基于ZigBee的智能照明系统设计与实现
发布时间：2022-03-07
摘 要：针对当前照明系统存在布线复杂和能耗偏高的问题，使用无线通讯模块为控制端与 LED照明模块之间传递指令信息，构建以ZigBee模块为基础的无线通讯网络，并对该无线通讯网络的可行性和有效性进行测试，证明该设计可以有效解决控制端与照明端有线连接带来的布线复杂问题。同时，控制系统可以实现能远程控制照明设备的开关、亮度及定时功能，对控制系统的可靠性和有效性进行测试，结果表明该系统可以实现节能减排的效果。
关键词：智能照明;ZigBee模块;STM32F427VIT6单片机;EIOT开发板
一、引言
(一)研究背景及意义
当今照明系统更加注重智能照明的简易便捷性和低能耗性，以提高生活质量，享受低碳生活。[1]在智能照明系统的普及率上，美国约占70%，欧洲约占45%，中国的智能照明系统普及率不到1%。[2]随着人们对美好生活的需求升级，智能控制是未来照明系统发展的重要方向。目前对智能照明系统的研究已经日渐成熟，但许多设计方案存在布线复杂、维护成本高、安全性能低、能耗依旧较大、系统便捷性及灵活性差等问题。智能终端常用无线通讯对照明设备进行控制，常见的无线通信技术有WiFi 、蓝牙以及ZigBee。相比较来说，选用ZigBee无线通信网络作为智能照明系统的内网，具有设备成本低、组网方便、功耗低的特点。[3]在构建无线传感与照明控制网络方面具有相当的优势。采用ZigBee和单片机相结合的方法，对智能照明系统进行研究，针对大型公共场所，如高校教室、会议室、娱乐区等用电量大又缺少管控的场所，该设计可以减少灯具的工作时间，延长灯具寿命并有效节约能源，以达到节能环保和智能控制的目的。[4]
(二)现有研究概述
ZigBee、NB-IOT 等物联网技术，基于同一种软件开发，架设中台打破信息孤岛，能够实现数据互联互通的智慧城市照明系统正在世界掀起新的革命浪潮，这种形势下的智慧城市建设方式，可以实现技术同源的目的，改变传统各智慧城市子模块系统分而专、难整合的窘状。[5]在国内，智能照明系统已采用总线技术来实现脉冲调制信号的传输，如苏州国际科技园的景观智能照明系统采用DMX512总线制控制方式，但该方法存在布线复杂、维护成本高、系统便捷性及灵活性差等问题，而对已经安装好的照明环境进行整改较难，难以实现智能化控制。[6]另外一种模式是基于WiFi的 LED智能控制系统，手机接入无线WiFi之后，对灯进行控制，但WiFi存在安全性能低，能耗较大，成本较高的问题。2014年中国Yeelight公司推出Yeelight Blue无线智能蓝牙灯泡，其优势是将蓝牙 4.0的手机作为移动控制端，无需再安装网络控制器，但控制传输距离有限。相比较而言，ZigBee功耗低、可接入节点数多、响应时间短、传输慢、可自组网，适合传输字节数不多的场景。[7-8]
二、系统总体框架
本系统以ZigBee无线通信模块和STM32F427VIT6单片机作为处理核心。[9]系统结构见图1。 ZigBee无线通信模块通过WiFi或者网线与路由器连接，而路由器可由互联网将信息上传至云服务器保存，避免信息的丢失。同时通过路由器建立起PC端、手机端与网卡的联系，其中PC端可以连接网线或者WiFi通过路由器访问ZigBee无线通信模块，而手机端可以连接WiFi网络经过路由器访问 ZigBee无线通信模块，下达指令给ZigBee模块和STM32F427VIT6单片机，继而使用ZigBee网络控制按键开关和LED灯组，实现PC端、手机端的多重控制，达到调节亮度、控制开关等功能的应用。[10]
