徐小虎，吳錦華，郁 潔

（安徽信息工程學院，安徽 蕪湖 241000）

科技與藝術設計

基于GSM和ZigBee網(wǎng)絡的可自適應調(diào)光系統(tǒng)設計研究

徐小虎，吳錦華，郁 潔

（安徽信息工程學院，安徽 蕪湖 241000）

目前多數(shù)家庭使用傳統(tǒng)的照明控制方式，且控制方式單一，照明燈使用也存在浪費現(xiàn)象.因此，本文研發(fā)一種基于GSM和ZigBee網(wǎng)絡的可自適應調(diào)光系統(tǒng)，系統(tǒng)能根據(jù)外界光強的強弱自動調(diào)節(jié)照明設備使房間內(nèi)的光照處于良好穩(wěn)定的狀態(tài)，并能通過移動終端經(jīng)GSM網(wǎng)絡發(fā)送指令打開或關閉照明設備，該系統(tǒng)具有坎線自網(wǎng)、自適應調(diào)光、遠程控制等特點.通過實驗表明，該設計能夠遠程控制照明設備，照明設備能根據(jù)環(huán)境進行自適應調(diào)光.

自適應調(diào)光；GSM；ZigBee技術；移動終端

1 引言

根據(jù)國家能源局發(fā)布的數(shù)據(jù)[1]，2013年全社會累計用電量為53223億千瓦時，其中城鄉(xiāng)居民生活用電達到了6793億千萬時，同比增長9.2%，而在城鄉(xiāng)家庭中，大多數(shù)家庭使用的照明設備不具有自適應調(diào)光的功能，用電的浪費明顯.

隨著科技的快速發(fā)展，快捷便利是人們追求的生活方式.傳統(tǒng)的照明控制方式過于單一以及布線過于復雜，新型照明控制方式的研發(fā)是又一大潛在發(fā)展方向.ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術，具有低復雜度、自組織、低數(shù)據(jù)率、低成本等特點，并且具有良好的擴容性[2].采用ZigBee組網(wǎng)技術，將家庭內(nèi)部的智能燈節(jié)點進行集中管理和分散控制[3].我們開發(fā)了一種基于GSM和ZigBee網(wǎng)絡的可自適應調(diào)光系統(tǒng)，具有無線組網(wǎng)、自適應調(diào)光、環(huán)境智能感知、遠程控制等特點，該系統(tǒng)方便了人們對照明設備的控制，同時照明用電得到合理使用.本文主要介紹基于GSM和ZigBee網(wǎng)絡可自適應調(diào)光系統(tǒng)的設計與實現(xiàn).

2 系統(tǒng)總體結構

本設計采用家庭無線燈具網(wǎng)絡、ZigBee-GSM網(wǎng)關和Android移動終端三部分組成，系統(tǒng)結構如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體結構

2.1 無線照明燈網(wǎng)絡

傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡由一系列ZigBee路由節(jié)點和終端節(jié)點組成.本系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡主要由網(wǎng)關和燈具節(jié)點組成.燈具節(jié)點主要是由家用照明燈、無線模塊、紅外感應、光敏傳感器集成.家庭所有燈具節(jié)點以網(wǎng)關為中心，構建一個星狀的無線燈具網(wǎng)絡，它具有擴展性，標準的Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡最多可以集成65535個節(jié)點.用戶使用移動終端軟件以短信形式向網(wǎng)關發(fā)送控制指令，網(wǎng)關將控制指令中轉發(fā)送給各個燈具節(jié)點.各個燈具節(jié)點主要通過傳感器采集環(huán)境信息來調(diào)節(jié)燈光強度，燈具通過紅外傳感器打開或關閉燈具.節(jié)點同時可以接收網(wǎng)關發(fā)送的控制指令打開或關閉燈具，節(jié)點若接受到查詢指令，向網(wǎng)關反饋設備狀態(tài)信息. 2.2 ZigBee-GSM網(wǎng)關

ZigBee-GSM網(wǎng)關是實現(xiàn)遠程控制的關鍵設備，它集無線收發(fā)、控制指令解析以及GSM網(wǎng)絡通信于一身，使無線燈具網(wǎng)絡和GSM網(wǎng)絡實現(xiàn)無縫融合.網(wǎng)關主要通過內(nèi)部GSM模塊接受移動終端發(fā)送的短信，將接受到的控制短信通過串口發(fā)送給ZigBee模塊，Zigbee模塊中MCU解析短信獲取控制指令，再將控制指令封裝成ZigBee網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)包，發(fā)送給指定的ZigBee燈具節(jié)點，從而實現(xiàn)節(jié)點、網(wǎng)關和移動終端的三級通信.網(wǎng)關同時接受燈具反饋的設備信息通過GSM模塊發(fā)送給手機端.

2.3 Android移動終端控制軟件

基于Android平臺開發(fā)移動端控制軟件，負責向網(wǎng)關發(fā)送短信.同時借助人機交互界面向用戶展示設備信息，如果出現(xiàn)異常會及時提醒.

3 系統(tǒng)設計

3.1 燈具節(jié)點設計

燈具節(jié)點包含ZigBee無線通信模塊、紅外傳感器、照明光源、光敏電阻和升壓模塊，接口連接如圖2所示.ZigBee模塊主要和網(wǎng)關保持通信.照明光源采用節(jié)能環(huán)保的LED作為照明設備，所選的燈工作電壓為12V，支持連續(xù)調(diào)光，滿足本系統(tǒng)的需要.紅外傳感器主要是判斷是否有人進入房間，若有則驅動照明設備開啟.光敏傳感器是采集室內(nèi)光照強度，根據(jù)強度光照向與燈具連接的Zigbee模塊IO口輸出PWM信號，從而達到自動調(diào)光.由于燈具工作電壓是12V，ZigBee輸出電壓最大為3.3V，采用升壓模塊輸出恒定電壓，保證燈具正常工作，同時升壓模塊可以根據(jù)I/O輸出自動調(diào)節(jié)輸出電壓.

