基于zigbee的智能燈光控制系統(tǒng)設(shè)計

本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）題目基于ZIGBEE的智能燈光控制系統(tǒng)設(shè)計姓名馮祥勛學(xué)號11S010900926學(xué)院電氣工程與自動化學(xué)院專業(yè)電氣工程與自動化（自動化方向）年級2009級指導(dǎo)教師（簽名）2013年05月20日摘要在現(xiàn)代社會，自動化與智能程度不斷提高的今天，家居智能管理必然是人們今后的唯一選擇。本文主要研究對象為家庭的照明，在通過比較傳統(tǒng)照明方式，研究目前較應(yīng)用的照明控制中發(fā)現(xiàn)家庭照明中往往存在一些致命的問題，如照明控制方式落后，甚至很大程度都還是采用機械開關(guān)，安全系數(shù)低，舒適性差，布線復(fù)雜等。由于這些控制方式上的不足，極大的造成能源的浪費，甚至在控制的誤區(qū)里出現(xiàn)室內(nèi)無人，卻燈火通明的現(xiàn)象。針對這些不足，需要對控制做一個進(jìn)一步的研究與開發(fā)。本文較全面的研究了傳統(tǒng)照明、現(xiàn)代照明的特點，通過比較得出優(yōu)缺點，提出一種基于ZIGBEE的無線智能控制方案，即采用兩塊ZIGBEE功能板，一塊導(dǎo)入光敏傳感器和熱釋紅外傳感器，用作信號發(fā)射，另一塊接入繼電器模塊，接收信號并控制燈光亮滅。在這種控制方式下，只有室內(nèi)有人，且光線不足時才點亮所需燈光，而在室內(nèi)無人，光線不足的情況下，燈不亮，采用這樣的控制方式能很好解決誤開斷和能源浪費的問題。論文中詳細(xì)介紹了整個控制系統(tǒng)的功能和控制策略，軟件程序設(shè)計包括LED燈初始化、光敏傳感器初始化、PIR傳感器初始化、協(xié)議棧初始化，串口通訊等。最后，在模擬實際環(huán)境下，測試可行性與性能。實驗證明，采用ZIGBEE無線控制能有很好的控制效果，并且可以顯著提高節(jié)能效果，改善“無人燈亮”的問題。關(guān)鍵詞ZIGBEE，光敏傳感器，熱釋紅外傳感器，節(jié)能ABSTRACTWITHTHEIMPROVEMENTOFTHEAUTOMATIONANDINTELLIGENCEINTHEMODERNSOCIETY,HOMEINTELLIGENTMANAGEMENTINEVITABLYBECOMESTHEONLYOPTIONFORPEOPLEINTHEFUTUREBYCOMPARINGTHETRADITIONALLIGHTING,THISPAPERDISCOVERSSOMEFATALPROBLEMSONTHECONTROLOFHOMELIGHTING,SUCHASBACKWARDWAYOFLIGHTINGCONTROL,NAMELY,MECHANICALSWITCH,WHICHHASLOWCOEFFICIENTOFSAFETY,POORCOMFORTABLITYANDCOMPLEXWIRINGTHESESHORTAGESRESULTINGREATWASTEOFENERGYASWELLASNOBODYAPPEARSBUTBRIGHTLYLIGHTEDINMISTAKENAREAINORDERTOMAKEUPTHESEDEFICIENCIES,ITNEEDSTOMAKEAFURTHERRESEARCHONTHECONTROLSYSTEMTHISPAPERHASMADEACOMPREHENSIVESTUDYONTHECHARACTERISTICSOFTRADITIONALLIGHTINGANDMODERNLIGHTINGBYCOMPARINGTHEADVANTAGESANDDISADVANTAGESANDHASPUTFORWARDAWIRELESSINTELLIGENTCONTROLSCHEMEBASEDONZIGBEE,WHICHUSETWOPIECESOFZIGBEEFUNCTIONBOARDONEWORKEDASASIGNALEMISSION,CONDUCTINGTHEPHOTOSENSITIVESENSORANDPYROELECTRICINFRAREDSENSORTHEOTHERCONNECTEDTOTHERELAYMODULERECEIVESTHESIGNALANDCONTROLSTHELIGHTSUNDERTHISKINDOFCONTROLMODE,ONLYWHENTHEINTERIORHASPEOPLEWITHINSUFFICIENTLIGHTWILLTHELIGHTLIGHTSOTHERWISEITWONTTHISCONTROLMETHODCANWELLSOLVETHEPROBLEMOFOPENCIRCUITBYMISTAKEANDENERGYWASTETHISPAPERDETAILSTHEFUNCTIONOFCONTROLSYSTEM,CONTROLSTRATEGYANDSOFTWAREDESIGNINCLUDINGTHELEDLIGHTSINITIALIZATION,LIGHTSENSORINITIALIZATION,PIRSENSORINITIALIZATION,PROTOCOLSTACKINITIALIZATIONANDSERIALCOMMUNICATION,ETCFINALLY,THISPAPERTESTSTHEFEASIBILITYANDPERFORMANCEINASIMULATEDENVIRONMENTTHERESULTSHOWSTHATZIGBEEWIRELESSCONTROLNOTONLYHASAGOODCONTROLEFFECT,BUTALSOSIGNIFICANTLYIMPROVETHEEFFECTOFENERGYSAVINGANDIMPROVETHEPROBLEMOFLIGHTINGUPWHILETHEREISNOBODY目錄摘要IABSTRACTII第1章