基于Zigbee的智能燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

緒論基于Zigbee燈光控制系統(tǒng)研究的背景隨著電子技術(shù)的高速進(jìn)步，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們的生活質(zhì)量也不斷的提高，科技的發(fā)展也使得生活的節(jié)奏越來越快。人類的生活，工作都受到信息化的社會(huì)的影響，而且它也成了傳統(tǒng)燈光控制的挑戰(zhàn)對(duì)手。從物理角度來說，我們所謂的生存空間目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了較大的變革，其已經(jīng)不再是簡單的燈光和自然光的融合，強(qiáng)調(diào)的是實(shí)現(xiàn)更安全、舒適以及便捷的居住空間營造。在空間布局上，通過信息技術(shù)終端的引入，以及自動(dòng)化管控技術(shù)，能夠讓人充分享受到便捷的生活空間，感受生活的樂趣。顯然現(xiàn)代化家居燈光設(shè)計(jì)理念的引入，開始促使在家居照明設(shè)計(jì)上也步入智能化發(fā)展趨勢，且其成為一種突出的消費(fèi)需求[1]。隨著科技的發(fā)展，該需求的實(shí)現(xiàn)也成為可能。目前借助通信以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的運(yùn)用，能夠?qū)崿F(xiàn)智能化的家居燈光管控，而且智能燈光系統(tǒng)也有較好的口碑。從燈光控制領(lǐng)域來說，人們對(duì)于照明的需求已經(jīng)不再是單純的局限在亮度需求上了。而今，人們對(duì)照明的需求開始步入更靈活以及更高效的需求，強(qiáng)調(diào)照明的美感營造。傳統(tǒng)燈光照明是難以滿足這一需求的。而且在當(dāng)前來說，人們也希望能夠有合理、更智能的燈光管控系統(tǒng)出現(xiàn)。結(jié)合既有的燈光控制技術(shù)來看，一個(gè)突出的問題就是能源利用率有限。人們在子夜時(shí)對(duì)燈光亮度要求不高，所以通過智能化管控，能夠有效節(jié)約能源。比如在街燈的管控上，進(jìn)入到子夜后，隨著路上行人的日見稀少，實(shí)際上可以通過合理燈管控制來進(jìn)行智能化照明。但傳統(tǒng)照明系統(tǒng)難以達(dá)成這個(gè)要求，也無法做到靈活照明管控[2]。隨著光電控制電路的引入，其可以借助光敏電阻器件來實(shí)現(xiàn)街燈的管控，天黑自動(dòng)亮起，早上天亮之后自動(dòng)關(guān)閉。這種方法存在可靠性低、易受外界干擾、后半夜燈光照明浪費(fèi)能源，也不能對(duì)燈光實(shí)行有效的節(jié)能控制[2]。結(jié)合目前在燈光控制方面，傳統(tǒng)技術(shù)手段的不斷，基于Zigbee的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也開始發(fā)展起來?，F(xiàn)有燈光控制方案傳統(tǒng)燈光控制即在建筑照明中，照明燈需要通過電線與機(jī)械開關(guān)連接，形成照明控制的開關(guān)電路，然后才能使用開光控制照明燈；要想有不同的照明管控效益，通常要求設(shè)計(jì)者要進(jìn)行開光電路的合理接線操作，確保能夠達(dá)成多樣化的照明管控目的。完成照明燈光控制所需的必要條件是：照明燈、供電回路、控制回路、人工操作。少其一項(xiàng)，都無法實(shí)現(xiàn)照明控制。聲控有線自動(dòng)控制它是一種由聲音控制的電子照明裝置，這個(gè)裝置主要由音頻放大器、選頻電路、以及可控硅電路組成。這種電子照明裝置是一種操作方便、好用的優(yōu)質(zhì)聲控?zé)簦?dāng)附近有人經(jīng)過并且發(fā)出聲音時(shí)，聲控?zé)魧?huì)由話筒傳入，并且會(huì)經(jīng)過功率放大使電路接通，從而實(shí)現(xiàn)燈的智能控制。聲控?zé)粼谠O(shè)計(jì)的過程中，主要的元件有話筒，以及音頻放大器、選頻電路、倍壓整流、鑒幅及恒壓源電路，此外還有延時(shí)以及可控延時(shí)開啟、開關(guān)電路等。光強(qiáng)無線燈光控制根據(jù)外界燈光強(qiáng)弱，通過光敏傳感器將信號(hào)反饋回中央處理器，并根據(jù)內(nèi)置程序通過紅外線，藍(lán)牙完成信號(hào)的發(fā)送和接收操作，基于此能夠達(dá)成對(duì)燈光的智能化管控。方案比較傳統(tǒng)燈光的控制方式成本低廉，能充分滿足家庭內(nèi)不同年齡、不同職業(yè)、不同習(xí)慣的家庭成員及訪客的操作需求；不會(huì)因?yàn)榫植恐悄茉O(shè)備的臨時(shí)故障，導(dǎo)致不能實(shí)現(xiàn)控制的尷尬。但因?yàn)樗匿佋O(shè)比較復(fù)雜，使用的電路相對(duì)太多，電線的使用相比也較多，為了能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的照明控制，往往會(huì)需要更多的機(jī)械開關(guān)。因此也就導(dǎo)致了材料會(huì)浪費(fèi)的問題。此外考慮到傳統(tǒng)照明的管控者是子然人，所以這會(huì)導(dǎo)致能源的浪費(fèi)。這將是不符合現(xiàn)代節(jié)能減排理念的要求的。除此之外，傳統(tǒng)照明系統(tǒng)的檢修工作相對(duì)于智能燈光控制也比較復(fù)雜。傳統(tǒng)照明控制系統(tǒng)通常會(huì)有較為復(fù)雜的電路接線，所以在后續(xù)的維護(hù)上會(huì)有較大的工作難度。有時(shí)候?yàn)榱诉M(jìn)行一個(gè)小問題的解決，往往需要耗費(fèi)較長的時(shí)間。