基于ZigBee和触摸感应技术的照明控制系统

 摘要：传统家庭智能照明控制系统采用有线方式搭建家庭局域网，利用导线传输控制信号，设计时需预埋大量控制线，布线较为繁琐;并且所用控制开关大都采用触点接触式墙壁开关，长久使用触点易磨损，接触不良导致开关可靠性降低。针对以上问题开发了一套基于ZigBee和电容触摸感应技术的照明控制系统。该系统利用ZigBee无线网络代替有线方式搭建家庭局域网，省去了预埋控制线的繁琐布线工作;系统灯控节点内部MCU采用电容式触摸感应焊盘检测手指触压，之后驱动双向可控硅的导通与截止来控制灯光亮灭，从而起到无触点开关控制作用。测试结果表明系统运行稳定，控制可靠，能有效利用ZigBee网络和触摸按键控制家中灯光亮灭。

引言

随着科技的发展，人们对家居环境不断提出新的要求。在追求高效、舒适、便捷的同时更加注重居室环境的智能化。智能照明作为智能化家居的重要组成部分，近年来国内外许多科研人员对其进行了大量研究。如周晓伟 [1-2]、徐勇[3]等提出的智能照明控制系统可以根据周围环境自动调整照明模式或通过PC机终端预设照明模式。李治斌等[4]设计的智能调光开关在传统开关中加入ZigBee模块，实现了通过手机或平板电脑安装客户端软件对灯泡进行调光操作。以上工作均采用ZigBee组网无线通信方式控制，省去了传统有线照明控制系统中繁琐的布线工作，但只能借助PC机或手机等终端设备控制，没有涉及利用开关进行现场控制。

由于传统机械开关存在触点易磨损，使用寿命短，硬件成本高等缺点，而电容式感应按键具有无机械磨损，寿命长，可靠性不会随着时间的增加而降低，硬件成本低，防水防污，易清洁和时尚等优点[5]已在众多领域得到应用。

在此背景下，本文开发了一套不仅可以利用手机等移动设备实现远程控制，而且可以利用触摸按键实现现场控制灯光亮灭的智能家居照明控制系统。

1 系统整体方案设计

本系统主要由系统主机和灯控节点两部分组成，这两部分通过ZigBee网络进行通信。灯控节点取代传统墙壁开关嵌入墙壁86型底盒内，并配有控制灯光的触摸按键。用户可以通过远程控制和现场控制两种方式控制灯光亮灭。远程控制时，用户点击手机APP软件操作界面上的灯泡图标，开关灯命令通过因特网发送到系统主机，系统主机再将该命令通过ZigBee网络转发到灯控节点，灯控节点中的MCU根据接收到的命令驱动双向可控硅导通与截止来控制灯泡接入火线与否，实现灯光亮灭控制。现场控制时，用户触摸灯控节点面板上的不同灯泡图标，灯控节点内MCU检测到手指触压后用同样通过驱动双向可控硅导通与截止来控制灯光亮灭。系统控制原理图如图1所示。

2 灯控节点硬件设计

灯控节点由电源模块、PIC16F1936微控制器模块、ZigBee通信模块、按键模块、灯光控制模块组成。灯控节点硬件结构框图如图2所示。

2.1 电源模块

由于灯泡采用市电供电，而微控制器芯片和ZigBee通信芯片采用直流3.3V供电，故灯控节点直接接入220V市电，市电经MB6S整流后输入FSEZ1317芯片和变压器T2降压得到12V直流电，再由LM1117-3.3及其外围电路稳压滤波到直流3.3V给PIC16F1936和CC2530芯片供电。电源模块原理图如图3所示。

2.2 PIC16F1936微控制器模块

PIC16F1936微控制器是微芯公司生产的8位CMOS闪存单片机，具有体积小、功耗低、抗干扰性好、可靠性高、模拟接口功能强大等特点。片内外设资源丰富，主要包括I/O端口、电容触摸传感模块、A/D转换器、EEPROM、定时器、串口等。灯控节点中他负责处理ZigBee通信模块接收到的数据，从中提取控制命令进行相应操作，同时也进行按键扫描检测，根据检测结果进行相应操作。

2.3 ZigBee通信模块

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议，该协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，具有使用方便、价格低廉、工作可靠等特点。ZigBee无线网络器件工作模式包含协调器、全功能模式和简化功能模式三种[6]。协调器是网络的中心节点，负责网络的发起组织、维护和管理，一个网络只有一个协调器，在本系统中它嵌入系统主机内;灯控节点采用全功能模式，既可作为路由节点，也可以作为终端传感器节点;简化功能器件只能作为终端无线传感器节点。

本模块采用CC2530芯片作为ZigBee网络的解决方案。CC2530采用了新一代2.4GHz SoC片上系统，支持IEEE802.15.4标准，其内部集成了一个抗干扰性和灵敏度都较高的RF收发器和一个标准增强型8051微处理器，拥有2个USART、12位的ADC和21个通用GPIO等丰富的外设接口。该芯片只需极少的电阻电容就能搭建完整的ZigBee收发电路，通过串口与单片机通信，使用相当简便。

2.4 按键模块

按键模块采用13mm×10mm 的矩形电路板焊盘通过0.2mm走线直接连接到单片机电容触摸传感模块引脚实现。PIC16F1936单片机自带电容传感RC振荡器，其中振荡时间常数= RC = R(Cp + Cf)。

