随着智能家具应用越来越普及，ZigBee协议已广泛应用到智能家居中，本文提出了一种使用LED发光二极管的智能家居照明系统设计方案，基于ZigBee协议栈组建的无线网络控制系统，利用光敏传感器与PWM信号控制R、G、B三色LED灯，根据室内光照实现LED灯实时自动调光与调色功能，以满足人民对室内照明的各种不同需求，达到节能环保、智能绿色的照明要求。并介绍了基于CC2530的无线控制协调器和LED终端的设计原理，同时制作了实验样品并进行了多种测试。经实验证明，该智能家居照明系统可满足智能家居照明的要求，能够广泛应用到各式各样的家居装饰种。
最近几年，AI技术与自动化技术使整个智能家居市场进入了快速发展的环境。在国家大力推进的智能化城市的建设部署，和全国各方各地的政府的安排下，智慧城市的数量在我国启动智慧城市建设下已经超过了500个。并且伴随着智慧城市的建设在各地区速度日益加快，相关市场的规模恐怕有望达到上千亿的级别。为了满足绿色建筑的发展需求，绿色节能舒适化的智能家居成为了人们选购家居的第一需求。而家居最重要也是最基础的就是照明系统，照明系统在中国的市场规模也是逐步上升，在2015年中国智能家居照明的市场份额只有小小的19亿；但是到了2019年，其市场份额已经到了巨大的250亿左右。在这年增长率保持在25%之高的巨大的市场规模，如何实现智能化的照明系统也引起了广大科研人员兴趣。
LED凭借其高效率、小体积、节能环保等优势逐渐取代白炽灯占据主流市场，同时 LED 具有的高可控性也使其能够进一步发挥 节能的优势。随着人们对照明需求的提高，具有调光功能的 LED 产品将更加适应市场。
LED照明本身对环境不会造成污染，对于绿色建筑的绿色环保照明需求是十分符合的。并且相比之下，LED照明的功耗也比传统的白炽灯照明更低。在相同照明要求下LED照明的功率消耗仅仅为传统白炽灯的十分之一。如果用LED取代我们传统照明的50%，每年为我国节省的电量就相当于一个三峡电站的发电量总和，其节能效益十分可观[6]。
而如今市面上经常用到的能够在办公室内使用的LED照明多种多样， 并且不同的生产厂家研发生产出的办公室照明LED照明系统也不尽相同，此外LED 灯的颜色也能够在白色的基础上分为冷暖两个色调。通常来讲，以尺寸为 300*600mm、 600*1200mm、600*600mm，即按照传统的格栅荧光灯的大小设 计的办公室 LED 照明灯较为常见。
作为一项新兴的短距离无线传输技术的ZigBee，是一项十分契合无线智能照明的通信技术，ZigBee技术有着成本低，功耗低，组网容易等优点，在近距离无线通信领域应用十分广泛。
1998年，IBM、INTEL等行业大佬发起了一个“HomeRFLite”的技术，这便是ZigBee技术的前身，并且在随后的2000年1月组建了工作小组并确立了IEEE802.15.4标准，然后在次年也就是2001年，ZigBee联盟成立。在2002年的下半年，英国的Invensys公司、日本的三菱电气公司和美国的摩托罗拉公司和荷兰的飞利浦公司这四个行业内的大佬共同组建了一个“ZigBee联盟”，这件事是ZigBee技术发展中的一个就有时代意义的里程碑，确立了名为“ZigBee”的下一代无线月份，官方公布了新的ZigBee1.0标准并且提供了。并且IBM公司和华为公司也在这一年加入了ZigBee联盟。但是在后来的2006年里，官方又推出了ZigBee1.1版本，又称为ZigBee2006，这次推出的版本是和之前的版本不想兼容，并再随后的一年后再次对其进行修改，这个新的版本就是ZigBee2007，这个新的版本是可以兼容一年前的版本的，并且加入了PRO部分。
ZigBee是一种新兴的无线通信技术，它拥有功耗低、复杂度低、数据传输率低、成本低的特点。有效地填补了市场上这部分地空缺，它成功地关键在于丰富且便捷地应用，而非技术本身。
于是本文提出了一种基于ZigBee协议的智能家居照明系统，硬件基于CC2530无线控制模块并结合了三基色混色原理利用PWM信号对三种不同颜色的LED灯进行混合调光控制，并结合环境光采集模块达到多功能智能实时调光调色的照明系统，用以满足人民的各种不同需求，达到智能、节能、绿色、环保的照明。
由于室内环境布局和结构的因为区域性的不同时，一般有客厅、厨房、厕所、卧室、书房等这些不同的区域。对于这些结构布局不相同的区域在照明的需求上也有着不同的要求。譬如卧室的照明需要针对时间调整不同的灯光亮度以及颜色；而书房则需要保持一个较为舒适的灯光保证学习及办公的效率；而客厅则是要在保证基础的照明下针对居住者习惯进行细微调整。所以，针对不同的区域，设计不同的多功能LED控制系统，是本文的主要研究目的[1]。
基于IEEE802.15.4标准ZigBee无线通信技术是近年来逐渐兴起的一种低成本低功耗的无线通信技术，在物联网与智能家居领域硬功广泛。相比于其他频段的无线通信技术，ZigBee通信技术的特带你时低功耗、长距离、低成本、高容量和易组网。对于家庭自动化系统昂贵且复杂的体系结构问题，ZigBee也提供了低安装成本和低运行成本的方案。ZigBee无线通信网络一般由三个部分组成，这三个是网络终端、协调器 、和中继节点。协调器的作用是协调各设备之间的网络连接，相当于一个网络启动器，而中继节点则是负责把各个终端与协调器相连，起到一个中继的作用。
