基于ZigBee通信技术的室内光照控制系统设计
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作者:李煜堃
摘要：随着物联网技术的发展，作为物联网重要应用之一的智能家居，近几年发展迅速，相应产品得到广泛应用。考虑到当前室内用电浪费现象严重，由此设计一款基于ZigBee通信技术的室内光照控制系统，起到节能效果。本设计从自然光照和灯具光照两方面出发，通过无线传输技术、传感技术等来实现窗帘及灯具的智能控制，为人们提供理想的室内光照环境。
关键词：智能家居;ZigBee;光照控制系统
中图分类号：TP3 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）31-0237-03
1研究背景
从2012年年初国家将智能家居列入“十二五规划”的九大产业，到2017年国务院印发《关于进一步扩大和升级信息消费持续释放内需潜力的指导意见》、工信部印发《促进新一代人工智能产业发展三年行动计划（2018-2020）》，作为物联网领域下朝阳产业的智能家居行业发展迅速，数字家庭产品正走向定制化应用场景的智能家居“产品+服务”模式。尤其是，作为智能家居产品的室内光照控制系统也具有良好的前景。根据《2019中国智能家居发展白皮书》和《2020中国智能家居生态发展白皮书》中的数据可知，智能窗帘和智能灯具照明占据比较重要的地位。
虽然在当今时代，树立可持续发展观，建立资源节约、环境友好型社会的战略决策早已成为社会各界的共识。但是，当前资源的使用状况不容乐观，各种浪费现象普遍存在，特别是在用电方面，浪费尤为严重。
经调查发现，日常生活中在房间内“睡觉时亮灯”“白天亮灯”“无人室内亮灯”的现象较为普遍，造成电能的不必要浪费。同时，用电浪费不仅仅出现在人们的住房、宿舍等私人生活空间，更加频繁地出现在公共场合。其中，在校园及办公场所的用电浪费尤为明显，经常出现离开房间忘记关灯的状况，造成严重的电力浪费。
因此，设计一种室内光照控制系统，直接、有效解決电灯带来用电浪费的方式，起到较好的节能效果，避免不必要的电力浪费。系统所涉及的应用场景不局限于家居，也可以为公共场所室内。
2设计思路
2.1 系统总体设计
室内光照控制系统由主控模块、环境监测传感器模块、灯具控制模块、设备驱动模块、人机交互模块五部分组成，其系统结构方框图如图1所示。
利用ZigBee无线通信技术来构建系统内部网络，进行数据的传输与控制，从而实现主控模块与底层环境监测传感器、设备驱动模块和灯具控制模块的数据通信。同时，主控模块可以利用Wi-Fi将当前实时数据上传至云服务平台，从而与人机交互模块相联系。
2.2系统分层架构
基于ZigBee通信技术的室内光照控制系统按照物联网的基础框架，从整体上大致分为三部分：
（1）感知层：环境监测传感器模块负责感知部分，即实时采集室内的光照强度、温度、红外强度环境数据信息。
（2）网络层：本系统的传输部分包括两类传输方式：①室内的数据传输（即主控模块与底层环境监测传感器、设备驱动模块和灯具控制模块的数据通信）利用ZigBee通信技术;②云平台与主控模块间采用Wi-Fi方式进行数据传输。
（3）应用层：主控模块负责对两类数据的处理、响应：①在常规自动模式，对接受到的底层传感器采集到的数据信息进行分析处理，按照功能需求的设置，对灯具进行相应的开闭控制，或是驱动电机以实现窗帘的开闭;②在人工手动模式下，主控模块接受云平台传来的命令，直接对相应设备进行控制。
3系统功能
3.1功能概述
本系统根据使用者的实际需求，分为常规自动室内光照控制模式和人工手动控制两种方式：在常规方式下，传感层将采集的环境参数通过ZigBee无线网络传输给主控模块进行分析处理，从而自动调节灯具和窗帘的开闭状态;在人工手动控制方式下，使用者也可以通过人机交互模块（微信小程序）来了解室内的基本信息，可以查看温度、光照强度等实时数据，也能够查阅历史数据，并能够发送控制命令完成对灯具和窗帘开闭状态的控制。系统模块功能图如图2所示。
3.2功能详细说明
室内光照控制系统功能主要有以下四个方面：开闭状态的定时控制、实时数据的采集和反馈、开闭状态的自动调节（尽量避免不合理用电状况出现）、根据使用者在微信小程序中的命令来实现对灯具及窗帘开闭状态的控制。
（1）开闭状态的定时控制：使用者可以设定窗帘及灯具的开闭时间，实现窗帘及灯具的定时开关。比如：在睡觉前设定灯具关闭以及窗帘打开的时间，从而避免“忘关灯”造成的用电浪费和“睡过头”的情形。
（2）实时数据的采集和反馈：对室内环境数据信息进行实时采集，并将数据显示到人机交互模块，使用者通过微信小程序来了解室内的基本信息，查看温度、光照强度等实时数据，也能够查阅历史数据。