而且如果電路開斷時(shí)，會(huì)有火花出現(xiàn)，存在安全隱患。聲控有線自動(dòng)控制由于這種方案的智能化程度較高，而且它的控制方式也是相當(dāng)于全自動(dòng)的。但其不具備突出的抗干擾表現(xiàn)。而且采用聲控方式進(jìn)行照明管控，也會(huì)受到多方面因素的干擾。比如室內(nèi)有人，但是沒有聲音，燈光會(huì)自動(dòng)斷掉，給人們的生活也帶來了很多不便的地方。且有線布局方式不僅不美觀，布線以及后續(xù)維護(hù)也都十分復(fù)雜。光強(qiáng)無線燈光控制采取這種方式進(jìn)行照明管控，不需要太多復(fù)雜的設(shè)備，而且整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本很低，有較高的推廣效益。目前家居系統(tǒng)里也有很多家電能夠借助紅外心啊進(jìn)行遙控控制，所以僅僅需要進(jìn)行簡單的改進(jìn)，就可以讓更多家電也可以加入到智能家具控制網(wǎng)絡(luò)里。但信號(hào)發(fā)射的而是紅外線和藍(lán)牙傳媒的介質(zhì)，無熱釋放的電紅外線傳感器就能夠生成回路。由于錯(cuò)誤控制，導(dǎo)致明明房間里沒有人，但是卻燈火通明的現(xiàn)象，致使資源浪費(fèi)嚴(yán)重。紅外線的波長在于760nm和400um之間，因?yàn)樗牟ㄩL短，所以對(duì)于障礙物的衍射能力比較差，因此強(qiáng)調(diào)要進(jìn)行可視化的控制器以及接收器設(shè)計(jì)，二者之間的通信角度應(yīng)該設(shè)定在35以下，距離一般控制在10米范圍內(nèi)。也正是因?yàn)槿绱耍潆y以實(shí)現(xiàn)較大范疇的家庭通信應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)方案Zigbee無線智能控制Zigbee無線智能燈光控制在進(jìn)行照明系統(tǒng)的管控上，包含控制、接收以及發(fā)射等部分。每個(gè)Zigbee功能板的內(nèi)部都是集成了無線收發(fā)的功能。燈光節(jié)點(diǎn)是由PCB的天線模塊，CC2530模塊，以及燈驅(qū)動(dòng)繼電器模塊還有燈電路模塊傳感器模塊組成。PCB為天線，此外CC2530內(nèi)部也搭載了一個(gè)接收器，二者在通信活動(dòng)開展上，僅僅是負(fù)責(zé)和其他相關(guān)節(jié)點(diǎn)間的通訊。其中CC2530的功能在于信號(hào)接收操作，燈驅(qū)動(dòng)模塊將會(huì)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)燈模塊，從而實(shí)現(xiàn)燈的亮滅以及其他功能。Zigbee控制方案優(yōu)勢結(jié)合當(dāng)前照明管控的設(shè)計(jì)方案，若是在方案中僅僅是引入一個(gè)簡單的光敏或光照傳感器，那么如果光線較弱就自動(dòng)開啟燈光，容易導(dǎo)致出現(xiàn)家里沒有人但是燈光卻處于點(diǎn)亮的情況。雖然可以引入時(shí)間段管控，但是這種方式無法確保系統(tǒng)能夠結(jié)合室內(nèi)人數(shù)以及光線需求來實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光開啟程度以及數(shù)量的精準(zhǔn)管控，從而能夠達(dá)到節(jié)能減排的目的。論文在研究中，使用的是一個(gè)光敏以及一個(gè)熱釋電紅外線進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，基于兩種不同傳感器的引入，確保在進(jìn)行照明管控實(shí)現(xiàn)上，可以充分是智能化操作。而且集合場合以及人員數(shù)量的差異，可以實(shí)現(xiàn)定制化的照明管控，準(zhǔn)確、人性化地提供燈光節(jié)能的不同策略。很好的解決室內(nèi)無人卻燈火通明的不足。通過的是無線控制，能夠擺脫空間上對(duì)于我們的束縛，傳統(tǒng)意義上的有線布線不僅浪費(fèi)很多的有效空間，而且影響室內(nèi)美觀，而采用套管內(nèi)墻布線在一定程度上克服美觀性問題，但布線方式復(fù)雜且線路一旦出現(xiàn)問題，維修難度極高。并且Zigbee無線控制方式是可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)照明方式的缺點(diǎn)，由于其設(shè)備簡單、價(jià)格低廉，很容易在廣大家庭中推廣。Zigbee控制研究意義1，使用方便，節(jié)約資源，更加環(huán)保。2，照明設(shè)計(jì)要重視人本思想引入，強(qiáng)調(diào)立足人的需求合理進(jìn)行照明管控，確保照明能夠和人的需求保持緊密結(jié)合，打造出更有特色，以及更個(gè)性化的家庭照明環(huán)境。3，構(gòu)造出智能建筑系統(tǒng)的一個(gè)部分。它可以自己運(yùn)行對(duì)光環(huán)境的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)光環(huán)境的合理控制；在通信保險(xiǎn)方面，其有非常出色的白噢先，而且可拓展功能突出。在通信功能體現(xiàn)，以及可擴(kuò)張方面的優(yōu)勢，也促使其可以實(shí)現(xiàn)住宅照明系統(tǒng)的智能化管控，同時(shí)將其看作是自身住宅的子系統(tǒng)。此外其還能夠與其它智能家居系統(tǒng)進(jìn)行高效互聯(lián)，打造成一個(gè)智能化的家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。Zigbee簡介Zigbee介紹Zigbee這個(gè)協(xié)定是根據(jù)IEEE802.15.4而制定的?