圖2 燈具節(jié)點

燈具節(jié)點核心程序基于ZigBee協(xié)議棧在IAR環(huán)境下開發(fā).節(jié)點主要是監(jiān)聽網(wǎng)關發(fā)送的指令以及自適應調(diào)光.節(jié)點一致監(jiān)聽是否有人進入房間，如果有人進入房間且燈處于關閉狀態(tài)，則將房間燈的狀態(tài)信息發(fā)送至網(wǎng)關中轉至移動端.節(jié)點同時監(jiān)聽網(wǎng)關中轉的移動端指令，如果是查詢指令，則反饋燈具狀態(tài)信息至網(wǎng)關；如果是控制指令，則打開或關閉燈節(jié)點.燈具采用PWM自適應調(diào)光，具體自適應調(diào)光原理如圖3所示，燈具節(jié)點具體流程圖見圖4.

圖3 燈具自適應調(diào)光

圖4 燈具節(jié)點流程圖

3.2 ZigBee-GSM網(wǎng)關設計

ZigBee-GSM網(wǎng)關由GSM模塊、ZigBee模塊組成.網(wǎng)關硬件連接圖如圖5所示.本系統(tǒng)中采用的GSM模塊是HUAWEI公司的SIM900A，它是兩頻段的GSM/GPRS無線模塊，支持標準的AT命令及增強AT指令，提供豐富的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務等功能，是高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀鞣N應用的理想解決方案.為了簡化設計，網(wǎng)關中控制器同樣使用的是Zig-Bee模塊內(nèi)集成的8051 MCU；ZigBee模塊通過RS232串口與GSM模塊相連如圖6所示，MCU通過串口向GSM發(fā)送AT指令控制GSM模塊發(fā)送和接受短信.內(nèi)置的閃存用于保存燒寫的程序，節(jié)約了搜索時間.同時使用8KB SDRAM是網(wǎng)關超低功耗的原因.

圖5 ZigBee-GSM網(wǎng)關

圖6 具體流程圖

網(wǎng)關核心程序主要基于ZigBee協(xié)議棧在IAR環(huán)境下開發(fā).ZigBee-GSM網(wǎng)關主要監(jiān)聽燈具節(jié)點狀態(tài)信息以及移動端發(fā)送的控制信息.如果采集到的數(shù)據(jù)是節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)則通過GSM模塊經(jīng)GSM網(wǎng)絡轉發(fā)給手機端進行顯示.如果采集到的數(shù)據(jù)是移動端的控制信息則產(chǎn)生串口中斷，解析出控制指令再組成ZigBee網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包轉發(fā)給燈具節(jié)點，網(wǎng)關的具體流程圖見圖6.

圖7 網(wǎng)關程序流程

3.3 Android移動端軟件設計

Android是基于Linux的開源操作系統(tǒng)，目前次系統(tǒng)主要用于定制開發(fā)[4]，特別是當今的移動開發(fā)中，通常是Android系統(tǒng)上的二次開發(fā).圖7為系統(tǒng)運行的流程圖.軟件開發(fā)過程中采用工具Eclipse，嵌入安卓開發(fā)插件ADT16.0，同時SDK采用穩(wěn)定的2.3版本，運用JAVA語言進行編程開發(fā).開發(fā)結束生成apk文件，拷貝至手機進行安裝即可運行使用.

圖8 軟件運行流程

4 總體實現(xiàn)

4.1 實驗步驟

(1)在IAR開發(fā)環(huán)境編寫網(wǎng)關和燈具節(jié)點的程序，編寫完畢生成hex文件，再使用SmartRF Flash Programmer軟件通過CC-Debuger燒寫至網(wǎng)關和燈具節(jié)點的MCU中.

(2)在移動終端安裝apk文件. (3)操作移動端軟件進行測試.

4.2 實驗效果展示

以下是實現(xiàn)用戶遠程使用GSM遠程控制燈具節(jié)點的操作.圖8是整個系統(tǒng)的實物圖.圖10是用戶的操作界面，用戶首先設置網(wǎng)關移動號碼，設置完畢后用戶只需點擊操作界面上的按鈕即可實現(xiàn)對燈具的遠程控制.圖11表示燈被遠程打開，圖11和圖12分別反映不同環(huán)境下燈具的自適應調(diào)光功能.圖13是燈具節(jié)點的狀態(tài)顯示.

圖9 系統(tǒng)網(wǎng)關和燈具節(jié)點

圖10 手機端

圖11 用戶操作界面

圖12 燈1在昏暗條件下打開

圖13 燈2在黑暗條件下打開

圖14 操作界面狀態(tài)顯示

本文設計并實現(xiàn)了基于Android和GSM網(wǎng)絡的自適應調(diào)光系統(tǒng).通過ZigBee技術可以方便靈活的構建低功耗、低成本、安全的無線傳感器網(wǎng)絡.通過GSM網(wǎng)絡遠程控制和監(jiān)測燈具節(jié)點.總之，通過設計并實現(xiàn)此智能照明控制系統(tǒng)，并具有很好的實用價值.

〔1〕http://w ww.gov.cn/gzdt/2014-01/14/content_2566377. htm.

〔2〕李黎.ZigBee技術[J].技術與市場，2009，16(5):52-53.

〔3〕何佩穎.樓宇照明燈聯(lián)網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計[J].照明工程學報，2014,9.

〔4〕劉晉Android和物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術在智能家居中的應用[J].微型機與應用,2015,7.

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