基于Zigbee的智能灯光控制系统设计毕业设计论文.docx

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基于Zigbee的智能灯光控制系统设计毕业设计论文

本科生毕业设计（论文）

题目：

基于Zigbee的智能灯光

控制系统设计

学院：

电气工程与自动化学院

专业：

电气工程与自动化（自动化方向）

摘要

在现代社会，自动化与智能程度不断提高的今天，家居智能管理必然是人们今后的唯一选择。

本文主要研究对象为家庭的照明，在通过比较传统照明方式，研究目前较应用的照明控制中发现家庭照明中往往存在一些致命的问题，如照明控制方式落后，甚至很大程度都还是采用机械开关，安全系数低，舒适性差，布线复杂等。

由于这些控制方式上的不足，极大的造成能源的浪费，甚至在控制的误区里出现室内无人，却灯火通明的现象。

针对这些不足，需要对控制做一个进一步的研究与开发。

本文较全面的研究了传统照明、现代照明的特点，通过比较得出优缺点，提出一种基于Zigbee的无线智能控制方案，即采用两块Zigbee功能板，一块导入光敏传感器和热释红外传感器，用作信号发射，另一块接入继电器模块，接收信号并控制灯光亮灭。

在这种控制方式下，只有室内有人，且光线不足时才点亮所需灯光，而在室内无人，光线不足的情况下，灯不亮，采用这样的控制方式能很好解决误开断和能源浪费的问题。

论文中详细介绍了整个控制系统的功能和控制策略，软件程序设计包括LED灯初始化、光敏传感器初始化、PIR传感器初始化、协议栈初始化，串口通讯等。

最后，在模拟实际环境下，测试可行性与性能。

实验证明，采用Zigbee无线控制能有很好的控制效果，并且可以显著提高节能效果，改善“无人灯亮”的问题。

关键词：

Zigbee，光敏传感器，热释红外传感器，节能

Abstract

Withtheimprovementoftheautomationandintelligenceinthemodernsociety,homeintelligentmanagementinevitablybecomestheonlyoptionforpeopleinthefuture.Bycomparingthetraditionallighting,thispaperdiscoverssomefatalproblemsonthecontrolofhomelighting,suchasbackwardwayoflightingcontrol,namely,mechanicalswitch,whichhaslowcoefficientofsafety,poorcomfortablityandcomplexwiring.Theseshortagesresultingreatwasteofenergyaswellasnobodyappearsbutbrightlylightedinmistakenarea.Inordertomakeupthesedeficiencies,itneedstomakeafurtherresearchonthecontrolsystem.

ThispaperhasmadeacomprehensivestudyonthecharacteristicsoftraditionallightingandmodernlightingbycomparingtheadvantagesanddisadvantagesandhasputforwardawirelessintelligentcontrolschemebasedonZigbee,whichusetwopiecesofZigbeefunctionboard:

oneworkedasasignalemission,conductingthephotosensitivesensorandpyroelectricinfraredsensor;theotherconnectedtotherelaymodulereceivesthesignalandcontrolsthelights.Underthiskindofcontrolmode,onlywhentheinteriorhaspeoplewithinsufficientlightwillthelightlights.Otherwiseitwon’t.Thiscontrolmethodcanwellsolvetheproblemofopencircuitbymistakeandenergywaste.Thispaperdetailsthefunctionofcontrolsystem,controlstrategyandsoftwaredesignincludingtheLEDlightsinitialization,lightsensorinitialization,PIRsensorinitialization,protocolstackinitializationandserialcommunication,etc..

Finally,thispaperteststhefeasibilityandperformanceinasimulatedenvironment.TheresultshowsthatZigbeewirelesscontrolnotonlyhasagoodcontroleffect,butalsosignificantlyimprovetheeffectofenergysavingandimprovetheproblemoflightingupwhilethereisnobody.

