基于無(wú)線傳感網(wǎng)智能家居照明控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

引言

    照明控制在日常生活中是必不可少的，無(wú)論是用于日常的照明還是裝飾，都在這個(gè)社會(huì)中扮演著不可或缺的角色。從第一盞燈光的亮起到現(xiàn)今智能化的照明設(shè)備，照明控制技術(shù)經(jīng)歷了從手動(dòng)控制到自動(dòng)控制，然后到智能照明控制的發(fā)展過(guò)程。以上所述的這些系統(tǒng)的共同特點(diǎn)就是均采用有線控制的方式，復(fù)雜的布線施工，在一定程度上造成了系統(tǒng)安裝維護(hù)以及維修等方面的不方便，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性也比較差，移動(dòng)性能不好，維護(hù)成本相對(duì)而言也很高。這些缺點(diǎn)阻礙了智能照明系統(tǒng)的發(fā)展以及應(yīng)用。

    隨著無(wú)線通信技術(shù)的日漸成熟，安裝成本低、安裝布置靈活，而且還具有可移動(dòng)性，方便對(duì)系統(tǒng)的重新布置，這些優(yōu)點(diǎn)都在很大程度上促進(jìn)了無(wú)線智能照明控制系統(tǒng)的發(fā)展。本文采用IEEE802.15.4e協(xié)議組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，適合各種不同建筑物的結(jié)構(gòu)和布局，適用于不同照明設(shè)備的選型與配置，以達(dá)到照明設(shè)備的多元化控制的目的，并可與窗簾、家電設(shè)備協(xié)同控制實(shí)現(xiàn)情景模式的切換。

智能照明系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

    智能照明系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)智能家居的重要組成部分，本設(shè)計(jì)是基于IEEE802.15.4e協(xié)議的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中需要一個(gè)協(xié)調(diào)器對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自主控制，并通過(guò)家庭網(wǎng)關(guān)與家居中的其他終端設(shè)備進(jìn)行通信，網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)組員的管理及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等任務(wù)。智能終端通過(guò)數(shù)據(jù)監(jiān)控中心轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)來(lái)控制燈光節(jié)點(diǎn)。燈光節(jié)點(diǎn)可以設(shè)置成路由或節(jié)點(diǎn)設(shè)備，對(duì)燈具進(jìn)行開關(guān)和調(diào)節(jié)亮度的控制。本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括：智能終端控制、無(wú)線控制節(jié)點(diǎn)及傳感器節(jié)點(diǎn)接入、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心、遠(yuǎn)程客戶控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如1所示。

    在本系統(tǒng)中，無(wú)線節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)接收終端控制命令及進(jìn)行燈具亮度的控制；家庭網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的管理與數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)；協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立和節(jié)點(diǎn)的管理；監(jiān)控中心和終端控制機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的中樞，實(shí)現(xiàn)對(duì)照明的集中管理和對(duì)智能家居的整體控制。

    無(wú)線傳感網(wǎng)可以根據(jù)要求組成星形或樹形的網(wǎng)絡(luò)，星形網(wǎng)絡(luò)一般用于較簡(jiǎn)單的建筑，適合家庭組建。燈光節(jié)點(diǎn)和傳感器由路由及協(xié)調(diào)器接入智能家居家庭網(wǎng)關(guān)，由家庭網(wǎng)關(guān)與智能終端和服務(wù)器相連，構(gòu)成統(tǒng)一的控制網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)燈光節(jié)點(diǎn)都有無(wú)線收發(fā)的功能，可以做協(xié)調(diào)器或路由。

智能燈光控制器的設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)

    智能燈光燈光控制器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭內(nèi)部單個(gè)燈光節(jié)點(diǎn)的控制（開、關(guān)、調(diào)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(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jī)作為微處理器，主要用來(lái)分析和控制照明情況。

（2）射頻模塊：采用CC2430作為射頻芯片，負(fù)責(zé)與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，并通過(guò)串口與微處理器交換數(shù)據(jù)。

（3）光控制器：采用WS100T10集成電路控制可控硅觸發(fā)電路接收微處理器的指令來(lái)進(jìn)行燈光亮度的調(diào)節(jié)。

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

軟件設(shè)計(jì)

    智能燈光控制器的應(yīng)用程序采用Keil C語(yǔ)言編寫，采用Keil C51可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個(gè)開發(fā)流程。

    光強(qiáng)控制模塊主要包括兩部分功能：燈具能夠根據(jù)外界光強(qiáng)，自適應(yīng)進(jìn)行開關(guān)控制；用戶可以根據(jù)個(gè)人喜好開關(guān)燈具和調(diào)整燈具的燈光亮度。

軟件流程設(shè)計(jì)

