在人們的傳統意識中，照明系統僅以照明為目的。傳統的照明系統中主要的控制方式有手動控制方式和自動控制方式。其中手動控制方式簡單、有效，但是過于依賴人工操作，并且控制相對分散，不能有效管理;自動控制方式主要是由時鐘元件、光電元件或兩者組合的方式來實現對照明設備的控制，這種控制方式減少了對人員的依賴性，管理相對集中，實現了照明控制的自動化，但卻不能對照明系統進行調光控制。此外，隨著生活水平的不斷提高，人們對日常生活的無線化、網絡化、智能化、節能化的需求越來越強烈，以上兩種傳統的照明控制系統已經無法滿足人們對日常生活品質的需求。基于上述原因提出了一種基于ZigBee和STM32的室內智能照明系統的設計。1 系統總體設計本系統主要由終端節點、路由器節點和協調器節點組成。三個節點各司其職，終端節點主要負責消息的傳輸和允許共它節點通過它接入到網絡中;協調器節點則主要負責網絡的建立、維持和管理，以及整個網絡數據信息的收集、處理和顯示等。在這三個節點當中協調器節點是整個網絡的核心。系統總體設計框圖如圖1所示。本設計主要實現的功能如下：(1)采用帶調光模塊的LED燈具，通過程序控制可以實現燈光亮度的自動調節，利用室內燈光與自然光的相互補償使室內照度保持在一個合適狀態;(2)采用照度采集節點，可以實時地采集并監控室內照度;(3)加入掉電自鎖功能(在突然停電的情況下再次來電所有燈具都處于關閉狀態);(4)加入部分情景模式，在不同的室內環境需求時可以很方便地對燈光環境進行選擇(如家人一起看電視時的影院模式，看書寫字時的學習模式等)。除上述主要的功能外，本設計還預留了部分外圍接口電路，可以加入一些相應的傳感器實現更多的功能(如加入燃氣傳感器來預防廚房燃氣泄漏，加入煙霧傳感器防火災等)2 系統硬件電路設計系統硬件電路部分主要由協調器節點電路、系統照度采集節點電路、系統LED調光節點電路以及系統路由器節點電路四部分組成。2.1 系統照度節點電路設計照度采集節點由CC2530和光照度傳感器(BH1750FVI)組成。本節點主要是對室內的照度進行實時的采集并通過ZigBee模塊發送給協調器，協調器再對接收到的照度信息進行整合處理，然后在LCD上實時顯示出室內的照度信息，并根據照度信息給LED照明節點發送相應的指令，對LED燈進行相應的亮度調節。BH1750FVI傳感器是一個光電集成傳感器，其主要有如下幾個特點：1)可以輸出對應亮度的數字值;2)廣泛的輸入光范圍(相當于1-65535lx);3)通過降低功率功能，實現低電流化;4)無需其它外圍部件;5)光源依賴性弱(白熾燈、熒光燈、鹵素燈、白光LED、日光燈)。照度節點硬件電路圖如圖2所示。2. 2 系統LED調光節點電路設計LED調光節點由CC2530和調光模塊組成。調光模塊可以根據ZigBee模塊接收到的指令實時地對LED燈進行亮度的調節。調光的目的是為了使室內自然光跟LED燈光進行相互的補償，使室內照度達到一個合適狀態。本節點的調光模塊選用LED恒流驅動PWM調光模塊。LED調光節點硬件電路圖設計如圖3所示。2.3 系統路由器節點電路設計路由器節點是在CC2530模塊上擴展了一個CC2591模塊，該模塊是一個真正意義上精心設計的帶PA+LNA無線收發模塊。該節點主要負責接收終端節點信息并轉發給協調器，或轉發協調器的反饋信息給終端節點。在開闊的場地上，CC2530的傳輸距離可達100m，但在室內環境下由于有墻體的遮擋，存在路徑損耗問題，實際傳輸距離大大縮短。