基于ZigBee和触摸感应技术的照明控制系统

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(C_p + C_f)。C_p为焊盘与地之间的寄生电容，C_f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C_p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C_p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