第1章绪论

1.1基于Zigbee灯光控制系统研究的背景

随着电子技术的高速进步，社会经济的不断发展，人们的生活质量也不断的提高，生活节奏的不断加快。

信息化社会在改变人们生活方式与工作习惯的同时，也对传统的灯光控制系统提出了挑战。

单纯的物理意义上的生存空间已不仅局限为传统灯光与自然光的结合，而更多的是一个安全性、舒适、方便、廉价的生活环境。

再结合完备的信息终端、先进的通讯设备、自动化和智能化的家用电器，使之成为更加的便捷与舒适。

这种现代的家居灯光设计理念已形成一个便捷化、高效化与智能化的趋势，灯光设备的高度智能化已经成为一种强烈的消费需求[1]。

同时在科学技术的快速发展的推动下，实现这种需求已经不再是天方夜谭。

由于电子技术的进步，灯光产品已与计算机、网络通信技术紧密地结合在一起，智能化的家用电子电器产品应运而生，智能灯光系统越来越得到人们的重视，使得家居智能化势在必然。

另外，在灯光控制领域，人们已经不满足于单纯的提供亮度这一功能，而是面向系统控制方式的灵活、高效和视觉上的美感发展。

显然，传统的灯光控制系统已经不能满足现代化的控制需求。

如何节约能源，提高灯光控制系统的有效管理水平，是目前急需解决的课题。

当前，在灯光控制领域，普遍存在能源利用率低的问题。

特别是子夜过后，对灯光的要求很低，可以适当对相应灯光进行控制，以避免能源浪费。

以街灯为例，子夜过后，街道上的车辆和行人相对较少，街灯没有必要全部打开，可以适当关闭部分路灯，以前采用人工控制的方式对灯光进行管理控制。

但是，由于传统灯光控制方式在控制上功能相对分散和无法实现有效管理，既浪费人力、操作繁琐且各时间段街灯关闭时间不准，人为因素影响太大，并不能对灯光进行灵活，有效的控制管理[2]。

后来又采用设置光电控制电路，利用光敏电阻器件的变化，控制街灯在晚上天黑之后自动点亮，早上天亮之后自动关闭。

这种方法存在可靠性低、易受外界干扰、后半夜灯光照明浪费能源，也不能对灯光实行有效的节能控制[2]。

针对传统灯光控制系统所存在的问题，基于Zigbee的无线网络技术正在悄然兴起。

1.2现有灯光控制方案

1.2.1传统灯光控制

即在建筑照明中，照明灯需要通过电线与机械开关连接，形成照明控制的开关电路，然后才能使用开光控制照明灯；而对于实现不同的照明灯光控制效果，也需要通过设计或者改变开光电路的接法来达成。

