基于ZigBee和觸摸感應技術的照明控制系統(tǒng)

 摘要：傳統(tǒng)家庭智能照明控制系統(tǒng)采用有線方式搭建家庭局域網(wǎng)，利用導線傳輸控制信號，設計時需預埋大量控制線，布線較為繁瑣;并且所用控制開關大都采用觸點接觸式墻壁開關，長久使用觸點易磨損，接觸不良導致開關可靠性降低。針對以上問題開發(fā)了一套基于ZigBee和電容觸摸感應技術的照明控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用ZigBee無線網(wǎng)絡代替有線方式搭建家庭局域網(wǎng)，省去了預埋控制線的繁瑣布線工作;系統(tǒng)燈控節(jié)點內(nèi)部MCU采用電容式觸摸感應焊盤檢測手指觸壓，之后驅(qū)動雙向可控硅的導通與截止來控制燈光亮滅，從而起到無觸點開關控制作用。測試結(jié)果表明系統(tǒng)運行穩(wěn)定，控制可靠，能有效利用ZigBee網(wǎng)絡和觸摸按鍵控制家中燈光亮滅。

引言

隨著科技的發(fā)展，人們對家居環(huán)境不斷提出新的要求。在追求高效、舒適、便捷的同時更加注重居室環(huán)境的智能化。智能照明作為智能化家居的重要組成部分，近年來國內(nèi)外許多科研人員對其進行了大量研究。如周曉偉 [1-2]、徐勇[3]等提出的智能照明控制系統(tǒng)可以根據(jù)周圍環(huán)境自動調(diào)整照明模式或通過PC機終端預設照明模式。李治斌等[4]設計的智能調(diào)光開關在傳統(tǒng)開關中加入ZigBee模塊，實現(xiàn)了通過手機或平板電腦安裝客戶端軟件對燈泡進行調(diào)光操作。以上工作均采用ZigBee組網(wǎng)無線通信方式控制，省去了傳統(tǒng)有線照明控制系統(tǒng)中繁瑣的布線工作，但只能借助PC機或手機等終端設備控制，沒有涉及利用開關進行現(xiàn)場控制。

由于傳統(tǒng)機械開關存在觸點易磨損，使用壽命短，硬件成本高等缺點，而電容式感應按鍵具有無機械磨損，壽命長，可靠性不會隨著時間的增加而降低，硬件成本低，防水防污，易清潔和時尚等優(yōu)點[5]已在眾多領域得到應用。

在此背景下，本文開發(fā)了一套不僅可以利用手機等移動設備實現(xiàn)遠程控制，而且可以利用觸摸按鍵實現(xiàn)現(xiàn)場控制燈光亮滅的智能家居照明控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體方案設計

本系統(tǒng)主要由系統(tǒng)主機和燈控節(jié)點兩部分組成，這兩部分通過ZigBee網(wǎng)絡進行通信。燈控節(jié)點取代傳統(tǒng)墻壁開關嵌入墻壁86型底盒內(nèi)，并配有控制燈光的觸摸按鍵。用戶可以通過遠程控制和現(xiàn)場控制兩種方式控制燈光亮滅。遠程控制時，用戶點擊手機APP軟件操作界面上的燈泡圖標，開關燈命令通過因特網(wǎng)發(fā)送到系統(tǒng)主機，系統(tǒng)主機再將該命令通過ZigBee網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)到燈控節(jié)點，燈控節(jié)點中的MCU根據(jù)接收到的命令驅(qū)動雙向可控硅導通與截止來控制燈泡接入火線與否，實現(xiàn)燈光亮滅控制?，F(xiàn)場控制時，用戶觸摸燈控節(jié)點面板上的不同燈泡圖標，燈控節(jié)點內(nèi)MCU檢測到手指觸壓后用同樣通過驅(qū)動雙向可控硅導通與截止來控制燈光亮滅。系統(tǒng)控制原理圖如圖1所示。

2 燈控節(jié)點硬件設計

燈控節(jié)點由電源模塊、PIC16F1936微控制器模塊、ZigBee通信模塊、按鍵模塊、燈光控制模塊組成。燈控節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.1 電源模塊

由于燈泡采用市電供電，而微控制器芯片和ZigBee通信芯片采用直流3.3V供電，故燈控節(jié)點直接接入220V市電，市電經(jīng)MB6S整流后輸入FSEZ1317芯片和變壓器T2降壓得到12V直流電，再由LM1117-3.3及其外圍電路穩(wěn)壓濾波到直流3.3V給PIC16F1936和CC2530芯片供電。電源模塊原理圖如圖3所示。

