李煜堃

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，作為物聯(lián)網(wǎng)重要應(yīng)用之一的智能家居，近幾年發(fā)展迅速，相應(yīng)產(chǎn)品得到廣泛應(yīng)用?？紤]到當(dāng)前室內(nèi)用電浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，由此設(shè)計(jì)一款基于ZigBee通信技術(shù)的室內(nèi)光照控制系統(tǒng)，起到節(jié)能效果。本設(shè)計(jì)從自然光照和燈具光照兩方面出發(fā)，通過(guò)無(wú)線傳輸技術(shù)、傳感技術(shù)等來(lái)實(shí)現(xiàn)窗簾及燈具的智能控制，為人們提供理想的室內(nèi)光照環(huán)境。

關(guān)鍵詞：智能家居;ZigBee;光照控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP3 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）31-0237-03

1研究背景

從2012年年初國(guó)家將智能家居列入“十二五規(guī)劃”的九大產(chǎn)業(yè)，到2017年國(guó)務(wù)院印發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步擴(kuò)大和升級(jí)信息消費(fèi)持續(xù)釋放內(nèi)需潛力的指導(dǎo)意見(jiàn)》、工信部印發(fā)《促進(jìn)新一代人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃（2018-2020）》，作為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域下朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)的智能家居行業(yè)發(fā)展迅速，數(shù)字家庭產(chǎn)品正走向定制化應(yīng)用場(chǎng)景的智能家居“產(chǎn)品+服務(wù)”模式。尤其是，作為智能家居產(chǎn)品的室內(nèi)光照控制系統(tǒng)也具有良好的前景。根據(jù)《2019中國(guó)智能家居發(fā)展白皮書(shū)》和《2020中國(guó)智能家居生態(tài)發(fā)展白皮書(shū)》中的數(shù)據(jù)可知，智能窗簾和智能燈具照明占據(jù)比較重要的地位。

雖然在當(dāng)今時(shí)代，樹(shù)立可持續(xù)發(fā)展觀，建立資源節(jié)約、環(huán)境友好型社會(huì)的戰(zhàn)略決策早已成為社會(huì)各界的共識(shí)。但是，當(dāng)前資源的使用狀況不容樂(lè)觀，各種浪費(fèi)現(xiàn)象普遍存在，特別是在用電方面，浪費(fèi)尤為嚴(yán)重。

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，日常生活中在房間內(nèi)“睡覺(jué)時(shí)亮燈”“白天亮燈”“無(wú)人室內(nèi)亮燈”的現(xiàn)象較為普遍，造成電能的不必要浪費(fèi)。同時(shí)，用電浪費(fèi)不僅僅出現(xiàn)在人們的住房、宿舍等私人生活空間，更加頻繁地出現(xiàn)在公共場(chǎng)合。其中，在校園及辦公場(chǎng)所的用電浪費(fèi)尤為明顯，經(jīng)常出現(xiàn)離開(kāi)房間忘記關(guān)燈的狀況，造成嚴(yán)重的電力浪費(fèi)。

因此，設(shè)計(jì)一種室內(nèi)光照控制系統(tǒng)，直接、有效解決電燈帶來(lái)用電浪費(fèi)的方式，起到較好的節(jié)能效果，避免不必要的電力浪費(fèi)。系統(tǒng)所涉及的應(yīng)用場(chǎng)景不局限于家居，也可以為公共場(chǎng)所室內(nèi)。

2設(shè)計(jì)思路

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

室內(nèi)光照控制系統(tǒng)由主控模塊、環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器模塊、燈具控制模塊、設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊、人機(jī)交互模塊五部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖如圖1所示。

利用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)來(lái)構(gòu)建系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸與控制，從而實(shí)現(xiàn)主控模塊與底層環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器、設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊和燈具控制模塊的數(shù)據(jù)通信。同時(shí)，主控模塊可以利用Wi-Fi將當(dāng)前實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)平臺(tái)，從而與人機(jī)交互模塊相聯(lián)系。

2.2系統(tǒng)分層架構(gòu)

基于ZigBee通信技術(shù)的室內(nèi)光照控制系統(tǒng)按照物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)框架，從整體上大致分為三部分：