完成照明灯光控制所需的必要条件是：

照明灯、供电回路、控制回路、人工操作。

少其一项，都无法实现照明控制。

1.2.2声控有线自动控制

这是一种声控电子照明装置，由音频放大器、选频电路、延时开启电路和可控硅电路组成。

是一种操作简便、灵活、抗干扰能力较强，控制灵敏的声控灯，当附近有人经过发出声音时，声控灯由话筒传入，并经过功率放大使电路接通，从而实现灯的智能控制。

声控灯由话筒、音频放大器、选频电路、倍压整流电路、鉴幅电路、恒压源电路、延时开启电路、可控延时开关电路、可控硅电路组成[18]。

1.2.3光强无线灯光控制

根据外界灯光强弱，通过光敏传感器将信号反馈回中央处理器，并根据内置程序通过红外线，蓝牙等技术发送到信号接收端进而控制灯的开断，从而实现无线灯光智能控制。

1.3方案比较

1.3.1传统灯光控制方式

成本低廉，能充分满足家庭内不同年龄、不同职业、不同习惯的家庭成员及访客的操作需求；不会因为局部智能设备的临时故障，导致不能实现控制的尴尬。

但其铺设复杂，使用电路较多，对电线的使用也较多，为了实现复杂的照明控制，通常需要更多的机械开关。

这就导致了材料浪费问题。

其次，传统的照明控制需要人工控制，这就必然出现能源浪费的问题。

不符合现代节能减排理念的要求。

此外，传统照明系统的检修工作也较为复杂。

由于线路繁多，检修工作不易进行，往往因为一个小问题而耗时耗力。

现代化节奏上，传统灯光控制不仅不能很好的控制灯光亮度，而且在开断瞬间会有火花，存在安全隐患。

1.3.2声控有线自动控制

智能化程度较高，控制方式接近全自动化。

但抗干扰能力依然有所有不足，声控开关干扰因素较多，如风大时声大，误接通；人在室内无声时又自动关断，一定程度上带来很大的不便。

另外采有有线的布线方式，影响环境美观，布线复杂，维修工作量大。

1.3.3光强无线灯光控制

此控制方式设备简单、价格低廉，很容易推广。

而且现有的家电通常具有红外线遥控功能，只需稍加改造就能很容易融入到智能家居控制网络中。

但信号发射通过红外线，蓝牙传媒介质，无热释电红外线传感器够成回路。

容易造成室内无人却灯火通明的现象，极大的造成能源的浪费。

另外红外线波长在760nm和400um之间，由于波长短，对障碍物的衍射能差，要求控制器与接收器之间必须达到可视，并且通信角度不能大于35，通信距离短通常最大不超过10m。

这些条件使得它不便于大范围组建家庭通信网络。

1.4本文设计方案

1.4.1Zigbee无线智能控制

Zigbee无线智能灯光控制系统由无线灯节点接收端和无线传感器发射端组成。

每个Zigbee功能板内部都集成了无线收发的功能。

灯节点由PCB天线模块，CC2530模块，灯驱动继电器模块，灯电路模块以及传感器模块组成。

PCB天线模块及CC2530内部的无线收发器负责与其他的节点进行无线通信。

CC2530模块负责接收，处理其他节点发送过来的数据，并且发送给灯具节点的数据，灯驱动模块负责驱动灯模块，实现灯的亮灭等功能。

1.4.2Zigbee控制方案优势

现有方案中只采用光敏电阻或者光照度传感器的话，虽然可以在光照度较弱的情况下开启灯光，但由于没有考虑到是否有人的情况，非常容易造成“无人灯亮”的浪费。

即便是辅助以时间段控制，也不能够很好地根据室内部的人数来调节灯光的强弱和开启的数量，合理达到节能减排的目的。

而本文采用的传感器电路由光敏传感器和热释电红外线传感器组成，两种传感器，双线程控制灯光，提高照明控制的智能化程度，可以根据不同场合在不同时段中不同的情景需求，准确、人性化地提供灯光节能策略。

很好的解决室内无人却灯火通明的不足。

采用无线控制方式，可以极大的摆脱空间上的束缚，传统意义上的有线布线不仅浪费很多的有效空间，而且影响室内美观，而采用套管内墙布线在一定程度上克服美观性问题，但布线方式复杂且线路一旦出现问题，维修难度极高。

而Zigbee无线控制方式能很好的解决传统照明方式的不足，由于其设备简单、价格低廉，很容易在广大家庭中推广。

1.4.3Zigbee控制研究意义

1，提高照明光环境质量。

推行可持续发展的策略，节约能源，维护管理方便，真正实现绿色照明。

2，体现以人为本的照明控制思想，根据人们的行为模式和住宅光环境决定照明的控制思想，创造一个个性化、艺术化、舒适、高雅的家庭光环境。

3，构成智能建筑系统的一部分。

智能照明控制系统可以独立运行，实现对光环境的合理控制；同时，其具有通信功能以及可扩展性，可把住宅智能照明系统作为住宅的子系统，并与家居自动控制系统，电视，多媒体，探测，警报系统共同构成家庭智能化网络系统。