；赯igbee協(xié)議的驅(qū)動(dòng)，本文完成了無線通信系統(tǒng)的組建。其有較小的功耗，而且在進(jìn)行技術(shù)應(yīng)用上基本上有較低的成本。但是其不足是，通信范疇有限[4]。無線通信系統(tǒng)的作用在于滿足無線傳感網(wǎng)絡(luò)以及智能管控系統(tǒng)的高效開發(fā)，其可以借助多種功能豐富的傳感器來進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)布局。簡而言之，ZigBee是一種節(jié)能，而且省錢的可持續(xù)發(fā)展的無線組網(wǎng)通信技術(shù)。這個(gè)無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)就是基于Zigbee協(xié)議創(chuàng)造的，網(wǎng)絡(luò)大部分是由65000個(gè)的無線數(shù)據(jù)的傳輸模塊組成的。在完成建立的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)范疇里，不同傳輸模塊會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的地址，基于Zigee通訊協(xié)議，能夠讓每個(gè)傳輸模塊之間完成通信。還能使用點(diǎn)播，組播協(xié)議，對(duì)一部分傳輸模塊的進(jìn)行加密，保證數(shù)據(jù)僅傳輸?shù)街贫ǖ刂返哪K上，功能相當(dāng)強(qiáng)大。當(dāng)今社會(huì)還是工業(yè)上Zigbee無線數(shù)據(jù)傳輸使用的比較多，在工業(yè)自動(dòng)化的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊中起到了相當(dāng)重要的作用。由于在工業(yè)現(xiàn)場中使用，無線數(shù)據(jù)的傳輸網(wǎng)絡(luò)因?yàn)榘惭b簡單，操作方便，性能穩(wěn)定，省錢。ZigBee的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)本身就是可以單獨(dú)作為感應(yīng)終端的，無線傳輸可以通過通過感應(yīng)終端安裝傳感器完成，其也可以作為一個(gè)協(xié)調(diào)器使用，可以完成信號(hào)收取，同時(shí)實(shí)現(xiàn)該信息的轉(zhuǎn)發(fā)。并且Zigbee可以和單獨(dú)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)接，只需要在信號(hào)范圍內(nèi)。Zigbee成本低廉，功能完備全面，十分符合課題研究的需求。所以進(jìn)行多方比較和課題研究分析后，本文最終選擇使用Zigbee協(xié)議棧，從而建立出無線傳感網(wǎng)絡(luò)，并會(huì)在方案中使用無線傳感網(wǎng)絡(luò)，它將會(huì)不同于傳統(tǒng)照明方式和數(shù)據(jù)傳輸方式。CC2530CC2530，是用于2.4-GHzIEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)制造耗材低。CC2530有很多先進(jìn)優(yōu)勢，是在8051CPU基礎(chǔ)的升級(jí)，其可以實(shí)現(xiàn)編程內(nèi)容的閃存操作，8-KBRAM還有很多的優(yōu)點(diǎn)。CC2530的閃存有：CC2530F32/64/128/256，其中有32/64/128/256KB的閃存。CC2530運(yùn)行模式各不相同，系統(tǒng)消耗低更應(yīng)該選擇該方式。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短進(jìn)一步確保了低能源消耗[6]。系統(tǒng)的功能引腳如圖2-2所示。CC2530F256是綜合了德州儀器ZigBee協(xié)議棧（Z-Stack），這是一個(gè)很好而且完善的方案。CC2530F64中間含有RemoTI原件，給ZigBeeRF4CE提供了一個(gè)完美的解決方法。圖2-2CC2530功能引腳圖基于CC2530實(shí)驗(yàn)板本課題是通過大量數(shù)據(jù)名和分析現(xiàn)有照明控制方案后，再加上Zigbee無線數(shù)據(jù)的傳輸技術(shù)，提出了一套基于光照傳感器加上熱釋電紅外傳感器而形成的無線傳感照明控制方案。為了能夠證明此次課題的可行性，所以需要能夠通過實(shí)驗(yàn)硬件完成方案中的驗(yàn)證。而套硬件的實(shí)驗(yàn)，最后就需要在CC2530的開發(fā)板上完成實(shí)驗(yàn)。最終實(shí)驗(yàn)所用的開發(fā)板如圖2-3所示。圖2-3CC2530實(shí)驗(yàn)板CC2530開發(fā)板的核心功能是：（1）4色LED4色LED由左至右分別為藍(lán)、橙、紅、綠。他們分別和LED4、3、2、1相互對(duì)應(yīng)。四色LED的IO口為：LED4--P0.1、LED3--P1.4、LED2--P1.1、LED1--P1.0。在Zigbee協(xié)議棧將其中任一IO口置1，就能使其對(duì)應(yīng)編號(hào)的LED燈亮起。P0.1口的LED4可與光敏座聯(lián)動(dòng)，當(dāng)插入光敏電阻后，LED4是可以根據(jù)光敏電阻檢測光照程度從而進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整亮度的。P1.4口和繼電器口互通，基于P1.4口的管控，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)繼電器以及LED3的管控。