緒論111基于ZIGBEE燈光控制系統(tǒng)研究的背景112現(xiàn)有燈光控制方案2121傳統(tǒng)燈光控制2122聲控有線自動控制2123光強無線燈光控制213方案比較2131傳統(tǒng)燈光控制方式2132聲控有線自動控制3133光強無線燈光控制314本文設(shè)計方案3141ZIGBEE無線智能控制3142ZIGBEE控制方案優(yōu)勢3143ZIGBEE控制研究意義4第2章ZIGBEE簡介521ZIGBEE介紹522CC2530523基于CC2530實驗板624光敏傳感器825熱釋電紅外線傳感器9第3章ZIGBEE無線智能燈光控制1131ZIGBEE無線控制結(jié)構(gòu)1132設(shè)計說明1133系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)13331開發(fā)環(huán)境介紹13332系統(tǒng)初始化14第4章硬件仿真結(jié)果分析1941硬件仿真調(diào)試內(nèi)容1942調(diào)試結(jié)果分析19421模擬環(huán)境中，光照不足，但是有人的情景19422模擬環(huán)境中，光照不足且無人員20423模擬環(huán)境中光照充足，但沒有人員21424模擬環(huán)境中光照充足，且有人員經(jīng)過2143創(chuàng)新點及應(yīng)用21431創(chuàng)新點21432應(yīng)用2144存在的不足22第5章總結(jié)2251工作內(nèi)容2252展望23參考文獻(xiàn)25致謝26第1章緒論11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，社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們的生活質(zhì)量也不斷的提高，生活節(jié)奏的不斷加快。信息化社會在改變?nèi)藗兩罘绞脚c工作習(xí)慣的同時，也對傳統(tǒng)的燈光控制系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。單純的物理意義上的生存空間已不僅局限為傳統(tǒng)燈光與自然光的結(jié)合，而更多的是一個安全性、舒適、方便、廉價的生活環(huán)境。再結(jié)合完備的信息終端、先進(jìn)的通訊設(shè)備、自動化和智能化的家用電器，使之成為更加的便捷與舒適。這種現(xiàn)代的家居燈光設(shè)計理念已形成一個便捷化、高效化與智能化的趨勢，燈光設(shè)備的高度智能化已經(jīng)成為一種強烈的消費需求1。同時在科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展的推動下，實現(xiàn)這種需求已經(jīng)不再是天方夜譚。由于電子技術(shù)的進(jìn)步，燈光產(chǎn)品已與計算機、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)緊密地結(jié)合在一起，智能化的家用電子電器產(chǎn)品應(yīng)運而生，智能燈光系統(tǒng)越來越得到人們的重視，使得家居智能化勢在必然。另外，在燈光控制領(lǐng)域，人們已經(jīng)不滿足于單純的提供亮度這一功能，而是面向系統(tǒng)控制方式的靈活、高效和視覺上的美感發(fā)展。顯然，傳統(tǒng)的燈光控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化的控制需求。如何節(jié)約能源，提高燈光控制系統(tǒng)的有效管理水平，是目前急需解決的課題。當(dāng)前，在燈光控制領(lǐng)域，普遍存在能源利用率低的問題。特別是子夜過后，對燈光的要求很低，可以適當(dāng)對相應(yīng)燈光進(jìn)行控制，以避免能源浪費。以街燈為例，子夜過后，街道上的車輛和行人相對較少，街燈沒有必要全部打開，可以適當(dāng)關(guān)閉部分路燈，以前采用人工控制的方式對燈光進(jìn)行管理控制。但是，由于傳統(tǒng)燈光控制方式在控制上功能相對分散和無法實現(xiàn)有效管理，既浪費人力、操作繁瑣且各時間段街燈關(guān)閉時間不準(zhǔn)，人為因素影響太大，并不能對燈光進(jìn)行靈活，有效的控制管理2。后來又采用設(shè)置光電控制電路，利用光敏電阻器件的變化，控制街燈在晚上天黑之后自動點亮，早上天亮之后自動關(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能源，也不能對燈光實行有效的節(jié)能控制2。針對傳統(tǒng)燈光控制系統(tǒng)所存在的問題，基于ZIGBEE的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正在悄然興起。12現(xiàn)有燈光控制方案121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；而對于實現(xiàn)不同的照明燈光控制效果，也需要通過設(shè)計或者改變開光電路的接法來達(dá)成。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，都無法實現(xiàn)照明控制。122聲控有線自動控制這是一種聲控電子照明裝置，由音頻放大器、選頻電路、延時開啟電路和可控硅電路組成。是一種操作簡便、靈活、抗干擾能力較強，控制靈敏的聲控?zé)?，?dāng)附近有人經(jīng)過發(fā)出聲音時，聲控?zé)粲稍捦矀魅耄⒔?jīng)過功率放大使電路接通，從而實現(xiàn)燈的智能控制。