王青青 高宏宇 袁海潮

摘要：目前，我国家庭中的照明设备大多属于人工操作控制，这种方法不仅需人力主动去控制，并且在晚上夜起时操作不便。现今科技技术发展迅速，我们可利用新兴的技术实现夜起自动照明系统。基于人们夜起的需求，设计一种夜起自动照明系统：系统主要使用传感器检测技术及ZigBee无线通信技术，通过传感器采集压力值、光照值，然后处理数据进而控制照明。

本文将ZigBee技术应用到夜起自动照明系统中，主要完成了对节点的设计工作。系统整体主要包括信息的采集，ZigBee的无线通信以及外围的电路等。软件程序是在Z-stack协议栈的基础上进行的程序设计，包括数据的采集和无线通信程序。

关键词：夜起自动照明;zigbee技术;传感器;CC2530

中图分类号：TP3      文献标识码：A      文章编号：1009-3044（2018）34-0224-03

随着国内老龄化形势的加竣，独居老人也随之增多，多数老年人的行为行动受到身体健康状况的影响导致行为行动不是很方便，尤其是在夜间生活中的起居，对他们平时的生活造成了一些困扰，基于此类社会中老年人起居不便的问题，设计了一套夜起自动照明系统的方案，将原本需要人为操控开关的传统照明系统转化为无须人为操控的智能化管理。

自动照明系统对于人们的日常生活也有极大的方便性，实现照明的人性化、智能化。通过传感器和ZigBee无线通信技术实现夜起自动照明，以此来解决老年人夜起的不便性，此系统适合老年人的家中、养老院、福利院等夜间行为不便的住所，具有非常重要的实用性。将传统的人为开关照明，转变为智能自动化照明，并准时的进行智能自动开关，以使系统能够最大限度地节约能源的损耗。

1 国内外相关技术发展现状及前景

1.1 ZigBee简介

ZigBee技术主要是基于IEE802.15.4的国际无线标准协议而开发的一种面向应用软件的技术标准，此协议技术承载着短距离，低功耗等优点的无线通信技术。ZigBee技术并且是一种短距离，低功耗的无线通信技术协议，其特点是复杂度低、功耗较低、低数据速率、成本较为低，主要应用于自动和远程控制，它能嵌入于各种设备之中。

1.2 ZigBee技术主要特点

1）低功耗：其技术仅使用两节5号电池，低功耗模式的情况下就可以支持一个节点维持其工作6-24个月的时间，这就是ZigBee技术的突出优势功耗低。

2）低成本：一方面通过降低简化协议程度的措施，使其达到了对于通信控制器的要求，据分析预测，其主节点仅需要全功能的32KB代码，其子功能节点则需4KB代码，其ZigBee每块芯片的价格大约为2美金，价格较为低廉。

3）低速率：ZigBee技术工作在速度为20-250kbps之间，封闭的俄罗斯提供250kbps（2.4GHz）、40kbps（915MHz）和原始数据吞吐量达到20kbps（868）的传输率，基本满足了应用需要的数据传输率较低的需求。

4）附近的：其数据传输范围在10m-100m时，增大RF发送功率后，可提高至1-3公里相邻节点的传输距离。若中断路线，仅通过节点之间的通信，其传输的距离更远。

5）短延迟：ZigBee的响应速度只需在15ms的时间内即可迅速进入从睡眠的工作状态，且节点连接进网络仅需30毫秒，从而达到节约能源的目的。蓝牙则需3-10秒，无线网络则需3秒，所以相比较下，有很大的优势。

