基于無線傳感網智能家居照明控制系統的研究與實現

引言

照明控制在日常生活中是必不可少的，無論是用于日常的照明還是裝飾，都在這個社會中扮演著不可或缺的角色。從第一盞燈光的亮起到現今智能化的照明設備，照明控制技術經歷了從手動控制到自動控制，然后到智能照明控制的發展過程。以上所述的這些系統的共同特點就是均采用有線控制的方式，復雜的布線施工，在一定程度上造成了系統安裝維護以及維修等方面的不方便，系統的可擴展性也比較差，移動性能不好，維護成本相對而言也很高。這些缺點阻礙了智能照明系統的發展以及應用。

隨著無線通信技術的日漸成熟，安裝成本低、安裝布置靈活，而且還具有可移動性，方便對系統的重新布置，這些優點都在很大程度上促進了無線智能照明控制系統的發展。本文采用IEEE802.15.4e協議組建無線網絡，適合各種不同建筑物的結構和布局，適用于不同照明設備的選型與配置，以達到照明設備的多元化控制的目的，并可與窗簾、家電設備協同控制實現情景模式的切換。

智能照明系統的總體設計

智能照明系統是物聯網智能家居的重要組成部分，本設計是基于IEEE802.15.4e協議的無線傳感網絡，網絡中需要一個協調器對網絡進行自主控制，并通過家庭網關與家居中的其他終端設備進行通信，網關負責組員的管理及數據轉發等任務。智能終端通過數據監控中心轉發數據來控制燈光節點。燈光節點可以設置成路由或節點設備，對燈具進行開關和調節亮度的控制。本設計的主要內容包括：智能終端控制、無線控制節點及傳感器節點接入、遠程數據中心、遠程客戶控制。系統結構圖如1所示。

在本系統中，無線節點主要負責接收終端控制命令及進行燈具亮度的控制；家庭網關負責網絡的管理與數據的轉發；協調器負責網絡的建立和節點的管理；監控中心和終端控制機是整個系統的中樞，實現對照明的集中管理和對智能家居的整體控制。

無線傳感網可以根據要求組成星形或樹形的網絡，星形網絡一般用于較簡單的建筑，適合家庭組建。燈光節點和傳感器由路由及協調器接入智能家居家庭網關，由家庭網關與智能終端和服務器相連，構成統一的控制網絡。每個燈光節點都有無線收發的功能，可以做協調器或路由。

智能燈光控制器的設計

硬件設計

智能燈光燈光控制器主要實現對家庭內部單個燈光節點的控制（開、關、調光），其硬件框圖如圖1所示，燈光控制器的硬件主要由微處理器、射頻模塊、光控制器以及電源模塊四部分組成。

圖1 智能照明系統結構圖

圖2 硬件框圖

（1）微處理器：從低功耗和功能性考慮采用STC10系列單片機作為微處理器，主要用來分析和控制照明情況。

（2）射頻模塊：采用CC2430作為射頻芯片，負責與協調器進行通信，并通過串口與微處理器交換數據。

（3）光控制器：采用WS100T10集成電路控制可控硅觸發電路接收微處理器的指令來進行燈光亮度的調節。

（4）電源模塊：電源電路直接從市電220V經AC/DC模塊降壓、整流轉換成12VDC后，通過穩壓芯片L7805和AS1117-3.3穩壓、濾波后，得到穩定的5V和3.3V電源。

軟件設計

智能燈光控制器的應用程序采用Keil C語言編寫，采用Keil C51可以完成編輯、編譯、連接、調試、仿真等整個開發流程。

光強控制模塊主要包括兩部分功能：燈具能夠根據外界光強，自適應進行開關控制；用戶可以根據個人喜好開關燈具和調整燈具的燈光亮度。

軟件流程設計

軟件流程設計是編制軟件的重要環節之一。清晰的軟件工作流程可以高效、快速地開發出所需的應用軟件，并能優化程序結構，所以軟件設計應按照軟件流程圖展開。由于篇幅有限，只繪出部分典型模塊設計流程圖。此設計中的調光控制器通過控制雙向可控硅的導通來實現白熾燈(純阻負載)亮度的調整。雙向可控硅的特點是，導通后即使觸發信號去掉，它仍將保持導通；當負載電流為零(交流電壓過零點)時，它會自動關斷。所以在交流電的每個半波期間都要送出觸發信號，觸發信號的送出時間就決定了燈泡的亮度。調光的實現方式就是在過零點后一段時間才觸發雙向可控硅開關導通，這段時間越長，可控硅導通的時間越短，燈的亮度就越低；反之，燈就越亮。這就要求要提取出交流電壓的過零點，并以此為基礎，確定觸發信號的送出時間，達到調光的目的。智能燈光控制器的流程圖如圖3所示。

圖3 智能燈光控制器的流程圖

工作原理

調光控制器要控制的對象是50Hz的正弦交流電，通過光耦取出其過零點的信號(同步信號)，將這個信號送至單片機的外中斷，單片機每接收到這個同步信號后啟動一個延時程序，延時的具體時間由按鍵來改變。當延時結束時，單片機產生觸發信號，通過它讓可控硅導通，電流經過可控硅流過白熾燈，使燈發光。延時越長，亮的時間就越短，燈的亮度越暗(并不會有閃爍的感覺，因為重復的頻率為100Hz，且人的視覺有暫留效應)。由于延時的長短是由按鍵決定的，所以實際上就是按鍵控制了光的強弱。

無線路由節點設計

路由節點主要負責網絡節點的管理與數據的轉發。燈光場景控制中設備較多，數據轉發壓力大，所以我們采用增加路由節點來實現區域的覆蓋，增強網絡的穩定性，其工作流程如圖4所示。上電初始化完成后，路由節點加入網絡，對無線網絡信號進行檢測。若接收到上傳數據，則在數據中加入自己的拓撲信息再繼續上傳，否則，直接將數據上傳；若接收到發給自己的命令，則響應該命令；若接收到發給其他節點的數據，則進行向下的轉發。