2.2 PIC16F1936微控制器模塊

PIC16F1936微控制器是微芯公司生產(chǎn)的8位CMOS閃存單片機，具有體積小、功耗低、抗干擾性好、可靠性高、模擬接口功能強大等特點。片內(nèi)外設資源豐富，主要包括I/O端口、電容觸摸傳感模塊、A/D轉(zhuǎn)換器、EEPROM、定時器、串口等。燈控節(jié)點中他負責處理ZigBee通信模塊接收到的數(shù)據(jù)，從中提取控制命令進行相應操作，同時也進行按鍵掃描檢測，根據(jù)檢測結(jié)果進行相應操作。

2.3 ZigBee通信模塊

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議，該協(xié)議規(guī)定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術，具有使用方便、價格低廉、工作可靠等特點。ZigBee無線網(wǎng)絡器件工作模式包含協(xié)調(diào)器、全功能模式和簡化功能模式三種[6]。協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡的中心節(jié)點，負責網(wǎng)絡的發(fā)起組織、維護和管理，一個網(wǎng)絡只有一個協(xié)調(diào)器，在本系統(tǒng)中它嵌入系統(tǒng)主機內(nèi);燈控節(jié)點采用全功能模式，既可作為路由節(jié)點，也可以作為終端傳感器節(jié)點;簡化功能器件只能作為終端無線傳感器節(jié)點。

本模塊采用CC2530芯片作為ZigBee網(wǎng)絡的解決方案。CC2530采用了新一代2.4GHz SoC片上系統(tǒng)，支持IEEE802.15.4標準，其內(nèi)部集成了一個抗干擾性和靈敏度都較高的RF收發(fā)器和一個標準增強型8051微處理器，擁有2個USART、12位的ADC和21個通用GPIO等豐富的外設接口。該芯片只需極少的電阻電容就能搭建完整的ZigBee收發(fā)電路，通過串口與單片機通信，使用相當簡便。

2.4 按鍵模塊

按鍵模塊采用13mm×10mm 的矩形電路板焊盤通過0.2mm走線直接連接到單片機電容觸摸傳感模塊引腳實現(xiàn)。PIC16F1936單片機自帶電容傳感RC振蕩器，其中振蕩時間常數(shù)= RC = R(Cp + Cf)。

Cp為焊盤與地之間的寄生電容，Cf為手指觸摸焊盤時焊盤-手指-地之間的感應電容，未觸摸時該值為0，觸摸后Cf大于0，導致RC時間常數(shù)τ增大，振蕩器頻率減小，單片機檢測到這一頻率變化后判斷出焊盤被手指觸壓。觸摸時電容增量百分比是：

由上式可見為了提高觸摸感應的靈敏度，需減小寄生電容Cp值，可以通過使觸摸焊盤以較窄的走線連到單片機同時遠離地實現(xiàn)。如圖4是按鍵模塊PCB圖，為了減小Cp值，觸摸焊盤位于保護環(huán)內(nèi)，距離保護環(huán)0.2 mm，所有保護環(huán)連在一起通過10K電阻連到單片機I/O口，該I/O口始終輸出低電平。觸摸按鍵通過0.2mm走線串接10K電阻連到單片機檢測引腳。為了提高抗電磁干擾能力，焊盤返回單片機的走線被保護環(huán)走線包裹同時焊盤下方不走線。2.5 燈光控制模塊

本模塊采用單片機檢測市電過零點進而驅(qū)動雙向可控硅導通與截止控制燈光亮滅。燈光控制模塊電路圖如圖5所示。

當單片機引腳檢測到市電零點時，P1.0 引腳輸出負脈沖，使Q3導通，MOC3021導通，觸發(fā)雙向可控硅Q1導通，燈泡負載與交流火線接通點亮。若要關閉燈泡，只需P1.0始終保持高電平。圖5中R6為觸發(fā)限流電阻，R7為門極電阻，用以提高雙向可控硅抗干擾能力。R9和C14組成RC阻容吸收電路，對雙向可控硅Q1進行過電壓保護。

3 ZigBee通信協(xié)議設計

ZigBee聯(lián)盟與IEEE802.15.4的任務小組制定的ZigBee協(xié)議棧標準有5層體系組成[6]，其中應用層由用戶定義。本系統(tǒng)定義的ZigBee通信協(xié)議屬應用層，用于用戶遠程控制。遠程控制時，用戶手機發(fā)送控制指令到系統(tǒng)主機，系統(tǒng)主機再將該指令轉(zhuǎn)換成符合表1所示通信協(xié)議的格式，通過內(nèi)嵌的ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器將指令發(fā)送到各個燈控節(jié)點。4 燈控節(jié)點軟件設計