第2章Zigbee简介

2.1Zigbee介绍

Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。

使用Zigbee协议可以建立一套无线通信系统，这种无线通信系统功耗极低，且技术结构较为简单清晰，建造成本低，但是这种系统只能在有限的空间范围之内进行通信[4]。

无线通信系统适合用于设计开发智能控制系统和无线传感网络，可以结合使用各种功能的传感器等设备。

简而言之，ZigBee就是一种低成本、低功耗但极富开发意义的有现代特色的无线组网通信技术[4]。

利用Zigbee协议可以一个无线数据传输网络，网络可以由多达65000个的无线数据传输模块组成。

无线传输网络内，每一个传输模块都有其相应的地址，利用Zigee协议中的通讯协议，可以使每个传输模块之间相互通信。

还能使用点播，组播协议，对一部分传输模块的进行加密，保证数据仅传输到制定地址的模块上，功能相当强大。

Zigbee无线数据传输网络目前主要是用于工业之中，在工业自动化的无线数据传输模块中起到了相当重要的作用。

由于在工业现场中使用，无线数据传输网络具有安装简单，使用方便，可靠性高，低成本等特点[5]。

每个ZigBee网络节点本身就可以作为感应终端，在感应终端上安装传感器来实现检测数据的无线传输，还可以成为协调器来接收并转发别的网络节点传过来的数据。

除此之外，每一个Zigbee节点还可在其信号所及的范围内，和其他不需进行数据中转工作的单独网络节点进行无线对接。

Zigbee成本低廉，功能完备全面，十分符合课题研究的需求。

因此，在进行多方比较和研究分析后，本课题最终确定使用Zigbee协议栈，建立无线传感网络，并将此无线传感网络用于设计方案之中，作为区别于传统照明控制回路的控制方式和数据传输方式。

2.2CC2530

CC2530，是用于2.4-GHzIEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。

它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。

CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8-KBRAM和许多其他强大的功能。

CC2530有四种不同的闪存版本：

CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB的闪存。

CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。

运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗[6]。

功能引脚图如图2-2所示。

CC2530F256结合了德州仪器的业界领先的黄金单元ZigBee协议栈（Z-Stack），提供了一个强大和完整的ZigBee解决方案。

CC2530F64结合了德州仪器的黄金单元RemoTI，更好地提供了一个强大和完整的ZigBeeRF4CE远程控制解决方案。

图2-2CC2530功能引脚图

2.3基于CC2530实验板

本课题经过深入研究分析现有照明控制方案后，结合Zigbee无线数据传输技术，设计出一套基于光照传感器和热释电红外传感器的无线传感照明控制方案。

而要验证该方案的可行性，必须设计一套硬件实验对方案中的各部分功能进行模拟。

这套硬件实验，就需要在CC2530开发板上完成。

实验用开发板如图2-3所示。

图2-3CC2530实验板

本实验中所用到的CC2530开发板功能如下：

（1）4色LED

4色LED由左至右分别为蓝、橙、红、绿。

对应编号为LED4、3、2、1。

四色LED的IO口为：

LED4--P0.1、LED3--P1.4、LED2--P1.1、LED1--P1.0。

在Zigbee协议栈将其中任一IO口置1，就能使其对应编号的LED灯亮起。

P0.1口的LED4可与光敏座联动，当插入光敏电阻后，LED4就能根据光敏电阻检测的光照程度自动调整亮度。

P1.4口同时也与继电器口互通，控制P1.4口就可以同时控制LED3以及继电器的通断。

（2）人体红外座

人体红外座上可插入红外传感器。

本课题中设计的硬件实验所需PIR传感器就需要在此座插入。

人体红外座对应IO口为P0.5默认高电平也即是有人状态。

（3）光敏插座

光敏插座与LED4共用一个IO口，P0.1。

当插入光敏电阻后，LED4就能根据光敏电阻检测的光照程度自动调整亮度。

（4）USB供电串口

在进行实验时，共需用三块CC2530节点，实验时，需在供电串口处连接USB线与电脑相接为其供电，如此CC2530节点才能工作。

（4）电源切换开关

为体现无线传输功能，实验中选协调器端作为电池供电，不需用USB线供电，此时，按下电源切换开关即可实现。

（5）复位按键

对CC2530节点进行初始化的按键，一般捎入程序后需要按动此键。

（6）Debug口

仿真驱动器插入此口后，可与电脑连接并捎入程序。

此口也可以作为供电用。

2.4光敏传感器

随着现代电测技术飞速发展和完善，各种功能的传感器层出不穷。

而在众多种类的传感器中，运用较为普遍的就是光敏传感器。

光敏传感器对非电量检测和智能、节能控制系统有着较为重要意义，其在各种照明控制工程或监测工作中都被广泛使用[7]。

最简单的光敏传感器就是光敏电阻。

而本课题中，所使用的光敏元件也是光敏电阻。

光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。

这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。

这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降[8]。

通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。

当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中电流增强。

为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极常采用梳状图案，它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的[8]。