（1）感知層：環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器模塊負(fù)責(zé)感知部分，即實(shí)時(shí)采集室內(nèi)的光照強(qiáng)度、溫度、紅外強(qiáng)度環(huán)境數(shù)據(jù)信息。

（2）網(wǎng)絡(luò)層：本系統(tǒng)的傳輸部分包括兩類傳輸方式：①室內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸（即主控模塊與底層環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器、設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊和燈具控制模塊的數(shù)據(jù)通信）利用ZigBee通信技術(shù);②云平臺(tái)與主控模塊間采用Wi-Fi方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

（3）應(yīng)用層：主控模塊負(fù)責(zé)對(duì)兩類數(shù)據(jù)的處理、響應(yīng)：①在常規(guī)自動(dòng)模式，對(duì)接受到的底層傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，按照功能需求的設(shè)置，對(duì)燈具進(jìn)行相應(yīng)的開(kāi)閉控制，或是驅(qū)動(dòng)電機(jī)以實(shí)現(xiàn)窗簾的開(kāi)閉;②在人工手動(dòng)模式下，主控模塊接受云平臺(tái)傳來(lái)的命令，直接對(duì)相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行控制。

3系統(tǒng)功能

3.1功能概述

本系統(tǒng)根據(jù)使用者的實(shí)際需求，分為常規(guī)自動(dòng)室內(nèi)光照控制模式和人工手動(dòng)控制兩種方式：在常規(guī)方式下，傳感層將采集的環(huán)境參數(shù)通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸給主控模塊進(jìn)行分析處理，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)燈具和窗簾的開(kāi)閉狀態(tài);在人工手動(dòng)控制方式下，使用者也可以通過(guò)人機(jī)交互模塊（微信小程序）來(lái)了解室內(nèi)的基本信息，可以查看溫度、光照強(qiáng)度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，也能夠查閱歷史數(shù)據(jù)，并能夠發(fā)送控制命令完成對(duì)燈具和窗簾開(kāi)閉狀態(tài)的控制。系統(tǒng)模塊功能圖如圖2所示。

3.2功能詳細(xì)說(shuō)明

室內(nèi)光照控制系統(tǒng)功能主要有以下四個(gè)方面：開(kāi)閉狀態(tài)的定時(shí)控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和反饋、開(kāi)閉狀態(tài)的自動(dòng)調(diào)節(jié)（盡量避免不合理用電狀況出現(xiàn)）、根據(jù)使用者在微信小程序中的命令來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)燈具及窗簾開(kāi)閉狀態(tài)的控制。

（1）開(kāi)閉狀態(tài)的定時(shí)控制：使用者可以設(shè)定窗簾及燈具的開(kāi)閉時(shí)間，實(shí)現(xiàn)窗簾及燈具的定時(shí)開(kāi)關(guān)。比如：在睡覺(jué)前設(shè)定燈具關(guān)閉以及窗簾打開(kāi)的時(shí)間，從而避免“忘關(guān)燈”造成的用電浪費(fèi)和“睡過(guò)頭”的情形。

（2）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和反饋：對(duì)室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將數(shù)據(jù)顯示到人機(jī)交互模塊，使用者通過(guò)微信小程序來(lái)了解室內(nèi)的基本信息，查看溫度、光照強(qiáng)度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，也能夠查閱歷史數(shù)據(jù)。

（3）開(kāi)閉狀態(tài)的自動(dòng)調(diào)節(jié)：本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)燈具和窗簾開(kāi)閉狀態(tài)的自動(dòng)控制。窗簾的開(kāi)閉狀態(tài)分為三種情況：如果在光照適中的白天，則打開(kāi)窗簾、關(guān)閉燈具，利用自然光而不是燈關(guān);如果外界光照強(qiáng)度較為強(qiáng)烈且溫度較高，則自動(dòng)關(guān)閉窗簾，避免較強(qiáng)的紫外線對(duì)人體造成危害或是較強(qiáng)的光照對(duì)室內(nèi)設(shè)備帶來(lái)?yè)p耗;如果天黑，則自動(dòng)關(guān)閉窗簾。除第一種情形，其余情況都需要打開(kāi)燈具。此時(shí)，需要判斷室內(nèi)是否有人，當(dāng)檢測(cè)到人體進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，自動(dòng)打開(kāi)照明燈具;當(dāng)檢測(cè)到人體離開(kāi)房間時(shí)，關(guān)閉燈具，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)燈具開(kāi)閉狀態(tài)的自動(dòng)控制。