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整个智能照明系统由硬件系统和利用visual studio建立的软件系统构成，系统运行的基础是设计搭建的硬件系统，而软件系统是在硬件系统基础上实现稳定运行，两者相辅相成。
(一)硬件模块
系统是基于ZigBee开发的智能照明系统，通过模块化设计，采用以ZigBee模和 STM32F427VIT6单片机为主的控制模块，与WiFi模块、电源模块、LED灯驱动模块、LED灯具组成一套完整的硬件系统。
(二)通讯技术
以高校教学楼为设计和应用对象，教学楼属于立体空间，信号易被墙体、门窗等建筑物遮挡，所以通讯方式采用无线和有线相结合较为合理。一方面，宽敞的教室内可采用ZigBee无线通讯来采集信息和控制教室内灯具，尽可能减少了室内线路的改造，降低成本;另一方面，针对教室数量较多、结构环境复杂的教学楼，为保证系统的稳定运行，所以监控平台与STM32F427VIT6单片机和 ZigBee模块之间采用WiFi通讯。然后将信号数据通过ZigBee网络传递至ZigBee终端节点，系统终端通讯结构方式见图2。
(三)监控平台组成
监控平台对各个教室的灯具进行信息的实时显示与远程控制。管理人员可以在远端使用浏览器请求和处理用户信息和教室照明的管理，提高工作效率。监控平台组成结构与处理流程见图3。
三、系统设计
整个智能照明的硬件系统，包括了系统硬件电路、系统硬件构成以及硬件设备的选取。EIOT开发板、ZigBee无线通讯模块、电源模块、WiFi模块、LED灯驱动模块以及LED照明模块构成整个硬件系统，保证了智能照明系统的稳定运行。
(一)硬件电路设计
整个系统的运行要求硬件电路系统可靠性和稳定性较好。选用EIOT开发板，它上面搭载着 STM32F427VIT6单片机和ZigBee模块。其中，STM32F427VIT6单片机的集成度相对较高，其外设的种类多，包括RTC、ADC、DMA、SPI、USB、TMER等。本系统以STM32F427VIT6最小系统板作为控制核心，通过I/O端口连接ZigBee模块、WiFi模块、电源模块、LED灯驱动模块组成集成化的控制系统来达到合理控制LED灯组照明。
基于智能照明系统的功能需求，构建了有机集成照明硬件系统和软件系统的系统方案，并基于 ZigBee网络的特点，提出以EIOT开发板上搭载的STM32F427VIT6单片机和ZigBee模块作为基础控制中心模块，结合WiFi模块、LED灯驱动模块以及LED照明模块，完成智能照明系统硬件系统的设计，见图4。
1.EIOT开发板
基于ZigBee智能照明系统是以EIOT开发板上搭载的STM32F427VIT6单片机以及ZigBee模块作为基础控制中心模块，而STM32最小系统包括了I/O模块、WiFi模块、ZigBee无线通讯模块以及电源模块，32位的多层AHB总线矩阵构成STM32最小系统的主系统，其中还包括了复位电路、时钟电路等。
2.ZigBee模块
ZigBee模块的主要工作分为两方面：一方面采集数据信息，将采集到的灯具状况信息传送给 STM32F427VIT6单片机进行分析处理;另一方面，ZigBee网络将监控平台发出的操作指令传送到终端节点上，对灯具状况进行查询或者下达对灯具的操作。CC2530作为采用的ZigBee无线通信模块，可以外接包括C251、C261等外接元件，不仅实现数据解调、调制功能，还能实现对LED灯具数据信息的感知功能。
3.LED驱动模块
