基于ZigBee和觸摸感應(yīng)技術(shù)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(dǎo)線傳輸控制信號，設(shè)計時需預(yù)埋大量控制線，布線較為繁瑣;并且所用控制開關(guān)大都采用觸點接觸式墻壁開關(guān)，長久使用觸點易磨損，接觸不良導(dǎo)致開關(guān)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(yīng)技術(shù)的照明控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)代替有線方式搭建家庭局域網(wǎng)，省去了預(yù)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(yīng)焊盤檢測手指觸壓，之后驅(qū)動雙向可控硅的導(dǎo)通與截止來控制燈光亮滅，從而起到無觸點開關(guān)控制作用。測試結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，控制可靠，能有效利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)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(jìn)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(jī)終端預(yù)設(shè)照明模式。李治斌等[4]設(shè)計的智能調(diào)光開關(guān)在傳統(tǒng)開關(guān)中加入ZigBee模塊，實現(xiàn)了通過手機(jī)或平板電腦安裝客戶端軟件對燈泡進(jìn)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(jī)或手機(jī)等終端設(shè)備控制，沒有涉及利用開關(guān)進(jìn)行現(xiàn)場控制。

由于傳統(tǒng)機(jī)械開關(guān)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(yīng)按鍵具有無機(jī)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(lǐng)域得到應(yīng)用。

在此背景下，本文開發(fā)了一套不僅可以利用手機(jī)等移動設(shè)備實現(xiàn)遠(yuǎn)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(shè)計

本系統(tǒng)主要由系統(tǒng)主機(jī)和燈控節(jié)點兩部分組成，這兩部分通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。燈控節(jié)點取代傳統(tǒng)墻壁開關(guān)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(yuǎn)程控制和現(xiàn)場控制兩種方式控制燈光亮滅。遠(yuǎn)程控制時，用戶點擊手機(jī)APP軟件操作界面上的燈泡圖標(biāo)，開關(guān)燈命令通過因特網(wǎng)發(fā)送到系統(tǒng)主機(jī)，系統(tǒng)主機(jī)再將該命令通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)通與截止來控制燈泡接入火線與否，實現(xiàn)燈光亮滅控制。現(xiàn)場控制時，用戶觸摸燈控節(jié)點面板上的不同燈泡圖標(biāo)，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(dǎo)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(shè)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(jī)，具有體積小、功耗低、抗干擾性好、可靠性高、模擬接口功能強(qiáng)大等特點。片內(nèi)外設(shè)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(fù)責(zé)處理ZigBee通信模塊接收到的數(shù)據(jù)，從中提取控制命令進(jìn)行相應(yīng)操作，同時也進(jìn)行按鍵掃描檢測，根據(jù)檢測結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)操作。

2.3 ZigBee通信模塊

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議，該協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，具有使用方便、價格低廉、工作可靠等特點。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)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(luò)的中心節(jié)點，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起組織、維護(hù)和管理，一個網(wǎng)絡(luò)只有一個協(xié)調(diào)器，在本系統(tǒng)中它嵌入系統(tǒng)主機(jī)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(luò)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(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)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(shè)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(jī)通信，使用相當(dāng)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(jī)電容觸摸傳感模塊引腳實現(xiàn)。PIC16F1936單片機(jī)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(yīng)電容，未觸摸時該值為0，觸摸后Cf大于0，導(dǎo)致RC時間常數(shù)τ增大，振蕩器頻率減小，單片機(jī)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(yīng)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(jī)同時遠(yuǎn)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(hù)環(huán)內(nèi)，距離保護(hù)環(huán)0.2 mm，所有保護(hù)環(huán)連在一起通過10K電阻連到單片機(jī)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(jī)檢測引腳。為了提高抗電磁干擾能力，焊盤返回單片機(jī)的走線被保護(hù)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(jī)檢測市電過零點進(jìn)而驅(qū)動雙向可控硅導(dǎo)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(dāng)單片機(jī)引腳檢測到市電零點時，P1.0 引腳輸出負(fù)脈沖，使Q3導(dǎo)通，MOC3021導(dǎo)通，觸發(fā)雙向可控硅Q1導(dǎo)通，燈泡負(fù)載與交流火線接通點亮。若要關(guān)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(jìn)行過電壓保護(hù)。

3 ZigBee通信協(xié)議設(shè)計

ZigBee聯(lián)盟與IEEE802.15.4的任務(wù)小組制定的ZigBee協(xié)議棧標(biāo)準(zhǔn)有5層體系組成[6]，其中應(yīng)用層由用戶定義。本系統(tǒng)定義的ZigBee通信協(xié)議屬應(yīng)用層，用于用戶遠(yuǎn)程控制。遠(yuǎn)程控制時，用戶手機(jī)發(fā)送控制指令到系統(tǒng)主機(jī)，系統(tǒng)主機(jī)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(luò)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(shè)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(jìn)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(dǎo)通或截止，并向主機(jī)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(shè)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(shè)置，定時器T0預(yù)分頻器設(shè)置以及中斷的相關(guān)設(shè)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(jī)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(shè)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(wù)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(yuǎn)程控制和現(xiàn)場控制兩種控制方式。對于遠(yuǎn)程控制其穩(wěn)定性主要受系統(tǒng)主機(jī)與燈控節(jié)點間ZigBee網(wǎng)絡(luò)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(yuǎn)程控制時主機(jī)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(jī)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(dá)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(yuǎn)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(luò)技術(shù)和電容觸摸感應(yīng)技術(shù)的智能家居照明控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了當(dāng)用戶外出時，利用手機(jī)等移動設(shè)備遠(yuǎn)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(luò)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(guān)實現(xiàn)無觸點開關(guān)控制，解決了傳統(tǒng)開關(guān)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(dāng)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。