（4）人工手動(dòng)控制：使用者通過(guò)微信小程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)燈具、窗簾開(kāi)閉狀態(tài)的控制，比如白天光照較強(qiáng)時(shí)也可以短暫打開(kāi)房間內(nèi)的窗簾，起到降低室內(nèi)濕度的作用;或是需要時(shí)，在夜晚也可以打開(kāi)窗簾，欣賞夜景。

4模塊設(shè)計(jì)

室內(nèi)光照控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，需要在完成主控模塊、環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器模塊、燈具控制模塊、設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊、人機(jī)交互模塊五部分構(gòu)成的基礎(chǔ)上，還需再加上ZigBee通信模塊和Wi-Fi模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)各部分間數(shù)據(jù)的傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)窗簾及燈具開(kāi)閉狀態(tài)的控制。

4.1 ZigBee通信模塊

由于TI公司的CC2530芯片是基于標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議IEEE802.15.4之上，應(yīng)用于ZigBee的一個(gè)片上系統(tǒng)（SOC）解決方案。它能夠以極低的總材料成本建立較為強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，也能夠滿足超低功耗系統(tǒng)的要求。故，室內(nèi)光照控制系統(tǒng)可以采用CC2530芯片來(lái)完成組網(wǎng)。由于模塊間的聯(lián)系并不復(fù)雜，所以簡(jiǎn)單起見(jiàn)，可以采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。具體來(lái)說(shuō)，主控模塊與ZigBee協(xié)調(diào)器相聯(lián)接，所有傳感器、驅(qū)動(dòng)控制模塊都與ZigBee終端節(jié)點(diǎn)相連接，實(shí)現(xiàn)模塊間的數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee通信模塊大致如圖3所示。

4.2主控模塊

主控模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分析處理、命令控制的發(fā)送以及數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)，故可以利用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)分析判斷、控制開(kāi)閉、上傳數(shù)據(jù)、接收命令的功能。同時(shí)，單片機(jī)可以和ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并利用Wi-Fi模塊上傳數(shù)據(jù)或是接受使用者命令。考慮到Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開(kāi)源電子原型平臺(tái)，包含硬件（各種型號(hào)的Arduino板）和軟件（Arduino IDE），因此可以使用Arduino來(lái)實(shí)現(xiàn)主控模塊的功能。主控模塊功能，如圖4所示。

4.3環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器模塊

環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)室內(nèi)溫度、自然光照強(qiáng)度以及紅外強(qiáng)度信息進(jìn)行收集，故本系統(tǒng)需要溫度傳感器、紅外傳感器、光敏傳感器?？紤]到需要判斷外界自然光和房間內(nèi)光照的強(qiáng)度，可以將光敏傳感器放置在兩類位置：一類是放在窗簾與外部窗戶之間，便于采集自然光照強(qiáng)度;另一類是放在窗簾以里的房間內(nèi)部，采集室內(nèi)的光照強(qiáng)度以便判斷室內(nèi)燈具的開(kāi)閉需要。

4.4燈具控制模塊

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)接收到的命令來(lái)控制繼電器，進(jìn)而控制燈具的開(kāi)閉狀態(tài)。具體來(lái)說(shuō)，主控模塊對(duì)接收到的人體紅外傳感器數(shù)值和室內(nèi)光照強(qiáng)度數(shù)值進(jìn)行分析，當(dāng)室內(nèi)光照強(qiáng)度較弱（即低于設(shè)定閾值時(shí)）且人體紅外傳感器檢測(cè)到有人進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，則打開(kāi)燈具照明。每隔一段時(shí)間（30s）再次分析新采集的數(shù)據(jù)，若仍有人在光照強(qiáng)度較弱的室內(nèi)，則保持燈具照明狀態(tài)，否則關(guān)閉燈具。燈具開(kāi)閉控制流程圖，如圖5所示。