LED驱动模块在接收到ZigBee终端节点发出的指令之后，根据指令控制LED灯具的开关、亮度的调节以及红绿蓝三色灯光调节，满足用户的个性化需求，增强用户的体验感。LED驱动模块的工作电压为5V，因而需要电源模块的调压。每块LED驱动模块通过PWM+接口与各自的ZigBee终端节点进行连接接受信息指令，通过LED+和LED-接口与各自的LED灯具连接，以便控制灯具。
4.电源模块
因为系统中各种芯片的工作电压会有不同，所以要将220V交流电转化成不同的工作电压以满足各种芯片的不同需求。使用电源模块的工作电压 (VDD) 要求介于1.8V—3.6V之间，而作为整个硬件系统的控制中心的STM32F427VIT6单片机与负责数据信息通讯的WiFi模块分别用到的是3.3V 以及5V电压。因此需要通过电路中的变压器将通用的220V交流电降压为12V交流电。而在之后还要经过电解电容滤波、稳压芯片处理之后，转变为更加稳定的12V直流电。最后再经过稳压芯片将 12V直流电转换为STM32F427VIT6单片机所使用的3.3V直流电以及WiFi模块所需要的5V直流电。
5.WiFi模块
WiFi模块的功能是构建操作端与控制平台联系的桥梁，将用户在操作端下达的指令传送给控制平台，控制平台收到指令，经STM32F427VIT6单片机处理之后通过ZigBee网络将指令下达给连接 ZigBee终端节点的LED控制模块，由LED控制模块控制LED灯具。简而言之，WiFi模块在本文中是起到PC端、手机端的操作平台连接中心控制平台的作用，由于是外购的模块，故此不作详细说明。
6.复位电路
复位的类型总共有3种，分别为系统复位、电源复位和备份域复位。系统复位中除了备份域的寄存器以及时钟控制的寄存器中的复位标志外，会将其它全部的寄存器都复位成为复位值。在常见的几种复位形式中，窗口看门狗计数结束(WWDG复位)、独立看门狗计数结束(IWDG复位)、软件复位(SW复位)会发生系统复位，而低功耗管理复位、1NRST引脚低电平(外部复位)也会发生系统复位。
(二)软件功能设计
系统的功能包含灯具开关、亮度调节、红绿蓝灯光调节三个功能。软件系统分别在电脑和手机两种不同的控制端使用，通过客户端与控制模块和灯具控制模块进行通信，实现对灯具的控制。二者功能相同，都可独立进行系统控制，操作界面里都主要包含用户信息和灯具信息两大板块。用户信息里包含密码登陆和注销账号两个功能，而灯具信息包括全开、全关、个性化服务三大功能，其中个性化服务能针对灯具地址单独开启或关闭灯具。手机端和PC端通过自身WiFi连接控制平台从而实现信息交互通讯功能。
1.灯具开关
用户可以访问客户端进行灯具的管理，灯具开关分为单灯和多灯两种。灯具全开和全关按钮在操作界面的菜单栏的灯具管理下拉菜单中，而单个LED灯可以在个性化管理界面中根据LED的标记地址来进行单独地开启或者关闭。
2.亮度调节
PC端用户或者手机端用户都可以通过访问客户端进行调节LED灯亮度，调节亮度功能是在客户端旁边菜单栏中的灯具管理下拉菜单的个性化管理中，点击个性化管理按键，进入个性化管理界面。用户可以在亮度的方框里面输入需要亮度所对应的字符，然后点击下方的“更新控制”按键。系统在收到用户下达指令后，发给连接ZigBee终端节点的LED驱动模块，LED灯会立刻改变亮度，能真正意义上做到节能。
3.红绿蓝灯光调节
用户通过访问客户端进行调节LED灯，基于ZigBee的LED灯具智能控制系统支持在方框内输入控制字符来调整，会根据通过WiFi无线通讯网络读取ZigBee模块接收的灯具控制状态字实时改变灯具状态的功能。而灯具状态字的格式如“A****B”，“A”“B”表示状态字开始和结束字符。 “****”依次为亮度以及红、绿、蓝三色光的占空比，LED控终端的控制状态字符取值及定义见表1。
五、系统测试