    軟件流程設(shè)計(jì)是編制軟件的重要環(huán)節(jié)之一。清晰的軟件工作流程可以高效、快速地開發(fā)出所需的應(yīng)用軟件，并能優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)，所以軟件設(shè)計(jì)應(yīng)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(shè)計(jì)流程圖。此設(shè)計(jì)中的調(diào)光控制器通過(guò)控制雙向可控硅的導(dǎo)通來(lái)實(shí)現(xiàn)白熾燈(純阻負(fù)載)亮度的調(diào)整。雙向可控硅的特點(diǎn)是，導(dǎo)通后即使觸發(fā)信號(hào)去掉，它仍將保持導(dǎo)通；當(dāng)負(fù)載電流為零(交流電壓過(guò)零點(diǎn))時(shí)，它會(huì)自動(dòng)關(guān)斷。所以在交流電的每個(gè)半波期間都要送出觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)信號(hào)的送出時(shí)間就決定了燈泡的亮度。調(diào)光的實(shí)現(xiàn)方式就是在過(guò)零點(diǎn)后一段時(shí)間才觸發(fā)雙向可控硅開關(guān)導(dǎo)通，這段時(shí)間越長(zhǎng)，可控硅導(dǎo)通的時(shí)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(guò)零點(diǎn)，并以此為基礎(chǔ)，確定觸發(fā)信號(hào)的送出時(shí)間，達(dá)到調(diào)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(diào)光控制器要控制的對(duì)象是50Hz的正弦交流電，通過(guò)光耦取出其過(guò)零點(diǎn)的信號(hào)(同步信號(hào))，將這個(gè)信號(hào)送至單片機(jī)的外中斷，單片機(jī)每接收到這個(gè)同步信號(hào)后啟動(dòng)一個(gè)延時(shí)程序，延時(shí)的具體時(shí)間由按鍵來(lái)改變。當(dāng)延時(shí)結(jié)束時(shí)，單片機(jī)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)它讓可控硅導(dǎo)通，電流經(jīng)過(guò)可控硅流過(guò)白熾燈，使燈發(fā)光。延時(shí)越長(zhǎng)，亮的時(shí)間就越短，燈的亮度越暗(并不會(huì)有閃爍的感覺，因?yàn)橹貜?fù)的頻率為100Hz，且人的視覺有暫留效應(yīng))。由于延時(shí)的長(zhǎng)短是由按鍵決定的，所以實(shí)際上就是按鍵控制了光的強(qiáng)弱。

無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

    路由節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的管理與數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。燈光場(chǎng)景控制中設(shè)備較多，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)壓力大，所以我們采用增加路由節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)區(qū)域的覆蓋，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，其工作流程如圖4所示。上電初始化完成后，路由節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。若接收到上傳數(shù)據(jù)，則在數(shù)據(jù)中加入自己的拓?fù)湫畔⒃倮^續(xù)上傳，否則，直接將數(shù)據(jù)上傳；若接收到發(fā)給自己的命令，則響應(yīng)該命令；若接收到發(fā)給其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，則進(jìn)行向下的轉(zhuǎn)發(fā)。

圖4 路由節(jié)點(diǎn)工作流程

控制終端程序設(shè)計(jì)

室內(nèi)終端的界面功能實(shí)現(xiàn)

室內(nèi)機(jī)是以GM8120為核心的嵌入式操作系統(tǒng)，采用Linux2.4.19版本，在GM8120 Linux SDK已經(jīng)集成了GM8120芯片中外圍設(shè)備所有器件驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)采用圖形用戶界面（WIMP Window.Icom.Menu.Poingion Device）實(shí)現(xiàn)人與監(jiān)控設(shè)備之間的交互，圖形用戶界面的特點(diǎn)是人們不需要去記憶和敲打繁瑣的命令，只需要通過(guò)“指”“點(diǎn)”直接操作界面，就可以在窗口中“所見即所得”。采用Framebuffer（幀緩沖）技術(shù)和libjpeg函數(shù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控設(shè)備LCD液晶屏上的圖形界面。通過(guò)UART2完成GM8120核心板與觸摸屏控制器的通信，以實(shí)現(xiàn)人與監(jiān)控設(shè)備的交互。

智能照明系統(tǒng)在室內(nèi)機(jī)上實(shí)現(xiàn)的操作界面包括對(duì)單個(gè)燈光進(jìn)行控制和與其他家電設(shè)備一起組成相應(yīng)的情景模式。燈光控制界面是家居控制主界面下的2級(jí)界面，在利用Framebuffer技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖形用戶界面之前，首先要繪制好圖片，以.jpg的文件格式進(jìn)行存儲(chǔ)，并將其放到/usr/pic目錄下，計(jì)算出LCD液晶屏緩沖區(qū)的大小，完成屏幕緩沖區(qū)向用戶控件的映射工作。然后通過(guò)調(diào)用Libjpeg函數(shù)庫(kù)中的API進(jìn)行JPEG解壓縮，將解壓后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到屏幕緩沖區(qū)的映射空間，就可以直接在LCD液晶屏上實(shí)現(xiàn)圖形界面。

燈光控制中的應(yīng)用

我們通過(guò)燈光控制終端可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于家庭內(nèi)部所有燈光的控制工作。為了實(shí)現(xiàn)智能控制的效果，在擁有控制燈光亮度功能的同時(shí)，還設(shè)計(jì)了窗簾、電視和空調(diào)的開關(guān)控制，通過(guò)這樣一個(gè)整體控制，可以實(shí)現(xiàn)各種不同的工作模式，實(shí)現(xiàn)智能燈光控制的效果。情景模式是預(yù)先設(shè)置好的場(chǎng)景控制，調(diào)出場(chǎng)景控制界面，下級(jí)菜單有會(huì)客模式、就寢模式、就餐模式、全開/全關(guān)模式。然后通過(guò)按鍵控制，可以發(fā)出控制命令，把預(yù)先設(shè)置好的模式轉(zhuǎn)換成具體的命令包發(fā)給網(wǎng)關(guān)。模擬實(shí)際用戶家庭情況，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)室智能家居展示相關(guān)條件，設(shè)計(jì)了如表1所示的一組燈光和設(shè)備的運(yùn)行組合。

圖5給出了燈光控制終端軟件工作流程。

室內(nèi)機(jī)場(chǎng)景控制界面的操作界面如圖6所示。

圖5 室內(nèi)控制終端流程

圖6 室內(nèi)機(jī)場(chǎng)景控制界面

表1 情景模式組合

結(jié)束語(yǔ)