人體紅外座人體紅外座中是可以加上紅外傳感器的。在本文的系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，為確保硬件實(shí)驗(yàn)中PIR傳感器功能的達(dá)成，則需要在該座中進(jìn)行PIR傳感器的設(shè)計(jì)。該座使用的是P0.5口。該口默認(rèn)狀態(tài)為高電平狀態(tài)，此時(shí)代表房間內(nèi)有人。（3）光敏插座光敏插座對(duì)應(yīng)的IO口為P0.1，該口為光敏插座和LED4的共用口。在完成光敏電阻插入操作后，此手LED4可以結(jié)合光敏電阻檢測的結(jié)果來進(jìn)行亮度的對(duì)應(yīng)調(diào)整和管控。USB供電串口在進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)操作上，CC2530所設(shè)定的節(jié)點(diǎn)一共有三個(gè)。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作上，要使用USB線實(shí)現(xiàn)電腦以及供電串口的連接，確保其能夠得到工作所必須的電源支持，如此CC2530節(jié)點(diǎn)才能工作。（4）電源切換開關(guān)在進(jìn)行電源的設(shè)計(jì)上，為充分展現(xiàn)出本文系統(tǒng)獨(dú)特的無線傳輸效果，所以在供電實(shí)現(xiàn)上，采用電池來滿足協(xié)調(diào)器供電工作需求。僅需要進(jìn)行電源開關(guān)切換，就可以實(shí)現(xiàn)電源的開閉。復(fù)位按鍵其作用在于完成初始化操作。Debug口仿真驅(qū)動(dòng)器插入口，完成插入后連接電腦捎入程序。此口也可以作為供電用。光敏傳感器因?yàn)榭萍嫉陌l(fā)展，所以各種傳感器也是花式百出讓人應(yīng)接不暇，各種功能的傳感器層出不窮。而在眾多種類的傳感器中，運(yùn)用較為普遍的就是光敏傳感器。光敏傳感器對(duì)于非電量檢測，智能還有節(jié)能控制系統(tǒng)都是有著重要的意義，其在各種照明控制工程或監(jiān)測工作中都被廣泛使用[7]。光敏電阻算是最敏感的光敏傳感器。而在本文中，光敏電阻也是主要使用光敏原件。光敏電阻，也有人將其稱作是光導(dǎo)管，在進(jìn)行這種元件的設(shè)計(jì)上，一般使用的材料是硫化鎘、硫化鋁或是硫化鉍、硒等。之所以選擇這些材料，是考慮到這些材料本身可以在一定波長的光照條件下，可以實(shí)現(xiàn)其自身阻值的快速減小。產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)象的原因是因?yàn)楣庹盏妮d流子參與了其中的導(dǎo)電，在外部有電場的情況下發(fā)生了飄移運(yùn)動(dòng)，正極電子增多，負(fù)極空穴增多，最后造成阻值迅速下降。通常而言，在進(jìn)行光敏電阻的設(shè)計(jì)上，最理想的就是這種薄片模式，其可以實(shí)現(xiàn)最大化光能的吸收。在有光照射的情況下，此時(shí)在該薄片內(nèi)部會(huì)在光照作用下激發(fā)出電子，這些電子能夠?qū)щ?，因此在這種情況下，會(huì)導(dǎo)致電路的電流增加。最終終于在它有銦等金屬時(shí)，能夠提高靈敏度并且使得光敏電阻需要是梳狀圖案。光敏電阻的結(jié)構(gòu)圖如圖2-4所示。傳感器的工作原理是：運(yùn)用光敏元器件，將其所測到的信號(hào)，可以使照度信息，也可以是光照強(qiáng)度信息等這些非電量轉(zhuǎn)換為電量，即獲取到電信號(hào)。本文在系統(tǒng)的設(shè)定上，使用的是兩種電信號(hào)值，分別是1、0。在本文系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，室內(nèi)光線信息的檢測是借助光敏電阻實(shí)現(xiàn)的。如果室內(nèi)有出色的光照，那么此時(shí)光敏電阻輸出的電信號(hào)取值是1。圖2-4光敏電阻結(jié)構(gòu)圖光敏傳感器敏感波長中包含有紅外線和紫外線，它們都是在可見波長的附近，我們?nèi)绻前逊请娏哭D(zhuǎn)化成電信號(hào)的話，光傳感器還能夠探測其他原件并且能夠檢測很多非電量，這將是它的能力的一種延伸。當(dāng)光子沖擊接合處就會(huì)產(chǎn)生電流，使其接通，轉(zhuǎn)化成所需的電信號(hào)。熱釋電紅外線傳感器熱釋電紅外線傳感器是目前市場中一種常用的傳感器，其采用的材料多數(shù)是一些高熱電系數(shù)材料。對(duì)于不同的探測器來說，每個(gè)探測器里都會(huì)有1-2個(gè)元件嵌入。若是嵌入兩個(gè)元件，采用串聯(lián)模式連接，為反極性連接方式。通過這種連接，可以有效規(guī)避元件由于自身過高溫度帶來的一系列影響。探測元件可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境的檢測，并可以檢測結(jié)果轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，這些電壓信號(hào)在經(jīng)過效應(yīng)管后會(huì)被放大，隨后這些信號(hào)會(huì)被傳輸?shù)浇邮斩恕榇_保探測器在檢測的過程中有出色的靈敏度，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)更廣泛范圍內(nèi)信息的采集，通常會(huì)借助菲涅爾透鏡的搭載完成。菲涅爾透鏡為具備特殊光學(xué)系統(tǒng)的透鏡，其可以配合放大電路完成信號(hào)的放大處理，以確保探測器可以更精準(zhǔn)的采集信息[9]。通過在熱釋電紅外傳感器設(shè)計(jì)過程中加載場效應(yīng)管，可以滿足阻抗變換的需求。