Cp为焊盘与地之间的寄生电容，Cf为手指触摸焊盘时焊盘-手指-地之间的感应电容，未触摸时该值为0，触摸后Cf大于0，导致RC时间常数τ增大，振荡器频率减小，单片机检测到这一频率变化后判断出焊盘被手指触压。触摸时电容增量百分比是：

由上式可见为了提高触摸感应的灵敏度，需减小寄生电容Cp值，可以通过使触摸焊盘以较窄的走线连到单片机同时远离地实现。如图4是按键模块PCB图，为了减小Cp值，触摸焊盘位于保护环内，距离保护环0.2 mm，所有保护环连在一起通过10K电阻连到单片机I/O口，该I/O口始终输出低电平。触摸按键通过0.2mm走线串接10K电阻连到单片机检测引脚。为了提高抗电磁干扰能力，焊盘返回单片机的走线被保护环走线包裹同时焊盘下方不走线。2.5 灯光控制模块

本模块采用单片机检测市电过零点进而驱动双向可控硅导通与截止控制灯光亮灭。灯光控制模块电路图如图5所示。

当单片机引脚检测到市电零点时，P1.0 引脚输出负脉冲，使Q3导通，MOC3021导通，触发双向可控硅Q1导通，灯泡负载与交流火线接通点亮。若要关闭灯泡，只需P1.0始终保持高电平。图5中R6为触发限流电阻，R7为门极电阻，用以提高双向可控硅抗干扰能力。R9和C14组成RC阻容吸收电路，对双向可控硅Q1进行过电压保护。

3 ZigBee通信协议设计

ZigBee联盟与IEEE802.15.4的任务小组制定的ZigBee协议栈标准有5层体系组成[6]，其中应用层由用户定义。本系统定义的ZigBee通信协议属应用层，用于用户远程控制。远程控制时，用户手机发送控制指令到系统主机，系统主机再将该指令转换成符合表1所示通信协议的格式，通过内嵌的ZigBee网络协调器将指令发送到各个灯控节点。4 灯控节点软件设计

灯控节点软件程序主要由主程序，串口信息处理程序和触摸按键扫描程序组成。

主程序在节点上电后首先进行系统初始化，然后循环检测有无串口信息处理，有无按键被按下等事件。主程序流程图如图6所示。

串口信息处理程序在主程序检测到接收完成一帧串口信息后被调用。程序首先判断该帧指令是否为本节点控制指令，然后根据指令要求驱动双向可控硅的导通或截止，并向主机反馈控制信息。串口信息处理程序流程图如图7所示。

触摸按键扫描程序是灯控节点软件设计的难点。按键处理初始化在节点上电后主程序中完成，包括振荡器振荡频率设置，定时器T0预分频器设置以及中断的相关设置等。按键扫描原理如下：首先振荡器频率输出脚在硬件上已经和16位定时/计数器T1时钟输入端连接，T1会从0开始计数直至溢出清零后重新计数。软件上将振荡器频率输出脚映射到某一按键焊盘所接单片机引脚，振荡器便以固定频率在该按键焊盘上振荡，若有手指触压焊盘，振荡频率便减小。再设置8位定时器T0提供固定时基测量振荡器频率。开始测量时，T0、T1均清零，然后T0计数至溢出中断，在T0中断服务函数中读取T1计数值，与前16次的采样滑动平均值比较，这样就完成了对按钮的一次扫描，如果频率计数有显著下降则说明按钮被按下。最后将振荡器移向下一个按钮焊盘扫描。触摸按键扫描程序流程图如图8所示。

5 测试结果

本文所开发的照明控制系统分远程控制和现场控制两种控制方式。对于远程控制其稳定性主要受系统主机与灯控节点间ZigBee网络稳定性影响，故采取协调器与灯控节点相距10米距离，协调器连续发送1000条控制指令，每条指令间隔0.5秒，统计灯控节点收包率的方式实现。对于现场控制，采取连续点击灯控节点面板上触摸按钮1000次，每次点击间隔0.5秒，统计灯光实际受控次数的方式实现。测试结果如表2所示。

由测试结果和大数定律可知远程控制时主机每发送一条控制指令，灯控节点接收到的概率是0.981，若主机连续发送两条指令，则灯控节点接收到的概率：

而现场控制时受控率达到100%。以上实验结果表明本系统可以有效实现灯光的远程控制和现场控制。灯光控制效果图如图9所示。

6 结束语

本文开发了一套基于ZigBee网络技术和电容触摸感应技术的智能家居照明控制系统，实现了当用户外出时，利用手机等移动设备远程控制家中灯光亮灭和在家时通过触摸按键现场控制家中灯光亮灭的功能。利用ZigBee无线网络代替有线来搭建家庭局域网，省去了传统灯控系统中繁琐的布线工作;利用触摸按键和双向可控硅代替传统墙壁开关实现无触点开关控制，解决了传统开关触点易磨损，可靠性随着时间的延长而降低等问题。

该系统在实际批量使用中发现当电网中杂波较多时，触摸按键会发生误触发现象。下一步将重点研究如何提高该系统对不稳地电网的抗干扰性。