双向可控硅BT134对电灯泡进行控制，而主从机采用无线通信模块CC2530进行通信。

此种方案可以很好地对室内电灯的控制，运用ZigBee协议中的Z-stack家居解决方案，可以更好地实现对家庭中各类灯具进行无线控制、集中控制，并可提供灯光软启、调光、亮度记忆、场景记忆等智能化操作和管理。

在硬件电路和软件设计上也简单，只需要几块CC2530模块即可，大大节约了成本。

2.主要芯片简介
CC2530是TI公司针对2.4GHz ISM频带推出的第二代支持ZigBee/IEEE 802.15.4协议的片上集成芯片。

其内部集成了高性能收发器、工业标准增强型8051MCU内核、256KB Flash ROM和8KB RAM。

其主要特性：具有2个
USART、8位和16位定时器、看门狗定时器、8路输入可配置的12位、21个GPIO、AES128协同处理器，硬件支持CSMA-CA、数字化的RSSI/LQI和强大的DMA功能，具备监测和温度感测功能；支持5种工作模式，且转换时间短，可以较好地满足超低功耗系统的要求；在接收和发送模式下，电流损耗分别为24mA
和29mA。

由于其硬件设计简单，封装小，功耗低，在家庭/楼宇自动化、照明系统、消费型电子和医疗保健等领域得到了广泛的应用。

3.系统总体设计
图1给出了系统结构框图。

家庭照明系统主要由单片机、过零检测电路、灯具控
制电路以及无线通信电路组成。

该系统从功能上划分为两部分灯光控制部分和遥控器部分。

遥控器部分主要功能发出对家庭灯具的控制的指令。

灯光控制部分主要功能是接受从遥控器上发出的相关指令，完成对灯具的控制，包括对单只灯泡的启动、延时关闭、亮度调节以及对整个家庭灯具的关闭、开启等。

灯光控制部分为本系统的核心，初始化时控制部分完成ZigBee的网络组建，设定相关数据并接受遥控指令完成对灯具的操作。

遥控器部分首先完成对控制部分ZigBee的绑定，再根据ZigBee协议格式将相关指令发出。

4.系统硬件设计
4.1 电源电路设计
为了保证智能家庭照明系统的正常运行，设计了2种方式供电，用JTAG接口对CC2530进行编程时，利用JTAG的3.3V电源引脚为电路供电。

这种供电方式的
缺点是由于JTAG接口提供的电压稳定性不高，纹波较大，对照明系统的控制信号有一定的影响，且只适用于电路调试阶段使用。

另一种方式是单独为系统设计稳定的3.3V直流电源，如图2电源电路图所示。

Q1为220V50Hz交流电压输入，C1为0.1uF/400V的电解电容为系统提供能量，4只二极管D1、D2、D3、D4搭建
整流桥经全波整流后形成脉动直流电压U1，再经过C2滤波电容1500 uF/16V并与9个串联的二极管（D5到D14）并联得到直流电压U2 6.3V，此时直流电压
U2的纹波仍然较大，无法使CC2530ZigBee模块正常工作，选用LM 1117-3.3V 稳压芯片将U2电压稳定到U3得到稳定的直流电压U3 3.3V，保证CC2530模块稳定的工作。

图2 电源电路
4.2 灯具控制和过零检测电路设计
家庭中的灯具一般工作在220V/50Hz的交流电上，将双向可控硅BT134与灯具
相串联，通过控制双向可控硅BT134是否导通，进而控制灯具的亮灭。

由于双向
可控硅BT134也工作在220V/50Hz的交流电上，必然经过可控硅的死区，导致
双向可控硅无法工作，因此引入过零检测电路如图3所示。

它主要由光电藕合器TPL521-2 J1和电解电容C4组成。

Q1为220V交流电输入，C4为0.1u/400v
的无极性电容，起恒流限流的作用，保证获得宽度稳定的窄脉冲信号。

将此信号送入CC2530模块的P1.2口，将CC2530的引脚P1.2设置为输入、外部中断低电
平检测，由中断程序产生PWM信号经CC2530的P1.1口输出。

灯具的控制电路如图3所示，它主要由NPN型三极管Q3、双向可控硅BT134
Q2和光隔离可控硅驱动器MOC3043 J2组成。

由CC2530的P1.1口输出的信号，经NPNNPN型三极管Q3电流放大，使能达到光隔离可控硅驱动器MOC3043
的驱动电流20mA，保证MOC3043可以驱动控制双向可控硅BT134，控制
BT134的导通角的大小，进而控制灯具的亮灭。

4.3 遥控器电路设计
遥控器硬件主要由ZigBee模块、键盘模块、电源模块、LCD显示模块和JTAG接口组成，如图4所示，ZigBee模块的I/O引脚全部引出，键盘模块采用4*5扫描
电路，占用I/O口较多，显示模块采用SPI接口带图形显示和字库的3.3V低功耗的LCD模块。

使用AA电池供电，给ZigBee模块和LCD模块提供稳定的3.3V
电压。

通过遥控器的按键可以切换不同的任务，如：在人离开家或夜晚睡觉时采用一键关闭所有灯具，或是单独让卧室灯具延时几分钟后关闭等。

随时观察遥控器LCD显示屏，可得知整个房屋中各中灯具的状态，可以很方便地操作。

图4 遥控器框图
5.系统软件设计
智能家庭照明系统设计是基于TI的Z-stack和IAR-EW 8051软件实现编程。

由
于在Z-stack基础上进行编程，使系统的开发周期大大缩短。

ZigBee联盟制定了针对ZigBee在家庭网络方面的应用框架ZigBee家庭自动公共准则。

Profile是对逻辑设备及其接口的描述集合，是针对某个特定应用的准则，其目的是使不同生产商按照同一个Profile设计的产品之间可以相互操作、相互替换。

本文的智能家庭照明系统就是在这个Profile基础上实现的。

为使节点达到通用性要求，需要上电后，调用相应的初始化程序对系统进行初始化。

图5所示为智能家庭照明系统主程序流程，系统上电开机后首先完成物理层和网
络层初始化，然后自动建立ZigBee网路，当网络组建成功后开始初始化外围硬件，然后初始化APS层和ZDO层任务，再对用户自定义任务进行初始化进入消息循
环机制，检测RF中断，当有新任务时激活相应任务处理该任务。

这些任务包括对家庭场景光照的选择、每个房间灯光的控制等任务模式。

当任务处理完毕后，系统进入休眠模式，这样系统可以降低功耗，延长电源使用寿命。

6.结语
经过不断的调试、修改，基于ZigBee的智能家庭照明系统最终全部通过，成功实现了系统最初的设计目标。

经测试，电源模块、显示模块、开关模块、控制模块工
作正常，程序系统工作正常，智能遥控器控制无误。

在安装时只需安装本智能家庭照明系统，不需对室内线路作任何改动，也不需另外布线。

另外，本系统还可以为后续系统升级，形成新的智能家庭网络系统，因此，此系统具有很好的扩展能力，方便使用。

该系统非常适合家庭、公司、商店和宾馆等由个人通信终端来实现控制的场合。

参考文献：
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