考慮到熱電源本身僅可以輸出電荷信號(hào)，所以需要對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即實(shí)現(xiàn)電荷到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換，這一點(diǎn)可以借助場效應(yīng)管完成。在熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)布局上，涵蓋了三部分，分別是傳感探測元、干涉濾光片和場效應(yīng)管匹配器等。在進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)上，要求選擇一些有突出表現(xiàn)的高熱電材料，而且在制作過程中，要求其必須嚴(yán)格按照約定厚度設(shè)計(jì)。在完成薄片的制作后，還需要在其兩面分別進(jìn)行鍍上金屬電極，隨后通過加電的方式完成其極化處理和操作，這樣便制成了熱釋電探測元。在經(jīng)過加電極化處理后，獲取到一個(gè)有極性的電壓。所以在經(jīng)過極化處理后，實(shí)際上此時(shí)探測元也會(huì)存在正、負(fù)極。在進(jìn)行探測元的串連上，采取的是反極性串聯(lián)方式，通過連接相反的極性連接，可以規(guī)避干擾因素的存在。借助兩個(gè)有同樣大小但是極性相反的探測元連接，可以確保干擾信號(hào)的相互抵消，進(jìn)而充分滿足傳感器穩(wěn)定工作的要求。在紅外輻射作用影響下，熱釋電傳感器借助其前端的菲涅爾透鏡可以完成紅外輻射的聚焦，并將這些輻射加至探測元，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輻射到電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換后，完成信號(hào)的輸出[10]。當(dāng)前在很多領(lǐng)域以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)上都引入了熱釋電紅外傳感器。比如在一些走廊過道的燈光管控上，或是車庫照明，乃至超市的照明設(shè)計(jì)等。這是因?yàn)闊後岆娂t外傳感器不僅有低廉的成本，而且其功能有突出的實(shí)用價(jià)值，可以充分契合實(shí)際使用需求。熱釋電紅外傳感器在照明系統(tǒng)控制、運(yùn)動(dòng)檢測、安防監(jiān)控中都有著不可替代的地位。 在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)上，本文引入了熱釋電紅外傳感器中的無源紅外傳感器（PIR傳感器），如圖2-5所示。圖2-5PIR傳感器Zigbee無線智能燈光控制Zigbee無線控制結(jié)構(gòu)采用樹狀簇型結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)布局及組網(wǎng)方式如圖3-1所示。圖3-1設(shè)計(jì)說明在進(jìn)行傳感器電路的設(shè)計(jì)上，其包含了兩個(gè)核心傳感器組件，分別是光敏以及熱釋電紅外線傳感器，通過兩個(gè)傳感器的共同作用，實(shí)現(xiàn)燈光開啟和關(guān)閉的雙線程操控，這也促使在進(jìn)行智能照明的過程中，能夠充分達(dá)成智能化的控制需求?；诓煌瑘龊系男枨螅梢詫?shí)現(xiàn)不同的智能化管控。通過這種方式，確保在進(jìn)行智能家居照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，能夠充分立足人性化視角，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的燈光開關(guān)控制。而且這種方式也有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)單傳感器管控方式的問題，有效解決傳統(tǒng)控制方案可能存在的資源浪費(fèi)、影響室內(nèi)美觀，維修難度高的問題。Zigbee無線控制在實(shí)現(xiàn)上，主要是通過兩塊搭載不同功能的功能板實(shí)現(xiàn)。一塊功能板上集成了兩個(gè)傳感器，主要是用于實(shí)現(xiàn)環(huán)境分析和信號(hào)的發(fā)送，另一塊功能板則是接收信號(hào)，并進(jìn)行燈光開關(guān)的管控。在進(jìn)行設(shè)計(jì)流程上，第一步是實(shí)現(xiàn)光照情況以及人員采集分析。啟動(dòng)系統(tǒng)后，傳感器進(jìn)入工作狀態(tài)，通過檢測，將光照以及人員檢測結(jié)果以信號(hào)方式發(fā)送給終端CC2530芯片。CC2530在獲取到信號(hào)后，結(jié)合相應(yīng)程序進(jìn)行計(jì)算，并基于計(jì)算結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)控制指令的調(diào)取，發(fā)出控制指令。本文在過程中實(shí)現(xiàn)一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的建立。在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)上，主要是基于Zigee協(xié)議完成。通過無線的方式完成控制指令的傳輸，最終借助算法完成指令的判定和執(zhí)行操作。此時(shí)接收端的LED會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的操作反映。傳感器在獲取到信號(hào)變化時(shí)，此時(shí)終端CC2530能夠在第一時(shí)間獲取到這些變化情況，并利用完成編程的算法進(jìn)行判定，并做出是否需要開啟燈光的控制指令發(fā)出。