在室內中間位置若僅放置一個由CC2530構成的路由節點，很可能造成數據傳輸錯誤甚至數據丟失。所以在實際設計電路時，路由器節點采用的是CC2591+CC2530組合的形式。CC2591是一個2.4GHz的射頻前端芯片，它可以通過PA提高發射功率，從而延長通信距離。該芯片還可以通過LNA來改善接收機的靈敏度。通過以上兩點可以很好地保證該系統數據傳輸的完整性。CC2591+CC2530硬件電路如圖4所示。2.4 系統協調器節點電路設計協調器節點由STM32F107、CC2530、12864LCD、矩陣鍵盤、DS18B20和DS1302模塊組成。該節點是整個系統的核心，主要負責網絡的組建、維護、控制終端節點的加入和刪除，以及整個系統信息的處理和顯示等。其中STM32F107是意法半導體推出的全新STM32互聯型微控制器，此芯片集成了各種高性能工業標準接口，且STM32不同型號產品在引腳和軟件上具有完美的兼容性，可以適應多種應用。此外該芯片還可以嵌入μC/GUI系統，擁有獨立的32位指令總線和數據總線，全面支持32位Thumb-2和16位Thumb指令等。矩陣鍵盤電路采用2×4的矩陣鍵盤，用于時鐘的時間調整及不同情景模式的選擇;顯示電路采用12864 LCD，可以顯示4行信息，每行顯示16個字符，完全滿足顯示照度、時間和溫度等要求。協調器節點硬件電路原理圖如圖5所示。3 軟件部分設計軟件部分主要是完成對整個系統硬件電路的編程設計。其中終端節點程序主要完成信息的采集、上傳和控制等。協調器節點程序用于實現整個網絡的組建、維護和管理以及相應數據的收集、處理和顯示等。3.1 協調器節點軟件設計協調器節點首先判斷是否有數據傳送，若有，則選定信道建立網絡，進行數據掃描和讀取，并打包發送數據。由于電源損耗主要集中在無線數據的收發階段，在沒有接收到時鐘信號的喚醒命令前，使其處于睡眠狀態，以達到延長電池的使用壽命、減少功耗的效果。3.2 終端節點軟件設計終端節點數據采集的軟件設計包括兩部分，分別為單片機CC2530驅動程序設計和傳感器收發數據程序設計。首先進行模塊初始化，然后啟動定時器，每隔一段時間進行信道掃描，查看是否有入網申請指令，若有，則首先判斷啟動哪一個傳感器端口，然后向端口發送數據采集請求，采集完畢后使單片機處于休眠模式，將采集到的數據發送給CC2530作進一步處理。3.3 路由器節點軟件設計程序中將設備類型設置為網絡路由節點，在ZigBee協議棧中只需要更改應用層事件處理函數使其在接收到信息后調用程序把接收到的信息發送出去即可。4 系統調試為對系統進行功能的測試，特選擇宿舍為實驗場所，分別在宿舍的三個臥室各放置3個照明節點和一個照度采集節點，然后對系統的功能進行測試。通過測試，系統能夠準確地實現無線控制功能。照度節點能夠準確地采集環境的光照度信息，ZigBee模塊能夠正常地進行數據的相互傳輸，PWM調光器模塊能夠準確無誤地對LED燈進行相應亮度的調節。此外各種情景模式，如室內溫度和時鐘信息都可以按照預定指標正常工作。5 結語此無線智能照明系統不僅可以用于室內照明的全自動控制，也可根據不同的需求進行手動的調節，這樣既可以節約能源又可以使室內光照度達到適合人類活動的最佳狀態。本系統具有體積小、功耗低、功能強和可靈活擴展等特點。此外本系統不僅可以用于家庭室內也可應用于學校教室、公司辦公區、會議室和KTV等各種不同的場合，只需在運用時對相應模塊和程序進行相應的調整即可。本系統在智能照明控制領域具有廣闊的應用前景。(mbbeetchina)