整个智能照明系统测试，包括系统功能测试和系统整体测试。系统功能测试又包括了登录界面测试、注销界面测试和调节亮度测试。
(一)系统功能测试
基于ZigBee的智能照明系统软件调试，用户分别通过手机端和PC端访问客户端，登录之后即可进行相应操作。
1.登录界面测试
打开手机端或PC端的客户端，来到智能照明控制系统客户端的初始界面。如，点击输入账号名称“江夏”和密码“jiangxia”，输入之后点击下方登录按键，可以进入操作界面进行操作，即登录成功。登录界面及成功提示界面见图5。
2.注销界面测试进入智能照明系统客户端的操作界面后，可以在左边的菜单栏里面找到用户信息一栏，在其下拉菜单里可以找到一个“注销登录”的菜单。点击“注销登录”进入注销界面，点击“注销登录” 按键，成功注销。注销成功提示界面见图6。
3.调节亮度测试
调节亮度实验以PC端为例，同样是进入智能照明系统客户端的操作界面，在左边的菜单栏里面找到灯具信息一栏，在其下拉菜单里可以找到一个“个性化管理”的菜单，点击“个性化管理”菜单进入灯具个性化管理界面，找到亮度一栏，输入需要的灯具照明的亮度参数调节界面与调节成功提示界面，见图7。
(二)系统整体测试
安装好整个系统的硬件电路后，先使用万用表对各个硬件模块进行电压值、电流值的测量，以防止硬件电路连接出错而导致硬件模块的烧损，合理编排硬件系统所有的模块和线路位置，保证整个系统模块与线路的流畅运行。
本系统将STM32F427VIT6单片机和ZigBee无线通讯模块作为整个系统的控制中心。首先将所有的硬件模块正确地连接在EIOT输入/输出端口上。因为LED灯组的工作电源为12V，而LED驱动模块与相连接的ZigBee无线通讯模块的工作电压都为5V，因此需要通过调压处理。待电源接通后， ZigBee无线通讯模块、LED灯组指示灯依次亮起，而控制端的EIOT板指示灯也亮起，系统整个电路正常运行。用电脑打开visual studio软件编写的“教室灯具管理系统”网页，输入正确的账号和密码，进入“教室灯具管理系统”操作界面。点击左侧菜单栏内的“灯具管理”，在其下拉菜单栏中点击“全开”按键，LED灯组在其连接的ZigBee终端节点收到“全开”指令后，LED灯组亮起。接着点击下方的“个性化管理”按键，进入“个性化管理”界面，在亮度一栏输入字符，点击下方的 “更新控制”按键，LED灯组亮度发生变化。再接着依次调节红光、绿光、蓝光的数值，LED灯组在接到下达指令之后均发生变化。最后点击左侧菜单栏内的“灯具管理”，在其下拉菜单栏中点击 “全关”按键，LED灯组收到指令后全部灭灯。综上所述，基于ZigBee的智能照明系统运行成功，完成其设计功能，基本达到预期目的。
六、总结与展望
近年来智能家居进入了人们的消费视野，不仅满足人们更高的家居需求，而且符合节能减排的发展理念。此背景下设计的基于ZigBee的LED灯智能控制系统，可实现针对用户需求和个性化设定 LED灯具的运行模式，即灯具开关、亮度调节、红绿蓝灯光调节。在实际的使用过程中，已经实现预期的设计目标。该系统可以运用于公共照明、办公照明等场所，能有效节能。
本系统根据用户的实际需求进行个性化功能定制，让用户消除了机械化的操作，还能进行远程操控，变得更加人性化。系统采用经济性和安全性都较好的ZigBee无线通讯技术，而移动客户端是当今人们广泛使用的手机，便于操作，推广上具有很大的优势;且该系统具备功耗低、操作便捷的特性，能有效地避免有线线路布线的不便，更使其具备良好的市场前景。——论文作者：刘雪峰
参考文献：
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