聲控?zé)粲稍捦病⒁纛l放大器、選頻電路、倍壓整流電路、鑒幅電路、恒壓源電路、延時開啟電路、可控延時開關(guān)電路、可控硅電路組成18。123光強無線燈光控制根據(jù)外界燈光強弱，通過光敏傳感器將信號反饋回中央處理器，并根據(jù)內(nèi)置程序通過紅外線，藍(lán)牙等技術(shù)發(fā)送到信號接收端進(jìn)而控制燈的開斷，從而實現(xiàn)無線燈光智能控制。13方案比較131傳統(tǒng)燈光控制方式成本低廉，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；不會因為局部智能設(shè)備的臨時故障，導(dǎo)致不能實現(xiàn)控制的尷尬。但其鋪設(shè)復(fù)雜，使用電路較多，對電線的使用也較多，為了實現(xiàn)復(fù)雜的照明控制，通常需要更多的機械開關(guān)。這就導(dǎo)致了材料浪費問題。其次，傳統(tǒng)的照明控制需要人工控制，這就必然出現(xiàn)能源浪費的問題。不符合現(xiàn)代節(jié)能減排理念的要求。此外，傳統(tǒng)照明系統(tǒng)的檢修工作也較為復(fù)雜。由于線路繁多，檢修工作不易進(jìn)行，往往因為一個小問題而耗時耗力?，F(xiàn)代化節(jié)奏上，傳統(tǒng)燈光控制不僅不能很好的控制燈光亮度，而且在開斷瞬間會有火花，存在安全隱患。132聲控有線自動控制智能化程度較高，控制方式接近全自動化。但抗干擾能力依然有所有不足，聲控開關(guān)干擾因素較多，如風(fēng)大時聲大，誤接通；人在室內(nèi)無聲時又自動關(guān)斷，一定程度上帶來很大的不便。另外采有有線的布線方式，影響環(huán)境美觀，布線復(fù)雜，維修工作量大。133光強無線燈光控制此控制方式設(shè)備簡單、價格低廉，很容易推廣。而且現(xiàn)有的家電通常具有紅外線遙控功能，只需稍加改造就能很容易融入到智能家居控制網(wǎng)絡(luò)中。但信號發(fā)射通過紅外線，藍(lán)牙傳媒介質(zhì)，無熱釋電紅外線傳感器夠成回路。容易造成室內(nèi)無人卻燈火通明的現(xiàn)象，極大的造成能源的浪費。另外紅外線波長在760NM和400UM之間，由于波長短，對障礙物的衍射能差，要求控制器與接收器之間必須達(dá)到可視，并且通信角度不能大于35，通信距離短通常最大不超過10M。這些條件使得它不便于大范圍組建家庭通信網(wǎng)絡(luò)。14本文設(shè)計方案141ZIGBEE無線智能控制ZIGBEE無線智能燈光控制系統(tǒng)由無線燈節(jié)點接收端和無線傳感器發(fā)射端組成。每個ZIGBEE功能板內(nèi)部都集成了無線收發(fā)的功能。燈節(jié)點由PCB天線模塊，CC2530模塊，燈驅(qū)動繼電器模塊，燈電路模塊以及傳感器模塊組成。PCB天線模塊及CC2530內(nèi)部的無線收發(fā)器負(fù)責(zé)與其他的節(jié)點進(jìn)行無線通信。CC2530模塊負(fù)責(zé)接收，處理其他節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并且發(fā)送給燈具節(jié)點的數(shù)據(jù)，燈驅(qū)動模塊負(fù)責(zé)驅(qū)動燈模塊，實現(xiàn)燈的亮滅等功能。142ZIGBEE控制方案優(yōu)勢現(xiàn)有方案中只采用光敏電阻或者光照度傳感器的話，雖然可以在光照度較弱的情況下開啟燈光，但由于沒有考慮到是否有人的情況，非常容易造成“無人燈亮”的浪費。即便是輔助以時間段控制，也不能夠很好地根據(jù)室內(nèi)部的人數(shù)來調(diào)節(jié)燈光的強弱和開啟的數(shù)量，合理達(dá)到節(jié)能減排的目的。而本文采用的傳感器電路由光敏傳感器和熱釋電紅外線傳感器組成，兩種傳感器，雙線程控制燈光，提高照明控制的智能化程度，可以根據(jù)不同場合在不同時段中不同的情景需求，準(zhǔn)確、人性化地提供燈光節(jié)能策略。很好的解決室內(nèi)無人卻燈火通明的不足。采用無線控制方式，可以極大的擺脫空間上的束縛，傳統(tǒng)意義上的有線布線不僅浪費很多的有效空間，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。而ZIGBEE無線控制方式能很好的解決傳統(tǒng)照明方式的不足，由于其設(shè)備簡單、價格低廉，很容易在廣大家庭中推廣。143ZIGBEE控制研究意義1，提高照明光環(huán)境質(zhì)量。推行可持續(xù)發(fā)展的策略，節(jié)約能源，維護(hù)管理方便，真正實現(xiàn)綠色照明。2，體現(xiàn)以人為本的照明控制思想，根據(jù)人們的行為模式和住宅光環(huán)境決定照明的控制思想，創(chuàng)造一個個性化、藝術(shù)化、舒適、高雅的家庭光環(huán)境。3，構(gòu)成智能建筑系統(tǒng)的一部分。智能照明控制系統(tǒng)可以獨立運行，實現(xiàn)對光環(huán)境的合理控制；同時，其具有通信功能以及可擴展性，可把住宅智能照明系統(tǒng)作為住宅的子系統(tǒng)，并與家居自動控制系統(tǒng)，電視，多媒體，探測，警報系統(tǒng)共同構(gòu)成家庭智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。第2章ZIGBEE簡介21ZIGBEE介紹ZIGBEE是基于IEEE802154標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議。使用ZIGBEE協(xié)議可以建立一套無線通信系統(tǒng)，這種無線通信系統(tǒng)功耗極低，且技術(shù)結(jié)構(gòu)較為簡單清晰，建造成本低，但是這種系統(tǒng)只能在有限的空間范圍之內(nèi)進(jìn)行通信4。