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文章编号： 2095-2163（2018）03-0169-03中图分类号： 文献标志码： A
摘要： 关键词： （College of Physics and Electronic Engineering， Guangxi Normal University for Nationalities， Chongzuo Guangxi 532200， China）
Abstract： Taking the household lighting control system as the research object， the design scheme of wireless household lighting control system is expounded. The system adopts the wireless Internet of things technology， which not only realizes the wireless transmission of the control signal of the household lighting device， but also controls the working state of the household lighting device with the smart phone in the room， therefore provides the flexible control mode.The system effectively reduces the complexity of wiring in household lighting system， and controls the household lighting device flexibly and conveniently. The test results prove the feasibility of the design of the system.
Key words：
基金项目：
作者简介：
通讯作者： 收稿日期： 引言
随着城市建设规模的增长与质量的稳步提升，与人们生活密切相关的室内照明工程的科技融入研发即已成为吸引各界关注的热点内容。其中，家用照明装置也已然呈现出多功能集成及智能化控制的潮流引领态势。传统室内照明的管理方式已经难以适应时代的发展需求[1]，人们对家用照明装置控制方案舒适度的追求正日趋突出与迫切。为提高室内家用照明的管控水平，设计展开家用照明装置无线控制系统的研究则已势在必行，同时也还具备着良好有益的社会实用价值[2]。
传统家用照明控制设备对家居每一处照明装置的操作均是孤立行为，照明装置难以获得灵活控制。一方面，家用照明装置采用有线控制方法，使得室内电线布局复杂，而且也提高了布线成本；另一方面，随着室内照明工程的高端升级，控制开关档位也随即增加了技能处理的复杂程度[3]。
本文即以现实应用背景为研究对象，设计开发了用户可以通过智能手机对家用照明装置进行无线控制的便捷方式[4-7]。解决了传统室内照明控制系统的一系列缺陷与不足，有效降低了室内照明布线的复杂程度，在节约资源的基础上使家用照明装置能更加方便地做到科学集中管理[8-9]。1家用照明装置无线控制系统总体设计
建立如图1所示的系统结构设计所部署规划的家用照明装置无线控制系统，从而完成对家用照明装置的控制。系统主要由控制节点、中心节点和上位机软件3部分构成。其中，控制节点用于接收中心节点转发的控制命令，实现对照明装置的控制；中心节点接收上位机下发的控制命令，将其转发给相应的控制节点；上位机由电脑和智能手机2部分组成，两者均可实现对家用照明系统控制命令的发送。
整个家用照明装置无线控制系统具有3层结构，对其功能可阐析分述如下。
（1）分布式控制层，由各个控制节点构成。该层定制功能是在控制室内各照明装置工作状态基础上，设计构建与数据汇集层设备的数据组网通信。
（2）数据汇集层，由中心节点构成。该层设计功能是接收来自人机交互层下发的照明控制指令，并转发至室内各个控制节点。
（3）照明控制人机交互端，由上位机构成。该层重点是通过人机交互生成照明控制命令，并下发给数据汇集层的中心节点。
2系统关键设计
2.1上位机软件概述
上位机软件分为计算机应用程序和手机App程序2部分。各部分的功能設计可见如下。
计算机应用程序通过串口通信程序和Socket通信程序来研发建立手机App与中心节点的数据通路。手机App程序通过Wi-Fi网络与计算机相连接向计算机发送控制命令，计算机应用程序间接将手机发送的控制命令通过USB转串行通信下发至中心节点。
2.2关键技术设计
2.2.1组网通信设计
控制节点和中心节点间的无线数据链路采用ZigBee组网通信技术。本设计采用由TI公司生产的CC2530芯片作为ZigBee组网通信的核心。CC2530是TI公司推出的新一代片上系统芯片，采用表面贴装工艺批量生产，一致性好，可靠性高；芯片工作在2.4 GHz的ISM频段，芯片数字I/O端口全部引出，应用广泛并免除了客户射频开发的困难；软件方面支持TI-MAC、SimpliciTI、Z-Stack、RemoTI等软件包，方便客户开发符合IEEE 802.15.4、ZigBee2007、ZigBee Pro和ZigBee RF4CE等标准或其它非标准产品。芯片体积小巧，采用外置SMA天线接口设计，增益大，接收灵敏度高，通信距离远。