4.5設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊

當(dāng)需要對(duì)窗簾的開(kāi)閉狀態(tài)進(jìn)行改變時(shí)，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)接收到的命令來(lái)控制繼電器（電機(jī)與繼電器相連），以此實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)窗簾開(kāi)閉狀態(tài)的控制。具體來(lái)說(shuō)，主控模塊對(duì)接收到的自然光照強(qiáng)度、溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合當(dāng)前時(shí)間，自動(dòng)調(diào)整窗簾的開(kāi)閉。當(dāng)在白天時(shí)，若自然光照強(qiáng)度、溫度未超出警戒閾值，窗簾保持打開(kāi)狀態(tài);若測(cè)得當(dāng)前光照強(qiáng)度過(guò)大，超過(guò)警戒閾值，則自動(dòng)關(guān)閉窗簾。當(dāng)在夜晚時(shí)，則自動(dòng)關(guān)閉窗簾。窗簾開(kāi)閉控制流程圖，如圖6所示。

4.6人機(jī)交互模塊

該模塊主要是以微信小程序的形式，將室內(nèi)的數(shù)據(jù)信息展現(xiàn)給使用者，使用者也可以利用其進(jìn)行定時(shí)控制、手動(dòng)控制，直接發(fā)送相應(yīng)命令。主控模塊能夠響應(yīng)命令，控制燈具及窗簾的開(kāi)閉狀態(tài)。

4.7 Wi-Fi模塊

主控模塊單片機(jī)利用Wi-Fi模塊將數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)平臺(tái)，云服務(wù)平臺(tái)與微信小程序相連接，使得使用者能夠看到數(shù)據(jù)。同時(shí)，使用者在微信小程序發(fā)送的命令，能夠借助云服務(wù)平臺(tái)，通過(guò)Wi-Fi模塊傳輸?shù)街骺啬K，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)對(duì)相應(yīng)指令的響應(yīng)，完成燈具及窗簾開(kāi)閉狀態(tài)的控制。

4.8整體設(shè)計(jì)框架圖

在完成主控模塊、環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器模塊、燈具控制模塊、設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊、人機(jī)交互模塊、ZigBee通信模塊和Wi-Fi模塊的設(shè)計(jì)分析后，室內(nèi)光照控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框架圖如圖7所示。

5總結(jié)

本文所提出的基于ZigBee通信技術(shù)的室內(nèi)光照控制系統(tǒng)，從自然光和燈具照明兩方面出發(fā)，借助對(duì)窗簾及燈具的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的適宜光照，為使用者提供更高質(zhì)量的生活保障、更舒適的生活環(huán)境，同時(shí)也便于減少人們室內(nèi)不合理用電的現(xiàn)象，從而起到節(jié)能效果。此外，本系統(tǒng)增加了適當(dāng)與使用者的交互，具有使用簡(jiǎn)單方便、遠(yuǎn)程控制、交互能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 國(guó)務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步擴(kuò)大和升級(jí)信息消費(fèi)持續(xù)釋放內(nèi)需潛力的指導(dǎo)意見(jiàn)[J].中國(guó)電信業(yè)，2017（9）：39-43.

[2] 促進(jìn)新一代人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃——（2018—2020年）[N].中國(guó)電子報(bào)，2017-12-19（2）.

[3] 羅永劍，楊玲玲，溫玉婷. 北京高校用電浪費(fèi)情況調(diào)查及分析[C]. 中國(guó)可持續(xù)發(fā)展研究會(huì).2009中國(guó)可持續(xù)發(fā)展論壇暨中國(guó)可持續(xù)發(fā)展研究會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（上冊(cè)）.中國(guó)可持續(xù)發(fā)展研究會(huì)：中國(guó)可持續(xù)發(fā)展研究會(huì)，2009：404-408.

[4] 方中純，李海榮.基于Arduino和ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].山東工業(yè)技術(shù)，2018（2）：101-102.

[5] 何諧，井新宇，胡遠(yuǎn)航.一種基于ZigBee技術(shù)的智能窗簾控制系統(tǒng)[J].電子制作，2016（9）：40-42.

[6] 方志忠，陳文超，翟志穎，等.基于zigbee的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子制作，2014（14）：33-34.

[7] 陳雷.高校智慧教室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)[D].上海：華東理工大學(xué)，2016.

【通聯(lián)編輯：梁書(shū)】