無線通信系統(tǒng)適合用于設(shè)計開發(fā)智能控制系統(tǒng)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)，可以結(jié)合使用各種功能的傳感器等設(shè)備。簡而言之，ZIGBEE就是一種低成本、低功耗但極富開發(fā)意義的有現(xiàn)代特色的無線組網(wǎng)通信技術(shù)4。利用ZIGBEE協(xié)議可以一個無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)可以由多達(dá)65000個的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。無線傳輸網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，每一個傳輸模塊都有其相應(yīng)的地址，利用ZIGEE協(xié)議中的通訊協(xié)議，可以使每個傳輸模塊之間相互通信。還能使用點播，組播協(xié)議，對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)強大。ZIGBEE無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)目前主要是用于工業(yè)之中，在工業(yè)自動化的無線數(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)傳輸網(wǎng)絡(luò)具有安裝簡單，使用方便，可靠性高，低成本等特點5。每個ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)節(jié)點本身就可以作為感應(yīng)終端，在感應(yīng)終端上安裝傳感器來實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的無線傳輸，還可以成為協(xié)調(diào)器來接收并轉(zhuǎn)發(fā)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)。除此之外，每一個ZIGBEE節(jié)點還可在其信號所及的范圍內(nèi)，和其他不需進(jìn)行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)工作的單獨網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行無線對接。ZIGBEE成本低廉，功能完備全面，十分符合課題研究的需求。因此，在進(jìn)行多方比較和研究分析后，本課題最終確定使用ZIGBEE協(xié)議棧，建立無線傳感網(wǎng)絡(luò)，并將此無線傳感網(wǎng)絡(luò)用于設(shè)計方案之中，作為區(qū)別于傳統(tǒng)照明控制回路的控制方式和數(shù)據(jù)傳輸方式。22CC2530CC2530，是用于24GHZIEEE802154、ZIGBEE和RF4CE應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)（SOC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強型8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KBRAM和許多其他強大的功能。CC2530有四種不同的閃存版本CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB的閃存。CC2530具有不同的運行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短進(jìn)一步確保了低能源消耗6。功能引腳圖如圖22所示。CC2530F256結(jié)合了德州儀器的業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元ZIGBEE協(xié)議棧（ZSTACK），提供了一個強大和完整的ZIGBEE解決方案。CC2530F64結(jié)合了德州儀器的黃金單元REMOTI，更好地提供了一個強大和完整的ZIGBEERF4CE遠(yuǎn)程控制解決方案。圖22CC2530功能引腳圖23基于CC2530實驗板本課題經(jīng)過深入研究分析現(xiàn)有照明控制方案后，結(jié)合ZIGBEE無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，設(shè)計出一套基于光照傳感器和熱釋電紅外傳感器的無線傳感照明控制方案。而要驗證該方案的可行性，必須設(shè)計一套硬件實驗對方案中的各部分功能進(jìn)行模擬。這套硬件實驗，就需要在CC2530開發(fā)板上完成。實驗用開發(fā)板如圖23所示。圖23CC2530實驗板本實驗中所用到的CC2530開發(fā)板功能如下（1）4色LED4色LED由左至右分別為藍(lán)、橙、紅、綠。對應(yīng)編號為LED4、3、2、1。四色LED的IO口為LED4P01、LED3P14、LED2P11、LED1P10。在ZIGBEE協(xié)議棧將其中任一IO口置1，就能使其對應(yīng)編號的LED燈亮起。P01口的LED4可與光敏座聯(lián)動，當(dāng)插入光敏電阻后，LED4就能根據(jù)光敏電阻檢測的光照程度自動調(diào)整亮度。P14口同時也與繼電器口互通，控制P14口就可以同時控制LED3以及繼電器的通斷。（2）人體紅外座人體紅外座上可插入紅外傳感器。本課題中設(shè)計的硬件實驗所需PIR傳感器就需要在此座插入。