光敏电阻的结构图如图2-4所示。

光明传感器的工作原理是：

利用光敏元件，将所检测到的光信号，可以使照度信息，也可以是光照强度信息等这些非电量，转换为电量，也就是电信号的形式，具体应用在本课题中，其电信号的值有两种情况，1或0。

本课题中需要使用光敏电阻进行室内光照信息检测。

若室内光照强度不足，则光敏电阻将输出值为1的信号。

图2-4光敏电阻结构图

光敏传感器敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。

光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为电信号的变化即可。

当光子冲击接合处就会产生电流，使其接通，转化成所需的电信号。

2.5热释电红外线传感器

热释电红外线传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。

在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。

由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。

为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10~20米范围内人的行动[9]。

热释电红外传感器在结构上引入场效应管，其目的在于完成阻抗变换。

由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用，因而需要用电阻将其转换为电压形式。

故引入的N沟道结型场效应管应接成共漏形式来完成阻抗变换。

热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。

设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。

由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。

该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。

它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。

对于辐射至传感器的红外辐射，热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上，从而使传感器输出电压信号[10]。

如今，热释电红外传感器已被广泛运用于许多方面的解决方案之中。

例如：

过道、走廊的照明灯光控制、私人车库照明、超市等。

究其原因，除了其价便宜，成本较低外，还因为其功能实用度高，较为符合实际需求等原因。

热释电红外传感器在照明系统控制、运动检测、安防监控中都有着不可替代的地位。

本课题中设计的实验需要采用热释电红外传感器中的无源红外传感器（PIR传感器），如图2-5所示。

图2-5PIR传感器

第3章Zigbee无线智能灯光控制

3.1Zigbee无线控制结构

采用树状簇型结构，整体结构布局及组网方式如图3-1所示。

图3-1

3.2设计说明

传感器电路由光敏传感器和热释电红外线传感器组成，两种传感器，双线程控制灯光，提高照明控制的智能化程度，可以根据不同场合在不同时段中不同的情景需求，准确、人性化地提供灯光节能策略。

很好的解决传统照明系统中单传感器的不足，如室内无人却灯火通明。

采用两块PCB进行无线传输控制，可以极大的摆脱空间上的束缚，有效的解决有线布线方式浪费意象派，影响室内美观，维修难度高的问题。

Zigbee无线控制方式仅用两块功能板，功能板上集成了相关的光敏传感器和热释电红外线传感器并有继电器外接端口。

一块功能板用作信号发送，另一块用作信号接收。

本课题设计的照明系统控制的流程，首先由光照强度采集和室内人员采集开始。

当系统启动时，光敏传感器和热释电红外传感器同时运作，将检测得到的光照度和人员信息以电信号形式，发送给终端CC2530芯片。

CC2530接收信号后，根据设计过程中捎写的程序，完成控制指令的判断，并输出控制指令。

而后就是本设计中的特色环节，无线传感网络的建立。

通过对Zigee协议栈的编写和运用，建立点对点无线传输网络。

而后，终端输出的控制指令通过无线传输，传输给接收端的CC2530芯片。

协调器CC2530芯片根据设计过程中捎写的接收端指令处理函数，判断执行何种指令并输出相应的执行命令，而与接收端相连的LED就能做出正确的反映。

当传感器检测到的信号发生变化时，终端CC2530可以立刻接收并进行判断，按照上文所述的途径，完成新的指令传输，接收端也能立刻对接收指令做出相应的执行操作。

根据设置状态扫描间隔时间，可以有效防止信号干扰