接收端在獲取指令后，會(huì)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的指令執(zhí)行操作。根據(jù)設(shè)置狀態(tài)掃描間隔時(shí)間，可以有效防止信號(hào)干擾，和無用的信號(hào)判斷。圖3－2為本文系統(tǒng)的流程。圖3-2系統(tǒng)運(yùn)行流程圖具體實(shí)現(xiàn)過程包括：光敏終端可以對(duì)光照的情況做出相應(yīng)檢測。如果環(huán)境光線較差，此時(shí)傳感器對(duì)應(yīng)IO口取值變?yōu)?，終端將發(fā)送的光照信息數(shù)據(jù)包內(nèi)容也為1。紅外傳感終端的作用是就室內(nèi)是否有人進(jìn)行判定，若有人，則輸出1，反之則輸出0。接收端接收的信號(hào)有兩部分，分別是光敏以及紅外傳感發(fā)出的信號(hào)。其通過對(duì)信號(hào)內(nèi)容的提取和分析，發(fā)出相應(yīng)的控制指令。信號(hào)傳輸采用的協(xié)議是Zigbee點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線通訊協(xié)議，保證終端所發(fā)送數(shù)據(jù)僅能發(fā)送到指定地址的協(xié)調(diào)器，消除了在多個(gè)協(xié)調(diào)器情況下的信號(hào)誤傳問題以及干擾問題。進(jìn)行環(huán)境判斷。接收端在獲取到信號(hào)后會(huì)就信號(hào)信息進(jìn)行分析，若數(shù)據(jù)包的內(nèi)容是1，則無需開啟燈光，協(xié)調(diào)器上繼電器開通，繼電器通電指示燈亮起。若數(shù)據(jù)包內(nèi)容為0，證實(shí)光線不足，且有人，則要開啟燈光，指示燈熄滅。啟動(dòng)系統(tǒng)后，系統(tǒng)就會(huì)始終處于運(yùn)行狀態(tài)，基于Zigbee協(xié)議棧，可以改變對(duì)傳感器信息的采集時(shí)間，以此消除環(huán)境中干擾信號(hào)的影響。系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)開發(fā)環(huán)境介紹本文在系統(tǒng)開發(fā)上，使用的環(huán)境為IAR

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Workbench，其能夠充分滿足本文系統(tǒng)開發(fā)的需求。該環(huán)境為嵌入式應(yīng)用，其可以滿足用戶對(duì)系統(tǒng)功能特性的開發(fā)需求。IAR

Embedded

Workbench

可實(shí)現(xiàn)開發(fā)框架的提供，該框架可以滿足其他應(yīng)用工具的嵌入要求。其對(duì)很多8位、16位及32位微控制器以及處理器都有較好的適用效果，所以用戶在進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)的過程中不會(huì)感到陌生。而且其還為用戶提供了一個(gè)便捷、高效的編程環(huán)境，提供很多代碼供開發(fā)者使用。通過該平臺(tái)的運(yùn)用，能夠確保本文系統(tǒng)在開發(fā)上不僅能夠?qū)崿F(xiàn)豐富的功能，同時(shí)也有更出色的開發(fā)效率。基于IAR工具，用戶可以大大節(jié)省工作時(shí)間。

圖3-3為IAR

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Workbench軟件界面。圖3-3IAR

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Workbench軟件界面系統(tǒng)初始化主要是進(jìn)行相應(yīng)元件的初始化操作，確保所以模塊都能夠處于啟動(dòng)狀態(tài)，數(shù)據(jù)為初始值。系統(tǒng)初始化主要包括LED初始化、USART(串口通訊)、光敏傳感器和I／O(一般輸入輸出端口)等的操作，設(shè)置相應(yīng)的寄存器。在實(shí)驗(yàn)?zāi)M上，采用了兩個(gè)Zigbee模塊。兩個(gè)模塊分別設(shè)計(jì)捎寫不同的Zigbee協(xié)議棧語句。光敏傳感器終端代碼該代碼的目的是光敏傳感器信息采集、分析以及結(jié)果的傳輸。光敏傳感器會(huì)對(duì)周邊環(huán)境的光照情況做出判定，而后將結(jié)果以信號(hào)方式傳輸給CC2530，借助下述代碼，進(jìn)行環(huán)境判斷，并輸出判斷結(jié)果信息至協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器根據(jù)當(dāng)前環(huán)境判斷信息進(jìn)行控制指令判斷。voidSampleApp_SendPointToPointMessage(void)//點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信協(xié)議，使終端信息僅能傳至與終端地址相同的協(xié)調(diào)器上//{uint8L;//定義8位整形變量//if(P0_1==1)//判斷光敏電阻檢測信息，0為有光，1為{無光//L=1;//當(dāng)完成光信號(hào)判斷時(shí)，輸出的信號(hào)L}由協(xié)調(diào)器接收，并完成指令的邏輯判斷//else{L=0;}if(AF_DataRequest(&Point_To_Point_DstAddr,//該if結(jié)構(gòu)體為Zigbee點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信協(xié)議&SampleApp_epDesc,的數(shù)據(jù)傳輸部分//SAMPLEAPP_LIGHT_CLUSTERID,//傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包類型//1,//傳輸數(shù)據(jù)長度//&L,//傳輸數(shù)據(jù)L的內(nèi)容//&SampleApp_TransID,AF_DISCV_ROUTE,AF_DEFAULT_RADIUS)==afStatus_SUCCESS){}else{//錯(cuò)誤發(fā)送時(shí)，不傳輸數(shù)據(jù)//}}（2）紅外熱釋電傳感器終端代碼在這一段的代碼作用和功能體現(xiàn)上，如光敏終端代碼。