人體紅外座對應(yīng)IO口為P05默認(rèn)高電平也即是有人狀態(tài)。（3）光敏插座光敏插座與LED4共用一個IO口，P01。當(dāng)插入光敏電阻后，LED4就能根據(jù)光敏電阻檢測的光照程度自動調(diào)整亮度。（4）USB供電串口在進(jìn)行實驗時，共需用三塊CC2530節(jié)點，實驗時，需在供電串口處連接USB線與電腦相接為其供電，如此CC2530節(jié)點才能工作。（4）電源切換開關(guān)為體現(xiàn)無線傳輸功能，實驗中選協(xié)調(diào)器端作為電池供電，不需用USB線供電，此時，按下電源切換開關(guān)即可實現(xiàn)。（5）復(fù)位按鍵對CC2530節(jié)點進(jìn)行初始化的按鍵，一般捎入程序后需要按動此鍵。（6）DEBUG口仿真驅(qū)動器插入此口后，可與電腦連接并捎入程序。此口也可以作為供電用。24光敏傳感器隨著現(xiàn)代電測技術(shù)飛速發(fā)展和完善，各種功能的傳感器層出不窮。而在眾多種類的傳感器中，運用較為普遍的就是光敏傳感器。光敏傳感器對非電量檢測和智能、節(jié)能控制系統(tǒng)有著較為重要意義，其在各種照明控制工程或監(jiān)測工作中都被廣泛使用7。最簡單的光敏傳感器就是光敏電阻。而本課題中，所使用的光敏元件也是光敏電阻。光敏電阻又稱光導(dǎo)管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定波長的光照射下，其阻值迅速減小的特性。這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導(dǎo)電，在外加電場的作用下作漂移運動，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負(fù)極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降8。通常，光敏電阻器都制成薄片結(jié)構(gòu)，以便吸收更多的光能。當(dāng)它受到光的照射時，半導(dǎo)體片（光敏層）內(nèi)就激發(fā)出電子空穴對，參與導(dǎo)電，使電路中電流增強。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極常采用梳狀圖案，它是在一定的掩膜下向光電導(dǎo)薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成的8。光敏電阻的結(jié)構(gòu)圖如圖24所示。光明傳感器的工作原理是利用光敏元件，將所檢測到的光信號，可以使照度信息，也可以是光照強度信息等這些非電量，轉(zhuǎn)換為電量，也就是電信號的形式，具體應(yīng)用在本課題中，其電信號的值有兩種情況，1或0。本課題中需要使用光敏電阻進(jìn)行室內(nèi)光照信息檢測。若室內(nèi)光照強度不足，則光敏電阻將輸出值為1的信號。圖24光敏電阻結(jié)構(gòu)圖光敏傳感器敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。光傳感器不只局限于對光的探測，它還可以作為探測元件組成其他傳感器，對許多非電量進(jìn)行檢測，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為電信號的變化即可。當(dāng)光子沖擊接合處就會產(chǎn)生電流，使其接通，轉(zhuǎn)化成所需的電信號。25熱釋電紅外線傳感器熱釋電紅外線傳感器主要是由一種高熱電系數(shù)的材料，如鋯鈦酸鉛系陶瓷、鉭酸鋰、硫酸三甘鈦等制成尺寸為21MM的探測元件。在每個探測器內(nèi)裝入一個或兩個探測元件，并將兩個探測元件以反極性串聯(lián)，以抑制由于自身溫度升高而產(chǎn)生的干擾。由探測元件將探測并接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)變成微弱的電壓信號，經(jīng)裝在探頭內(nèi)的場效應(yīng)管放大后向外輸出。為了提高探測器的探測靈敏度以增大探測距離，一般在探測器的前方裝設(shè)一個菲涅爾透鏡，該透鏡用透明塑料制成，將透鏡的上、下兩部分各分成若干等份，制成一種具有特殊光學(xué)系統(tǒng)的透鏡，它和放大電路相配合，可將信號放大70分貝以上，這樣就可以測出1020米范圍內(nèi)人的行動9。熱釋電紅外傳感器在結(jié)構(gòu)上引入場效應(yīng)管，其目的在于完成阻抗變換。由于熱電元輸出的是電荷信號，并不能直接使用，因而需要用電阻將其轉(zhuǎn)換為電壓形式。故引入的N溝道結(jié)型場效應(yīng)管應(yīng)接成共漏形式來完成阻抗變換。熱釋電紅外傳感器由傳感探測元、干涉濾光片和場效應(yīng)管匹配器三部分組成。設(shè)計時應(yīng)將高熱電材料制成一定厚度的薄片，并在它的兩面鍍上金屬電極，然后加電對其進(jìn)行極化，這樣便制成了熱釋電探測元。由于加電極化的電壓是有極性的，因此極化后的探測元也是有正、負(fù)極性的。該傳感器將兩個極性相反、特性一致的探測元串接在一起，目的是消除因環(huán)境和自身變化引起的干擾。它利用兩個極性相反、大小相等的干擾信號在內(nèi)部相互抵消的原理來使傳感器得到補償。對于輻射至傳感器的紅外輻射，熱釋電傳感器通過安裝在傳感器前面的菲涅爾透鏡將其聚焦后加至兩個探測元上，從而使傳感器輸出電壓信號10。如今，熱釋電紅外傳感器已被廣泛運用于許多方面的解決方案之中。例如過道、走廊的照明燈光控制、私人車庫照明、超市等。究其原因，除了其價便宜，成本較低外，還因為其功能實用度高，較為符合實際需求等原因。熱釋電紅外傳感器在照明系統(tǒng)控制、運動檢測、安防監(jiān)控中都有著不可替代的地位。