CC2530的内置资源包括：单周期的8051兼容内核、8 kB的静态随机存取存储器、21个数字I/O引脚、5个独立的直接内存存取通道、1个独立16位定时器、2个8位定时器、1个睡眠定时器、1路8通道14位AD接口、1个随机数发生器、1个AES外部协处理器、4个可选定时器间隔的看门狗、1个高性能的射频收发器、2个USART接口。CC2530有40个引脚，引脚按功能排布，其最小系统包含了芯片工作时的基本核心电路部分，也就是：电源电路、复位电路、时钟电路、仿真接口和无线射频。这里，给出最小系统主要外围电路如图2所示。 2.2.2控制节点设计
控制节点在使用CC2530最小系统的基础上增加继电器控制接口。通过操作CC2530的P1管脚的I/O端口来控制继电器，实现对照明装置的工作状态的控制。CC2530与继电器控制接口设计原理即如图3所示。
控制节点软件的设计流程如图4所示。
控制节点CC2530芯片在启动后即以ZigBee组网终端模式来初始化自身的硬件资源，包括通道、频率、I/O端口等等；其次，发出网络加入信号，向其通信范围内的Zigbee协调器申请加入网络；如果收到成功入网的应答信号，则转至低功耗状态。如果加入网络失败，则继续发送申请信号，直到成功加入一个ZigBee协调器组建的网络为止；最后，成功加入网络、并选取低功耗模式后就要等待系统初始化时预置的数据传输命令。一旦数据传输命令激活，则调取等待数据中心节点转发照明控制命令控制继电器工作状态。
2.2.3中心节点设计
数据中心节点硬件设计依然以CC2530最小系统为核心，在此基础上添加CH340G型USB串行通信接口来与计算机实际建立数据连接。CH340G的结构原理即如图5所示。
数据中心节点的CC2530芯片在以协调器功能启动后，将会进行ZigBee的网络初始化，这样也就确定了网络的信道和PAN ID。此后就进入无线监控状态对其通信范围内的申请加入网络的信号展开监测。当接收到有节点需要申请加入网络时，在资源允许的情况下，便为该申请加入的节点分配指定的网络资源和地址。如果暂无申请信号，则查询其与上位机连接的串行通信接口是否接收到上位机发送的控制命令。若并未收到，就继续对周边加入网络的申请信号进行监测；若上位机发送了照明装置控制命令，则将该次获取的命令发送至已经加入网络中对应的控制节点。
3测试与评估
测试系统如图7所示。
整个系统测试使用2个自行设计的LED灯模拟家用照明装置，分别对客厅和卧室的照明装置指配现场模拟。系统运行后可知，2个控制节点通过继电器实现对2个模拟家用照明装置的控制；中心节点可实时转发上位机下发的控制命令至对应的控制节点。
4结束语
通过仿真实验可以看出，根据家用照明工程的需求机制特点，使用物联网ZigBee组网通信可以有效实现家用照明装置的无线组网通信控制。在此基础上，使用手机App和计算机通信软件就可对家用照明装置施以灵活控制，使家用照明工程应用技术的发展更趋系统化、数字化和智能化。
参考文献
[1] BATISTA N C，MELICIO R， MATIAS J C O， et al. Photovoltaic and wind energy systems monitoring and building/home energy management using ZigBee devices within a smart grid[J]. Energy， 2013，49：306-315.
[2] LUND H， ANDERSEN A N， STERGAARD P A， et al. From electricity smart grids to smart energy systems-A market operation based approach and understanding[J]. Energy ，2012，42（1）：96-102.
[3] ALAGOZ B B， KAYGUSUZ A， KARABIBER A. A user-mode distributed energy management architecture for smart grid applications[J]. Energy， 2012，44（1）：167-177.
[4] 馬龙，汪炜. 基于ZigBee和Android手机的分布式光伏电站监控系统[J]. 计算机与现代化， 2014（4）：152-156.
[5] 王国青. 区域型光伏电站监控[J]. 农村电气化， 2015（1）：45-46.
[6] 李立伟， 王英， 包书哲. 光伏电站智能监控系统的研制[J]. 电源技术， 2007，31（1）：76-79.
[7] 刘海妹. 基于嵌入式的光伏逆变器监控平台的研究[J]. 电源技术， 2015，39（4）：830-831.
[8] 陈丹， 柯熙政， 秦欢. 一种智能照明控制系统的上位机软件设计与实现[J]. 西安理工大学学报， 2013，29（4）：406-410.
[9] 陈丹， 柯熙政， 王佳. 一种智能调光系统的研制与实现[J]. 西安理工大学学报， 2013，29（1）：45-49.