（3）开闭状态的自动调节：本系统实现对灯具和窗帘开闭状态的自动控制。窗帘的开闭状态分为三种情况：如果在光照适中的白天，则打开窗帘、关闭灯具，利用自然光而不是灯关;如果外界光照强度较为强烈且温度较高，则自动关闭窗帘，避免较强的紫外线对人体造成危害或是较强的光照对室内设备带来损耗;如果天黑，则自动关闭窗帘。除第一种情形，其余情况都需要打开灯具。此时，需要判断室内是否有人，当检测到人体进入室内时，自动打开照明灯具;当检测到人体离开房间时，关闭灯具，从而实现对灯具开闭状态的自动控制。
（4）人工手动控制：使用者通过微信小程序来实现对灯具、窗帘开闭状态的控制，比如白天光照较强时也可以短暂打开房间内的窗帘，起到降低室内湿度的作用;或是需要时，在夜晚也可以打开窗帘，欣赏夜景。
4模块设计
室内光照控制系统的实现，需要在完成主控模块、环境监测传感器模块、灯具控制模块、设备驱动模块、人机交互模块五部分构成的基础上，还需再加上ZigBee通信模块和Wi-Fi模块来实现各部分间数据的传输，进而实现对窗帘及灯具开闭状态的控制。 4.1 ZigBee通信模块
由于TI公司的CC2530芯片是基于标准协议IEEE802.15.4之上，应用于ZigBee的一个片上系统（SOC）解决方案。它能够以极低的总材料成本建立较为强大的网络节点，也能够满足超低功耗系统的要求。故，室内光照控制系统可以采用CC2530芯片来完成组网。由于模块间的联系并不复杂，所以简单起见，可以采用星型网络拓扑结构。具体来说，主控模块与ZigBee协调器相联接，所有传感器、驱动控制模块都与ZigBee终端节点相连接，实现模块间的数据传输。ZigBee通信模块大致如图3所示。
4.2主控模块
主控模块主要负责数据的分析处理、命令控制的发送以及数据上传云平台，故可以利用单片机来实现分析判断、控制开闭、上传数据、接收命令的功能。同时，单片机可以和ZigBee协调器进行数据传输，并利用Wi-Fi模块上传数据或是接受使用者命令。考虑到Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，包含硬件（各种型号的Arduino板）和软件（Arduino IDE），因此可以使用Arduino来实现主控模块的功能。主控模块功能，如图4所示。
4.3环境监测传感器模块
环境监测传感器模块主要负责对室内温度、自然光照强度以及红外强度信息进行收集，故本系统需要温度传感器、红外传感器、光敏传感器。考虑到需要判断外界自然光和房间内光照的强度，可以将光敏传感器放置在两类位置：一类是放在窗帘与外部窗户之间，便于采集自然光照强度;另一类是放在窗帘以里的房间内部，采集室内的光照强度以便判断室内灯具的开闭需要。
4.4灯具控制模块
ZigBee终端节点通过接收到的命令来控制继电器，进而控制灯具的开闭状态。具体来说，主控模块对接收到的人体红外传感器数值和室内光照强度数值进行分析，当室内光照强度较弱（即低于设定阈值时）且人体红外传感器检测到有人进入室内时，则打开灯具照明。每隔一段时间（30s）再次分析新采集的数据，若仍有人在光照强度较弱的室内，则保持灯具照明状态，否则关闭灯具。灯具开闭控制流程图，如图5所示。
4.5设备驱动模块
当需要对窗帘的开闭状态进行改变时，ZigBee终端节点通过接收到的命令来控制继电器（电机与继电器相连），以此实现对电机正转、反转的控制，进而实现对窗帘开闭状态的控制。具体来说，主控模块对接收到的自然光照强度、温度数据进行分析，并结合当前时间，自动调整窗帘的开闭。当在白天时，若自然光照强度、温度未超出警戒阈值，窗帘保持打开状态;若测得当前光照强度过大，超过警戒阈值，则自动关闭窗帘。当在夜晚时，则自动关闭窗帘。窗帘开闭控制流程图，如图6所示。
4.6人机交互模块
该模块主要是以微信小程序的形式，将室内的数据信息展现给使用者，使用者也可以利用其进行定时控制、手动控制，直接发送相应命令。主控模块能够响应命令，控制灯具及窗帘的开闭状态。
4.7 Wi-Fi模块
主控模块单片机利用Wi-Fi模块将数据上传到云服务平台，云服务平台与微信小程序相连接，使得使用者能够看到数据。同时，使用者在微信小程序发送的命令，能够借助云服务平台，通过Wi-Fi模块传输到主控模块，进而实现终端节点对相应指令的响应，完成灯具及窗帘开闭状态的控制。
4.8整体设计框架图
在完成主控模块、环境监测传感器模块、灯具控制模块、设备驱动模块、人机交互模块、ZigBee通信模块和Wi-Fi模块的设计分析后，室内光照控制系统的整体设计框架图如图7所示。
5总结
本文所提出的基于ZigBee通信技术的室内光照控制系统，从自然光和灯具照明两方面出发，借助对窗帘及灯具的控制，进而实现室内的适宜光照，为使用者提供更高质量的生活保障、更舒适的生活环境，同时也便于减少人们室内不合理用电的现象，从而起到节能效果。此外，本系统增加了适当与使用者的交互，具有使用简单方便、远程控制、交互能力强的优点。
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【通联编辑：梁书】
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