本課題中設(shè)計的實驗需要采用熱釋電紅外傳感器中的無源紅外傳感器（PIR傳感器），如圖25所示。圖25PIR傳感器第3章ZIGBEE無線智能燈光控制31ZIGBEE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31所示。圖3132設(shè)計說明傳感器電路由光敏傳感器和熱釋電紅外線傳感器組成，兩種傳感器，雙線程控制燈光，提高照明控制的智能化程度，可以根據(jù)不同場合在不同時段中不同的情景需求，準(zhǔn)確、人性化地提供燈光節(jié)能策略。很好的解決傳統(tǒng)照明系統(tǒng)中單傳感器的不足，如室內(nèi)無人卻燈火通明。采用兩塊PCB進(jìn)行無線傳輸控制，可以極大的擺脫空間上的束縛，有效的解決有線布線方式浪費意象派，影響室內(nèi)美觀，維修難度高的問題。ZIGBEE無線控制方式僅用兩塊功能板，功能板上集成了相關(guān)的光敏傳感器和熱釋電紅外線傳感器并有繼電器外接端口。一塊功能板用作信號發(fā)送，另一塊用作信號接收。本課題設(shè)計的照明系統(tǒng)控制的流程，首先由光照強度采集和室內(nèi)人員采集開始。當(dāng)系統(tǒng)啟動時，光敏傳感器和熱釋電紅外傳感器同時運作，將檢測得到的光照度和人員信息以電信號形式，發(fā)送給終端CC2530芯片。CC2530接收信號后，根據(jù)設(shè)計過程中捎寫的程序，完成控制指令的判斷，并輸出控制指令。而后就是本設(shè)計中的特色環(huán)節(jié)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的建立。通過對ZIGEE協(xié)議棧的編寫和運用，建立點對點無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。而后，終端輸出的控制指令通過無線傳輸，傳輸給接收端的CC2530芯片。協(xié)調(diào)器CC2530芯片根據(jù)設(shè)計過程中捎寫的接收端指令處理函數(shù)，判斷執(zhí)行何種指令并輸出相應(yīng)的執(zhí)行命令，而與接收端相連的LED就能做出正確的反映。當(dāng)傳感器檢測到的信號發(fā)生變化時，終端CC2530可以立刻接收并進(jìn)行判斷，按照上文所述的途徑，完成新的指令傳輸，接收端也能立刻對接收指令做出相應(yīng)的執(zhí)行操作。根據(jù)設(shè)置狀態(tài)掃描間隔時間，可以有效防止信號干擾，和無用的信號判斷。本課題設(shè)計的照明控制系統(tǒng)實現(xiàn)流程如圖32所示。圖32系統(tǒng)運行流程圖具體實現(xiàn)過程包括（1）光敏終端檢測到光照強度信息，若環(huán)境中光照強度不足，則光敏傳感器對應(yīng)IO口的值為1，終端將發(fā)送的光照信息數(shù)據(jù)包內(nèi)容也為1。紅外傳感終端檢測室內(nèi)人員情況，若室內(nèi)有人，紅外信息輸出值為1，無人則輸出值為0（2）接收端分別接收光敏終端信息以及紅外傳感終端信息，即終端所發(fā)送出的數(shù)據(jù)包，并提取數(shù)據(jù)包中的內(nèi)容。該部分為無線數(shù)據(jù)傳輸部分，通過對開發(fā)板編寫ZIGBEE點對點無線通訊協(xié)議，設(shè)置終端以及協(xié)調(diào)器的地址，并保證終端所發(fā)送數(shù)據(jù)僅能發(fā)送到指定地址的協(xié)調(diào)器，消除了在多個協(xié)調(diào)器情況下的信號誤傳問題以及干擾問題。（3）進(jìn)行環(huán)境判斷。接收端對數(shù)據(jù)包內(nèi)容進(jìn)行邏輯判斷，當(dāng)且僅當(dāng)兩個數(shù)據(jù)包內(nèi)容且為1時，也就是說當(dāng)前環(huán)境狀態(tài)為光照不足但室內(nèi)有人的情況，協(xié)調(diào)器上繼電器開通，繼電器通電指示燈亮起。若判斷出的環(huán)境狀態(tài)不是光照不足且室內(nèi)有人的狀態(tài)，則繼電器保持?jǐn)嚅_，指示燈不亮。當(dāng)系統(tǒng)開啟后，整個系統(tǒng)處于一個循環(huán)運作過程中，通過對ZIGBEE協(xié)議棧的編寫，可以改變對傳感器信息的采集時間，以此消除環(huán)境中干擾信號的影響。33系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)331開發(fā)環(huán)境介紹IAREMBEDDEDWORKBENCH是一個非常有效的集成開發(fā)環(huán)境（IDE），它使用戶充分有效地開發(fā)并管理嵌入式應(yīng)用工程。作為一個開發(fā)平臺，它具備任何在用戶每天的工作地方所想要的特性。IAREMBEDDEDWORKBENCH提供一個框架，任何可用的工具都可以完整地嵌入其中，這些工具包括高度優(yōu)化的IARAVRC/C編譯器；AVRIAR匯編器；通用IARXLINKLINKERIARXAR庫創(chuàng)建器和IARXLIBLIBRARIAN一個強大的編輯器；一個工程管理器；IARCSPYTM調(diào)試器，一個具有世界先進(jìn)水平的高級語言調(diào)試器。嵌入式IAREMBEDDEDWORKBENCH適用于大量8位、16位以及32位的微處理器和微控制器，使用戶在開發(fā)新的項目時也能在所熟悉的開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行。它為用戶提供一個易學(xué)和具有最大量代碼繼承能力的開發(fā)環(huán)境，以及對大多數(shù)和特殊目標(biāo)的支持。