1.3 ZigBee应用前景

ZigBee具有广泛应用前景。 ZigBee有望在未来短短几年里面，普通家庭都会用有ZigBee的设备，实现日常生活功能，其主要应用领域包括以下几个方面：

1）家庭和建立网络：温度控制空调系统，自动照明控制，窗帘自动控制。

2）工业中的控制：各式各样的监控器，自动化和控制。

3）经营范围：传感器、玩具等控制领域。

4）公共场所：空调系统的温度控制器、灯光和窗帘的自动控制、汽车站火车站等地区的烟雾探测器。

5）农业：用于对农田领域温湿度参数的及时了解，林木防火监控。

6）医疗：用于老年人和行动不便的医患者之间的紧急呼叫器。

2 需求分析与整体系统设计

2.1 需求分析

根据21世纪初全国第五次人口普查显示，65岁以上老年人达到了8811万人，占总人口的6.96%;60岁以上的老年人口则达到1.3亿人，占总人口的10.2%。按照国际标准的65岁以上的老年人口占总人口的7%，在2000年，我国就已经迈入老年型社会。老龄化已经成为21世纪不能逆转的趋势，与1953年的第一次老年人口普查对比，增长了2.36倍，平均年增2.6%，近几年来老龄化速度加快，每年都以3%的速度增长，并且80岁以上的高龄人口同样以百万人的速度增长。

随着家庭老年人增多，而且老年人精神差，睡眠差 ，需要多次夜起，若继续沿用传统的人工开关灯光的方式，这样就极大地增加了老年人夜起的负担。

传统开关照明存在的问题：

1）用户需要时刻手动开关;

2）增加老年人的负担;

3）对于开关，若没有及时关闭，则会影响能源的损耗。

2.2 整體系统设计概述

本系统主要使用传感器检测技术以及ZigBee无线通信技术，无须布线，仅需要在地毯上安装配有压力传感器、光敏传感器的ZigBee的终端节点即可，通过安装的传感器进行数据的采集处理：

1）当传感器对数据进行采集后对无光照值有压力值条件时的情况（设定为夜间起床），此时通过ZigBee无线通信发送控制指令，从而打开卧室和洗手间的灯光。

2）当传感器对数据进行采集后对仅有光照值时的情况（设定为白天或有灯光开启的状态），有无压力的状态下均不做任何操作。

3）当人回到床上继续睡觉后，ZigBee节点会通过红外传感器监测是否有人，若无人，等待几秒后自动关闭灯光，同时通过ZigBee节点发送信息到另一个节点，随之也自动关闭。

整体系统框图如图1所示：

2.3系统整体设计方案

系统由多个节点共同组成的ZigBee网络和多个传感器检测系统组成，开灯时，先检测光照，无光照时检测是否存在压力值，如果满足有压力产生的条件，则会发送开灯命令，自动打开灯光;关灯时，先检测是否有光照值，判断灯光是否开启，若灯光打开，则判断是否有人，当达到系统的预设时间，则会发送关灯命令，灯光则会自动关闭。

系统流程图如图2所示：

3 系统硬件选择以及传感器选型

3.1 CC2530芯片简介

CC2530是隶属于Chipcon公司生产的第一款单芯片，此芯片结合了最领先的RF收发器的优良性能、业界标准化的增强型的8051CPU处理、以及系统内部可编程闪存、8-KB ARM等其他强大的功能，此芯片拥有2.4GHz的无线电系统并且适用于2.4GHz主频之外的设备，完全符合了ZigBee的标准。CC2530芯片还结合了德州仪器业界中相对领先的ZigBee协议栈（Z-Stack?），为使用者提供了一个强大并且完整的解决方案。

CC2530芯片的具体特点如下：

[1]具有低功耗，和高性能的8051 CPU微控制器内核;

[2]芯片使用2.4_GHz的IEEE 802.15.4 RF收发器;

[3]其芯片配有8路可输入和可配置分辨率的12位ADC;

[4]具备高级加密标准的AES安全处理器;