摘要： 关键词： （College of Physics and Electronic Engineering， Guangxi Normal University for Nationalities， Chongzuo Guangxi 532200， China）
Abstract： Taking the household lighting control system as the research object， the design scheme of wireless household lighting control system is expounded. The system adopts the wireless Internet of things technology， which not only realizes the wireless transmission of the control signal of the household lighting device， but also controls the working state of the household lighting device with the smart phone in the room， therefore provides the flexible control mode.The system effectively reduces the complexity of wiring in household lighting system， and controls the household lighting device flexibly and conveniently. The test results prove the feasibility of the design of the system.
Key words：
基金项目：
作者简介：
通讯作者： 收稿日期： 引言
随着城市建设规模的增长与质量的稳步提升，与人们生活密切相关的室内照明工程的科技融入研发即已成为吸引各界关注的热点内容。其中，家用照明装置也已然呈现出多功能集成及智能化控制的潮流引领态势。传统室内照明的管理方式已经难以适应时代的发展需求[1]，人们对家用照明装置控制方案舒适度的追求正日趋突出与迫切。为提高室内家用照明的管控水平，设计展开家用照明装置无线控制系统的研究则已势在必行，同时也还具备着良好有益的社会实用价值[2]。
传统家用照明控制设备对家居每一处照明装置的操作均是孤立行为，照明装置难以获得灵活控制。一方面，家用照明装置采用有线控制方法，使得室内电线布局复杂，而且也提高了布线成本；另一方面，随着室内照明工程的高端升级，控制开关档位也随即增加了技能处理的复杂程度[3]。
本文即以现实应用背景为研究对象，设计开发了用户可以通过智能手机对家用照明装置进行无线控制的便捷方式[4-7]。解决了传统室内照明控制系统的一系列缺陷与不足，有效降低了室内照明布线的复杂程度，在节约资源的基础上使家用照明装置能更加方便地做到科学集中管理[8-9]。1家用照明装置无线控制系统总体设计
建立如图1所示的系统结构设计所部署规划的家用照明装置无线控制系统，从而完成对家用照明装置的控制。系统主要由控制节点、中心节点和上位机软件3部分构成。其中，控制节点用于接收中心节点转发的控制命令，实现对照明装置的控制；中心节点接收上位机下发的控制命令，将其转发给相应的控制节点；上位机由电脑和智能手机2部分组成，两者均可实现对家用照明系统控制命令的发送。
整个家用照明装置无线控制系统具有3层结构，对其功能可阐析分述如下。
（1）分布式控制层，由各个控制节点构成。该层定制功能是在控制室内各照明装置工作状态基础上，设计构建与数据汇集层设备的数据组网通信。
（2）数据汇集层，由中心节点构成。该层设计功能是接收来自人机交互层下发的照明控制指令，并转发至室内各个控制节点。
（3）照明控制人机交互端，由上位机构成。该层重点是通过人机交互生成照明控制命令，并下发给数据汇集层的中心节点。
2系统关键设计
2.1上位机软件概述
上位机软件分为计算机应用程序和手机App程序2部分。各部分的功能設计可见如下。
计算机应用程序通过串口通信程序和Socket通信程序来研发建立手机App与中心节点的数据通路。手机App程序通过Wi-Fi网络与计算机相连接向计算机发送控制命令，计算机应用程序间接将手机发送的控制命令通过USB转串行通信下发至中心节点。
2.2关键技术设计
2.2.1组网通信设计
控制节点和中心节点间的无线数据链路采用ZigBee组网通信技术。本设计采用由TI公司生产的CC2530芯片作为ZigBee组网通信的核心。CC2530是TI公司推出的新一代片上系统芯片，采用表面贴装工艺批量生产，一致性好，可靠性高；芯片工作在2.4 GHz的ISM频段，芯片数字I/O端口全部引出，应用广泛并免除了客户射频开发的困难；软件方面支持TI-MAC、SimpliciTI、Z-Stack、RemoTI等软件包，方便客户开发符合IEEE 802.15.4、ZigBee2007、ZigBee Pro和ZigBee RF4CE等标准或其它非标准产品。芯片体积小巧，采用外置SMA天线接口设计，增益大，接收灵敏度高，通信距离远。