嵌入式IAREMBEDDEDWORKBENCH有效提高用戶的工作效率，通過IAR工具，用戶可以大大節(jié)省工作時間。圖33為IAREMBEDDEDWORKBENCH軟件界面。圖33IAREMBEDDEDWORKBENCH軟件界面332系統(tǒng)初始化完成對單片機中的各模塊包括外設(shè)的相應(yīng)控制寄存器中寫入正確的數(shù)據(jù)，設(shè)定各部分的工作方式。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IO一般輸入輸出端口等的操作，設(shè)置相應(yīng)的寄存器。本課題所設(shè)計系統(tǒng)需要使用兩個ZIGBEE模塊進(jìn)行模擬實驗。兩個模塊分別設(shè)計捎寫不同的ZIGBEE協(xié)議棧語句。（1）光敏傳感器終端代碼本段代碼能夠?qū)崿F(xiàn)對光敏傳感器所檢測光信號的采集以及光照信息的無線傳輸。首先，光敏傳感器對光照度進(jìn)行檢測，檢測信號將以電信號形式發(fā)給CC2530，之后經(jīng)過此段代碼，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_SENDPOINTTOPOINTMESSAGEVOID/點對點通信協(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/IFP0_11/判斷光敏電阻檢測信息，0為有光，1為無光/L1/當(dāng)完成光信號判斷時，輸出的信號L由協(xié)調(diào)器接收，并完成指令的邏輯判斷/ELSEL0IFAF_DATAREQUESTIFP0_51/判斷熱釋電紅外傳感器檢測信息，0為無人，1為有人/L1/用于協(xié)調(diào)器端進(jìn)行指令判斷的數(shù)據(jù)內(nèi)容ELSEL0IFAF_DATAREQUEST/由于接收協(xié)議以此只能接收一個數(shù)據(jù)，而系統(tǒng)中兩個終端同時對協(xié)調(diào)器進(jìn)行信號傳輸，因此需要用全局變量進(jìn)行數(shù)據(jù)保存/BREAKCASESAMPLEAPP_PEOPLE_CLUSTERID/若為紅外信號的數(shù)據(jù)包，則將內(nèi)容賦給DPKTCMDDATA0全局變量D/BREAKIFH1/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/ELSEP1_00/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，針對系統(tǒng)功能實現(xiàn)的每一步流程都給出了詳細(xì)解釋。其中包括傳感器對應(yīng)IO口，兩個信息采集終端環(huán)境采集信號的賦值操作、輸出數(shù)據(jù)包類型、數(shù)據(jù)包名稱、以及輸出內(nèi)容、協(xié)調(diào)器接收后的邏輯判斷取值，控制指令內(nèi)容等。本套實驗由于時間及硬件有限，僅在系統(tǒng)中加入兩個傳感器即光敏傳感器和紅外傳感器的應(yīng)用。該系統(tǒng)還具有較大的功能擴展空間，有待日后開發(fā)。第4章硬件仿真結(jié)果分析41硬件仿真調(diào)試內(nèi)容本系統(tǒng)的硬件調(diào)試需要使用兩塊ZIGBEE模塊，組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)，其中一個模塊裝設(shè)光敏傳感器、熱釋電紅外傳感器。這個模塊稱為終端，剩余一個模塊用于接收信息并完成控制命令的判斷與執(zhí)行，稱為協(xié)調(diào)器。實驗預(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，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)。實驗中，模擬無光狀態(tài)時，用手擋住光敏傳感器，有光狀態(tài)則直接在白天環(huán)境中模擬；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。42調(diào)試結(jié)果分析421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。實驗效果如圖41所示。用手指遮住光照檢測終端的光敏傳感器，同時在熱釋電紅外傳感器附近，用手指晃動，模擬無光且有人的環(huán)境。可看出，協(xié)調(diào)器即無人工干預(yù)的節(jié)點上，從左至右數(shù)第一盞LED燈處于亮的狀態(tài)。實驗效果與預(yù)期一致。最右方兩盞LED分別為第四盞，光敏燈，默認(rèn)為亮；第三盞通訊聯(lián)接指示燈，在兩塊節(jié)點相互通訊成功時，保持亮的狀態(tài)。在協(xié)調(diào)器上，此兩盞燈在實驗中不受任何控制，保持常亮。環(huán)境中所需的燈被點亮，通過串口界面可以監(jiān)視燈亮的情況，此時串口顯示LIGHTON，串口界面如圖41圖41無光有人從模擬環(huán)境（2）開始，是本設(shè)計區(qū)別于傳統(tǒng)照明控制系統(tǒng)的特色部分。傳統(tǒng)照明控制系統(tǒng)一般使用機械開關(guān)控制，幾乎沒有智能控制的概念。而智能家居控制方案中，也僅能實現(xiàn)紅外感應(yīng)或者光照感應(yīng)的單獨工作，并不能完成復(fù)雜的環(huán)境判斷功能。本設(shè)計中，為體現(xiàn)節(jié)能理念以及智能控制，專門研究解決了環(huán)境判斷功能，使系統(tǒng)能對環(huán)境做出正確判斷并執(zhí)行正確照明控制操作。以下三個模擬環(huán)境實驗，都將檢驗本系統(tǒng)的環(huán)境判斷功能以及方案可行性。