[5]CC2530芯片具备硬件支持的条件，从而避免载波侦听多址（CSMA-CA）冲突。

CC2530芯片和结构图如图3、图4所示。

3.2 传感器选型

3.2.1 光敏传感器

光敏传感器的工作原理是在黑暗环境里，电阻值变高，当其接受到光照，光子能量的通过率大于半导体材料的拒止宽度，流动的电子吸收一个光子的能量后可通过极板，携带一个带着正电荷的电子，从而导致光敏传感器的阻值下降;光照度消失后，光敏传感器的阻值恢复正常。当在光敏传感器两端的正负极加上电源时，光敏传感器便会有电流通过，当受到光照射时，电流就会随光照强度变化而变化，因此可以实现光电转换。我们选用光敏电阻，光敏电阻是以半导体材料制成的电阻传感器，可对光进行检测控制以及对光电进行转换。如图5所示：

3.2.2 压力传感器

工作原理压力传感器承载重物时，弹性体受到外力的作用，其应变片的金属丝长度和横截面积发生改变。受压时应变片的金属丝的长度变短、横截面积增加，电阻值变小;反之受到拉伸时，应变片的金属丝长度变长，横截面积变小，电阻值变大。于此选用1KG电阻应变式压力传感器，传感器如图6所示。

3.2.3 红外传感器

红外传感器主要由光学系统、检测元件、转换电路三部分组成，其中光学系统按结构不同主要分投射类、反射类两种。其检测元件主要分为热敏检测元件和光电检测元件。内置的红外传感器是一种主要利用红外的物理性质，从而进行测量的传感器，测量时不与被测物体进行直接接触，无摩擦，并且具有高灵敏，反应快的优点。

4 系统软件的设计

4.1 ZigBee的简介

CC2530是以IAR Embedded Workbench for 8051 8.10 为基础开发环境。本设计是以Z-Stack2006 ZigBee 协议栈作为 CC2530 的开发平台，且其中每一个网络节点传输距离可从标准的75米扩展至几百米几公里的传输距离。

ZigBee网络节点本身可以监控，对传感器直接进行数据的采集与监控，自动中转其他网络节点传输的数据资料;同时每个ZigBee网络节点可在本身信号覆盖下的范围内和多个不承担网络信息中转的孤立子节点无线连接。每个网络节点可支持31个传感器和受控设备，且每个传感器和受控设备中可以有8种不同的接口方式，进行数字量和模拟量的采集和传输。

4.2 Z-Stack 协议栈

Z-Stack 是开放式协议栈，它符合ZigBee2006标准。本文编写的软件程序主存储在应用层目录中，主要实现的功能主要包括ZigBee网络的建立、数据的采集、传输、以及对数据的接收等模块功能。

Z-Stack是TI公司的CC2530的硬件协议栈，全面支持ZigBee协议标准，并满足了最新的智能能源规范。程序的编译调试环境选择IAR软件进行编译调试，其中网络软件设计的主要工作是协议栈网络层和应用层的修改，通过编译调试和开发，以适应个层次网络节点的程序运行。

5 结论

经这次实验，成功地调试了系统设计的功能，达到了我们实验的目的。当传感器采集到无光照，有压力时，通过ZigBee无线通信发送开灯控制指令;当传感器采集到光照时，无论是否有压力，均不做控制处理。当人回到床上继续睡觉后，ZigBee节点会通过红外传感器监测有没有人，如果监测不到人，等待一定时间后，卫生间节点控制的灯自动关闭，同时无线通信发送消息到卧室节点，卧室的灯则也自动关闭。

参考文献：

[1] 沈欣.ZigBee协议栈的研究与应用[M].苏州大学，2010.10.

[2] 陈星龙.基于虛拟仪器的列车摆动监测系统的设计与研究[J].西南交通大学，   2007.

[3] 马海潮.浅介ZigBee技术[J].物联网工程专业规划教材，2012.03.

[4] 郝文化.网络综合布线实用教程[M].机械工业出版社，2010.03.

[5] 凌志浩.ZigBee无线通信技术及其应用研究[J].华南理工大学，2006.

【通联编辑：张薇】