第一步是判斷環(huán)境，隨后結(jié)合判斷結(jié)果進(jìn)行通訊，將結(jié)果發(fā)至協(xié)調(diào)器，供協(xié)調(diào)器進(jìn)行控制指令判斷。#defineSAMPLEAPP_PEOPLE_CLUSTERID3//定于紅外信號(hào)數(shù)據(jù)包類型，傳輸編號(hào)，方便協(xié)調(diào)器端接收識(shí)別//voidSampleApp_SendPointToPointMessage(void){uint8L;if(P0_5==1)//判斷熱釋電紅外傳感器檢測信息，{0為無人，1為有人//L=1;//用于協(xié)調(diào)器端進(jìn)行指令判斷的數(shù)據(jù)}內(nèi)容else{L=0;}if(AF_DataRequest(&Point_To_Point_DstAddr,//紅外信號(hào)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)發(fā)送協(xié)議&SampleApp_epDesc,SAMPLEAPP_PEOPLE_CLUSTERID,//所發(fā)送的L的數(shù)據(jù)類型1,//L的數(shù)據(jù)長度&L,//L的數(shù)據(jù)內(nèi)容&SampleApp_TransID,AF_DISCV_ROUTE,AF_DEFAULT_RADIUS)==afStatus_SUCCESS){}else{//Erroroccurredinrequesttosend.}}協(xié)調(diào)器接收終端信號(hào)、判斷、執(zhí)行部分本段代碼將實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收到判斷到執(zhí)行的全過程。第一步是協(xié)調(diào)器會(huì)獲取終端對(duì)環(huán)境做出的判定結(jié)果，結(jié)合代碼邏輯判斷，對(duì)環(huán)境狀態(tài)做出分析，并完成對(duì)應(yīng)操作指令的篩選和發(fā)送，并最終執(zhí)行操作指令。voidSampleApp_MessageMSGCB(afIncomingMSGPacket_t*pkt)//Zigbee數(shù)據(jù)接收協(xié)議//{switch(pkt->clusterId)//判斷所接受的數(shù)據(jù)類型，在光敏和紅外傳感部分，已分別定義了各自的數(shù)據(jù)類型//相應(yīng)指令；//H=pkt->cmd.Data[0];//由于接收協(xié)議以此只能接收一個(gè)數(shù)據(jù)，而系統(tǒng)中兩個(gè) 終端同時(shí)對(duì)協(xié)調(diào)器進(jìn)行信號(hào)傳輸，因此需要用全局變量進(jìn)行數(shù)據(jù)保存//break;caseSAMPLEAPP_PEOPLE_CLUSTERID://若為紅外信號(hào)的數(shù)據(jù)包，則將內(nèi)容賦給D=pkt->cmd.Data[0];全局變量D//break;}if((H==1)&&(D==1))//根據(jù)全局變量的賦值情況，進(jìn)行邏輯判斷//{P1_0=1;//若所讀環(huán)境信息為有人且無光的狀態(tài)，}輸出控制指令，使受控端LED1亮//else{P1_0=0;//除了有人且無光的環(huán)境，其他情況一律輸出}熄滅燈的指令//}代碼及其注釋中，針對(duì)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的每一步流程都給出了詳細(xì)解釋。包含傳感器連接的IO口，信號(hào)采集賦值，以及數(shù)據(jù)包名稱及類別，信號(hào)傳輸?shù)膬?nèi)容，接收器在獲取到信號(hào)后如何開展邏輯判斷并基于判斷完成指令的篩選和發(fā)出，控制指令內(nèi)容等。在實(shí)驗(yàn)操作上，由于預(yù)算以及時(shí)間因素約束，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，僅采用了一個(gè)光敏以及一個(gè)紅外傳感器來進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)還具有較大的功能擴(kuò)展空間，有待日后開發(fā)。硬件仿真結(jié)果分析硬件仿真調(diào)試內(nèi)容在進(jìn)行硬件系統(tǒng)調(diào)試操作上，借助兩塊Zigbee實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的布局，第一個(gè)模塊需要舍友光敏傳感器、熱釋電紅外傳感器。其為檢測終端，能夠?qū)κ覂?nèi)環(huán)境情況進(jìn)行檢測。另一模塊的作用在于管控，可以收發(fā)信號(hào)，并按照信號(hào)完成燈光的開啟或關(guān)閉控制，其為協(xié)調(diào)器。實(shí)驗(yàn)預(yù)期達(dá)到以下效果：當(dāng)且僅當(dāng)光敏傳感器判斷環(huán)境為無光且紅外傳感器判斷有人時(shí)，協(xié)調(diào)器LED1即綠燈亮起，其余一切狀態(tài)，綠燈保持不亮狀態(tài)。