422模擬環(huán)境中，光照不足且無人員如圖42將光敏傳感器處于光線昏暗環(huán)境下且人體與紅外傳感器保持一定距離，協(xié)調(diào)器上LED1不亮。串口顯示LIGHTOFF，與實驗預(yù)期效果一致。圖42無光無人在本模擬環(huán)境中，如果是傳統(tǒng)照明控制方案，那么只能機械的通過控制開光控制燈的亮滅。在光照不足時，人工打開照明燈，但人員若離開房間一段時間，或是離開房間后忘記關(guān)燈，那么燈依然保持亮的狀態(tài)，極大造成資源的浪費。423模擬環(huán)境中光照充足，但沒有人員如圖43，將光敏傳感器用電筒照射，同時身體與紅外傳感器保持距離。協(xié)調(diào)器LED1不亮，效果與預(yù)期一致。圖43有光無人本模環(huán)境是比較常見的環(huán)境，如白天室內(nèi)無人的情況。本模擬環(huán)境下的實驗是為了驗證本方案是否在白天室內(nèi)無人時會自動打開而造成資源浪費的問題。424模擬環(huán)境中光照充足，且有人員經(jīng)過協(xié)調(diào)器LED1依舊保持熄滅狀態(tài)，顯示與模擬環(huán)境（3）一樣，效果與預(yù)期一致。進(jìn)行光照充足但有人員的模擬環(huán)境實驗，其目的之一在于體現(xiàn)本方案中，兩個傳感器所檢測的信息，在協(xié)調(diào)器判斷環(huán)境時不會沖突，不會導(dǎo)致其中一個傳感器單獨控制。其二，為體現(xiàn)節(jié)能性，與無光無人模擬環(huán)境相類似。當(dāng)室內(nèi)光照度足以滿足室內(nèi)人員需求時，無需開啟燈光，這也明顯區(qū)別于傳統(tǒng)照明控制方案。經(jīng)過實物硬件調(diào)試，針對有可能出現(xiàn)的四種不同環(huán)境進(jìn)行了模擬，得到控制效果與預(yù)期一致。本課題所設(shè)計系統(tǒng)成功運行。43創(chuàng)新點及應(yīng)用431創(chuàng)新點1首先通過光照度傳感器獲取室內(nèi)有無光信息，并通過相關(guān)程序算法，實現(xiàn)通過光照度強度的判別來初步實現(xiàn)室內(nèi)燈光的開啟和關(guān)閉。2其次，通過PIR傳感器，檢測室內(nèi)部人員的變動，并設(shè)置一系列的算法，可實現(xiàn)對室內(nèi)燈光的進(jìn)行合理地開啟和關(guān)閉。采用兩種傳感器共同控制燈光，效率高，準(zhǔn)確度高。3再者，通過ZIGBEE協(xié)議棧，實現(xiàn)無線傳輸，可以極大的擺脫空間上的束縛，解決傳統(tǒng)意義上的有線布線的不足，優(yōu)化室內(nèi)布局，并且ZIGBEE無線控制方式所需設(shè)備簡單、價格低廉，很容易在廣大家庭中推廣。432應(yīng)用該燈光控制照明系統(tǒng)經(jīng)過合理的發(fā)展改善和應(yīng)用，可以延伸到家居環(huán)境以外的的各種電氣設(shè)備的智能控制，如根據(jù)室外、室內(nèi)氣溫來控制教室內(nèi)部的風(fēng)扇或者空調(diào)的開關(guān)和功率。當(dāng)然，該系統(tǒng)也可以用于其他場所，比如寫字樓的辦公室、學(xué)校教室、宿舍公寓、小區(qū)街道等。同時該項目也可以應(yīng)用與養(yǎng)殖業(yè)、盆栽葉、大型工廠等燈光大量分布、自動化程度高的地方。44存在的不足1簡化模型。由于時間、資金和精力的不足，無法將整個理論系統(tǒng)運用到實際中去，只能用ZIGBEE開發(fā)板、PCB天線模塊，繼電器，電腦仿真軟件來模擬室內(nèi)的環(huán)境下的效果。而空間大小、天氣狀況等實際的因素被忽略，2掃描不夠靈敏。由于熱紅外釋電阻由于本身器件存在一個延遲，導(dǎo)致當(dāng)有人靠近時并不能馬上點亮所要的燈光，而是延遲5秒左右。而這從另一方面也可以避免PIR傳感器的誤動作，在5秒內(nèi)會一直掃描傳入的信號，若沒人則燈不亮。第5章總結(jié)51工作內(nèi)容本文以家居照明為對象，通過較全面分析現(xiàn)有的照明控制技術(shù)及ZIGBEE的發(fā)展和研究狀況，并結(jié)合家居照明的特點，針對現(xiàn)有照明控制技術(shù)中存在的問題，設(shè)計了用于家居照明的控制系統(tǒng)。本課題主要完成了以下幾個方面的工作1分析了當(dāng)代照明的主要控制方式研究現(xiàn)狀，并針對家居照明，具體研究，對現(xiàn)有照明系統(tǒng)存在的問題，提出改善方法，論述了ZIGBEE無線智能控制的優(yōu)越性；2設(shè)計了智能照明的總體方案；3設(shè)計并實現(xiàn)了模擬用于家居現(xiàn)場的智能照明控制的軟、硬件；4實現(xiàn)了基于ZIGBEE無線通訊網(wǎng)絡(luò)的通信功能。課題的研究最主要特色為無線雙感應(yīng)控制。同時運用光敏傳感器和熱紅外釋傳感器，解決了以往控制中無光條件下燈亮而浪費能源的問題，并通過無線控制使用戶使用簡便，而且在整體布局上更加美觀，節(jié)省不必要的資源的浪費。52展望總結(jié)整個課題的研究，由于時間關(guān)系和個人經(jīng)驗的欠缺，本課題設(shè)計的教室智能照明控制系統(tǒng)仍存在一些不足，需要進(jìn)一步的深入研究，主要表現(xiàn)在以下方面1論文只研究了單一燈光的無線控制系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為簡單，仍處于實驗階段，模擬環(huán)境中忽略了外界的一些刻觀因素，如天氣，溫度氣壓等，在實際的模型中情況可能更加復(fù)雜。2掃描不夠靈敏。由于熱紅外釋電阻由于本身器件存在一個延遲，導(dǎo)致當(dāng)有人靠