CC2530的内置资源包括：单周期的8051兼容内核、8 kB的静态随机存取存储器、21个数字I/O引脚、5个独立的直接内存存取通道、1个独立16位定时器、2个8位定时器、1个睡眠定时器、1路8通道14位AD接口、1个随机数发生器、1个AES外部协处理器、4个可选定时器间隔的看门狗、1个高性能的射频收发器、2个USART接口。CC2530有40个引脚，引脚按功能排布，其最小系统包含了芯片工作时的基本核心电路部分，也就是：电源电路、复位电路、时钟电路、仿真接口和无线射频。这里，给出最小系统主要外围电路如图2所示。 2.2.2控制节点设计
控制节点在使用CC2530最小系统的基础上增加继电器控制接口。通过操作CC2530的P1管脚的I/O端口来控制继电器，实现对照明装置的工作状态的控制。CC2530与继电器控制接口设计原理即如图3所示。
控制节点软件的设计流程如图4所示。
控制节点CC2530芯片在启动后即以ZigBee组网终端模式来初始化自身的硬件资源，包括通道、频率、I/O端口等等；其次，发出网络加入信号，向其通信范围内的Zigbee协调器申请加入网络；如果收到成功入网的应答信号，则转至低功耗状态。如果加入网络失败，则继续发送申请信号，直到成功加入一个ZigBee协调器组建的网络为止；最后，成功加入网络、并选取低功耗模式后就要等待系统初始化时预置的数据传输命令。一旦数据传输命令激活，则调取等待数据中心节点转发照明控制命令控制继电器工作状态。
2.2.3中心节点设计
数据中心节点硬件设计依然以CC2530最小系统为核心，在此基础上添加CH340G型USB串行通信接口来与计算机实际建立数据连接。CH340G的结构原理即如图5所示。
数据中心节点的CC2530芯片在以协调器功能启动后，将会进行ZigBee的网络初始化，这样也就确定了网络的信道和PAN ID。此后就进入无线监控状态对其通信范围内的申请加入网络的信号展开监测。当接收到有节点需要申请加入网络时，在资源允许的情况下，便为该申请加入的节点分配指定的网络资源和地址。如果暂无申请信号，则查询其与上位机连接的串行通信接口是否接收到上位机发送的控制命令。若并未收到，就继续对周边加入网络的申请信号进行监测；若上位机发送了照明装置控制命令，则将该次获取的命令发送至已经加入网络中对应的控制节点。
3测试与评估
测试系统如图7所示。
整个系统测试使用2个自行设计的LED灯模拟家用照明装置，分别对客厅和卧室的照明装置指配现场模拟。系统运行后可知，2个控制节点通过继电器实现对2个模拟家用照明装置的控制；中心节点可实时转发上位机下发的控制命令至对应的控制节点。
4结束语
通过仿真实验可以看出，根据家用照明工程的需求机制特点，使用物联网ZigBee组网通信可以有效实现家用照明装置的无线组网通信控制。在此基础上，使用手机App和计算机通信软件就可对家用照明装置施以灵活控制，使家用照明工程应用技术的发展更趋系统化、数字化和智能化。
参考文献
[1] BATISTA N C，MELICIO R， MATIAS J C O， et al. Photovoltaic and wind energy systems monitoring and building/home energy management using ZigBee devices within a smart grid[J]. Energy， 2013，49：306-315.
[2] LUND H， ANDERSEN A N， STERGAARD P A， et al. From electricity smart grids to smart energy systems-A market operation based approach and understanding[J]. Energy ，2012，42（1）：96-102.
[3] ALAGOZ B B， KAYGUSUZ A， KARABIBER A. A user-mode distributed energy management architecture for smart grid applications[J]. Energy， 2012，44（1）：167-177.
[4] 馬龙，汪炜. 基于ZigBee和Android手机的分布式光伏电站监控系统[J]. 计算机与现代化， 2014（4）：152-156.
[5] 王国青. 区域型光伏电站监控[J]. 农村电气化， 2015（1）：45-46.
[6] 李立伟， 王英， 包书哲. 光伏电站智能监控系统的研制[J]. 电源技术， 2007，31（1）：76-79.
[7] 刘海妹. 基于嵌入式的光伏逆变器监控平台的研究[J]. 电源技术， 2015，39（4）：830-831.
[8] 陈丹， 柯熙政， 秦欢. 一种智能照明控制系统的上位机软件设计与实现[J]. 西安理工大学学报， 2013，29（4）：406-410.
[9] 陈丹， 柯熙政， 王佳. 一种智能调光系统的研制与实现[J]. 西安理工大学学报， 2013，29（1）：45-49.