在進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)操作上，進(jìn)行無光模擬時(shí)，需要用手完成光敏傳感器的遮擋操作，可以在白天進(jìn)行有光狀態(tài)的模擬；模擬有人狀態(tài)是，手靠近紅外傳感器，無人狀態(tài)則人體與傳感器保持一定距離。調(diào)試結(jié)果分析模擬環(huán)境中，光照不足，但是有人的情景此環(huán)境中，協(xié)調(diào)器接收終端發(fā)出的檢測信號(hào)后，進(jìn)行邏輯判斷并執(zhí)行控制指令，該指令正確情況應(yīng)該是協(xié)調(diào)器的LED1開。實(shí)驗(yàn)效果如圖4-1所示。用手把光敏傳感器檢測終端遮住，此時(shí)用手指在熱釋電紅外傳感器附近晃動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)無光情況下人進(jìn)入室內(nèi)狀況的模擬。通過模擬可知，在協(xié)調(diào)器的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上第一盞LED燈亮起。實(shí)驗(yàn)效果與預(yù)期一致。最右方兩盞LED分別為：第四盞，光敏燈，默認(rèn)為亮；在兩節(jié)點(diǎn)成功完成通訊后，此時(shí)第三盞通訊聯(lián)接指示燈亮起。協(xié)調(diào)起中這兩盞燈保持常亮狀態(tài)。所需燈均完成了點(diǎn)亮操作，而且基于串口戒面也可以對(duì)燈亮起的情況進(jìn)行管控，在這種狀態(tài)下，串口呈現(xiàn)的是lighton，串口界面如圖4-1：圖4-1無光有人模擬（2）的時(shí)候，也是本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)和其他照明系統(tǒng)的差異部分。在傳統(tǒng)的照明控制上，采取的是機(jī)械管控方式，其不存在智能控制效果。傳統(tǒng)的智能家居控制系統(tǒng)僅可以借助紅外或是光照感應(yīng)引入來滿足工作要求。但是對(duì)于一些相對(duì)復(fù)雜的環(huán)境來說，在判斷上則有較大的難度。在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)里，為充分踐行智能管控理念，同時(shí)達(dá)成節(jié)能控制目標(biāo)，對(duì)環(huán)境判斷功能的實(shí)現(xiàn)做出了深入的探討，能夠確保所開發(fā)的系統(tǒng)可以精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)環(huán)境判定，并結(jié)合判定結(jié)果做到合理的燈光管控。相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)如下：模擬環(huán)境中，光照不足且無人員結(jié)合下圖圖4-2的內(nèi)容，在昏暗的光線下，此時(shí)啟動(dòng)光敏傳感器，且傳感器和人體之間有一定的距離。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，此時(shí)協(xié)調(diào)器上的LED1并沒有亮起。串口顯示：lightoff，與實(shí)驗(yàn)預(yù)期效果一致。圖4-2無光無人在上述的環(huán)境里，若為傳統(tǒng)照明系統(tǒng)，其僅可借助機(jī)械控制方式來完成燈光的管控。若光照有限，則需要通過手動(dòng)的方式開啟燈光。但人離開后，如果沒有關(guān)閉燈光，則燈光會(huì)保持常亮狀態(tài)，造成資源浪費(fèi)。模擬環(huán)境中光照充足，但沒有人員結(jié)合圖4-3的內(nèi)容，用手電筒照射光敏傳感器，此時(shí)人依然與紅外傳感器間有較遠(yuǎn)的距離。協(xié)調(diào)器LED1不亮，效果與預(yù)期一致。圖4-3有光無人這是一種生活中常見的環(huán)境。通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)操作，是為了驗(yàn)證白天家中沒有人在的時(shí)候燈光是否會(huì)存在自動(dòng)打開的情況。模擬環(huán)境中光照充足，且有人員經(jīng)過協(xié)調(diào)器LED1此時(shí)處于熄滅。這個(gè)結(jié)果和（3）模擬的結(jié)果，及預(yù)期結(jié)果相同。之所以要進(jìn)行光照充足無人的情況模擬，是為了對(duì)協(xié)調(diào)器的環(huán)境判斷功能進(jìn)行分析，確保在進(jìn)行判斷的過程中不會(huì)存在單一控制的情況。同時(shí)也為了充分踐行節(jié)能理念，通過這種情況的模擬，確保在室內(nèi)光線能夠充分滿足照明需求的情況下，燈光不會(huì)自動(dòng)開啟。結(jié)合四種情況的模擬分析，所有測試結(jié)果和預(yù)期結(jié)果均保持一致。本課題所設(shè)計(jì)系統(tǒng)成功運(yùn)行。創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用創(chuàng)新點(diǎn)：(1)第一是在進(jìn)行室內(nèi)光線強(qiáng)度的獲取上，基于光照度傳感器完成。合理進(jìn)行程序算法設(shè)計(jì)，可以通過光線強(qiáng)度的判定來完成燈光的開關(guān)控制。(2)借助PIR傳感器可以對(duì)人員變化情況做出管控，同時(shí)借助算法的規(guī)劃，促使其可以基于人員數(shù)量來進(jìn)行燈光的合理開關(guān)管控。采用兩種傳感器共同控制