燈控節(jié)點軟件程序主要由主程序，串口信息處理程序和觸摸按鍵掃描程序組成。

主程序在節(jié)點上電后首先進行系統(tǒng)初始化，然后循環(huán)檢測有無串口信息處理，有無按鍵被按下等事件。主程序流程圖如圖6所示。

串口信息處理程序在主程序檢測到接收完成一幀串口信息后被調(diào)用。程序首先判斷該幀指令是否為本節(jié)點控制指令，然后根據(jù)指令要求驅(qū)動雙向可控硅的導通或截止，并向主機反饋控制信息。串口信息處理程序流程圖如圖7所示。

觸摸按鍵掃描程序是燈控節(jié)點軟件設計的難點。按鍵處理初始化在節(jié)點上電后主程序中完成，包括振蕩器振蕩頻率設置，定時器T0預分頻器設置以及中斷的相關設置等。按鍵掃描原理如下：首先振蕩器頻率輸出腳在硬件上已經(jīng)和16位定時/計數(shù)器T1時鐘輸入端連接，T1會從0開始計數(shù)直至溢出清零后重新計數(shù)。軟件上將振蕩器頻率輸出腳映射到某一按鍵焊盤所接單片機引腳，振蕩器便以固定頻率在該按鍵焊盤上振蕩，若有手指觸壓焊盤，振蕩頻率便減小。再設置8位定時器T0提供固定時基測量振蕩器頻率。開始測量時，T0、T1均清零，然后T0計數(shù)至溢出中斷，在T0中斷服務函數(shù)中讀取T1計數(shù)值，與前16次的采樣滑動平均值比較，這樣就完成了對按鈕的一次掃描，如果頻率計數(shù)有顯著下降則說明按鈕被按下。最后將振蕩器移向下一個按鈕焊盤掃描。觸摸按鍵掃描程序流程圖如圖8所示。

5 測試結(jié)果

本文所開發(fā)的照明控制系統(tǒng)分遠程控制和現(xiàn)場控制兩種控制方式。對于遠程控制其穩(wěn)定性主要受系統(tǒng)主機與燈控節(jié)點間ZigBee網(wǎng)絡穩(wěn)定性影響，故采取協(xié)調(diào)器與燈控節(jié)點相距10米距離，協(xié)調(diào)器連續(xù)發(fā)送1000條控制指令，每條指令間隔0.5秒，統(tǒng)計燈控節(jié)點收包率的方式實現(xiàn)。對于現(xiàn)場控制，采取連續(xù)點擊燈控節(jié)點面板上觸摸按鈕1000次，每次點擊間隔0.5秒，統(tǒng)計燈光實際受控次數(shù)的方式實現(xiàn)。測試結(jié)果如表2所示。

由測試結(jié)果和大數(shù)定律可知遠程控制時主機每發(fā)送一條控制指令，燈控節(jié)點接收到的概率是0.981，若主機連續(xù)發(fā)送兩條指令，則燈控節(jié)點接收到的概率：

而現(xiàn)場控制時受控率達到100%。以上實驗結(jié)果表明本系統(tǒng)可以有效實現(xiàn)燈光的遠程控制和現(xiàn)場控制。燈光控制效果圖如圖9所示。

6 結(jié)束語

本文開發(fā)了一套基于ZigBee網(wǎng)絡技術和電容觸摸感應技術的智能家居照明控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了當用戶外出時，利用手機等移動設備遠程控制家中燈光亮滅和在家時通過觸摸按鍵現(xiàn)場控制家中燈光亮滅的功能。利用ZigBee無線網(wǎng)絡代替有線來搭建家庭局域網(wǎng)，省去了傳統(tǒng)燈控系統(tǒng)中繁瑣的布線工作;利用觸摸按鍵和雙向可控硅代替?zhèn)鹘y(tǒng)墻壁開關實現(xiàn)無觸點開關控制，解決了傳統(tǒng)開關觸點易磨損，可靠性隨著時間的延長而降低等問題。

該系統(tǒng)在實際批量使用中發(fā)現(xiàn)當電網(wǎng)中雜波較多時，觸摸按鍵會發(fā)生誤觸發(fā)現(xiàn)象。下一步將重點研究如何提高該系統(tǒng)對不穩(wěn)地電網(wǎng)的抗干擾性。