ZigBee技术一般使用的是2.4G的ISM频段，该频段有十六个信道。同时ZigBee技术还可以使用868MHz的频段，该频段主要使用在欧洲等地区，该频段洋浦一个信道，最后还有在北美地区主要使用的915MHz频段，它拥有十个信道。在大多数国家或地区使用这些无线频段是需要收费的。
但是在我国，使用ZigBee频段是免费的，并且我们使用的是2.4GHz的ISM频段，该频段拥有十六个信道。
ZigBee技术相对于其他无线）ZigBee协议栈的设备运行时所产生的功耗十分的低，在正常的待机模式种，一个终端设备甚至只需要两届五号电池就可以工作一年左右，在一些特殊的工作环境下这个时间会变得更长。而其他同频段同类型得短距离无线传输协议是做不到了，这是ZigBee最大得优势。
（2）同时，ZigBee协议的授权费是免费的，并且ZigBee协议栈的协议于同类型的短距离无线传输协议相比有着极大的简化，所以这种简化的协议对通信有着非常低的要求，可以节省大部分代码，使得芯片的价格也大幅度降低，最重要的是ZigBee是一个免费开放的协议，对于一些个人使用者是非常大的优势。
（3）ZigBee协议也有着低速率的优势，该协议在工作时速率会保持在一个较低的速率下，低速率可以提高数据传输时的误码率。
（4）并且ZigBee协议的传输距离也不是很长，一般传输距离都在100m以内，如果增加发射功率的话距离就可以提升，提升后的传输距离可以达到三千米之远，而且还可以通过中继器来延长这个距离组成一个更大型的网络。
（5）ZigBee协议栈的设备对于事件的相应也是十分快的，在休眠状态下，出现事件时往往只需要十毫秒左右的事件就可以相应事件并进入终端执行。而一些同类型的短距离无线传输协议种事件最短的WIFI也至少需要两秒的时间，这个优势是ZigBee相对于其他协议所无法被替代的。
（6）ZigBee网络还拥有极大的网络容量，ZigBee网络有着多种的网络结构。可以通过一个协调器管理多个子节点，每个协调器最多可以控制254个终端，并且可以将协调器作为另一个网络的子节点，从而进一步扩大网络。
大多数ZigBee开发者都会使用ZigBee协议栈进行开发，这是TI公司研发的针对ZigBee的一种开发工具，它被集成在一个基于IAR的开发工程之中，使用者可以方便的调取API接口对程序进行修改，该协议栈也获得了ZigBee联盟的认可。
Z-Stack的使用与一般的操作系统类似，内部会循环检查事件，系统启动并初始化后，整个系统会进入待机模式，当系统需要处理事情的时候，系统会被启动并进入终端函数相应事件，如果有多个事件同时发生，则会根据优先级判断事件的先后顺序，在处理完后系统继续进入待机模式。这种运行方式可以使系统获得极高的节能效率，从而获得十分低的功耗。
整个Z-Stack采用分层地软件结构：硬件抽象层（HAL）提供各种硬件模块地驱动，包括定时器Timer，通过I/O口GPIO，通用异步收发传输器UART，模数转换ADC地应用程序接口API，提供各种服务地扩展集；
OSAL则是操作系统地抽象层，它可以实现一个十分简单地操作系统，内部使用一个事件函数来检测事件地发生，用以实现任务地实时调度和多任务之间地协调处理。当然，用户也可以直接调用OSAL内部所提供地一些API函数，这些函数可以实现一些多任务编程地功能，最终可以将应用程序实现成一个独立的任务。
整个Z-Stack的主要工作流程，大致分为系统启动，驱动初始化，OSAL初始化和启动，进入任务轮循几个阶段[12]。
OSAL是协议栈的核心，OSAL的每一个任务都是由Z-Stack的一个子系统组成，所以再开发应用层的时候，需要通过OSAL任务来使用程序。任何OSAL任务必须
ZigBee网络同时还拥有强大的自愈能力。并且可以组合成十分多样化的网络结构，拥有星型网、数装网和网状网等网络结构。使用者可以随时根据自己的实际需求来选择需要的结构。其中MESH网状结构拥有强大的功能，可以使用“多级跳”的方式进行通信。
ZigBee采用的避免碰撞机制是CSMA-CA，专用时隙预留给了需要固定带宽的通信业务，从而使得避免了发送数据的竞争和冲突明细的通道检测。而且MAC层还使用了确认完全的数据传输机制，每一个发送出去的数据包都必须要等待接收方的信息确认
ZigBee网络还拥有非常强大的自组织功能，该功能无需人工的干预，其中的网络节点可以感知到其他节点的存在，并且确认他们之间的连接关系，从而狗曾一个结构化的组织网络；并且ZigBee网络还拥有一定的自愈功能，在你删除或增加一个节点后，抑或是节点位置发生改变，或者节点发生故障时，ZigBee网络都可以自我修复，并且进行自动调整，不需要用户手动操作，可以确保系统正常运行。
半导体芯片是LED的核心部件。在支架上固定好芯片，一头与电源的正极相连，另一端与电源的负极相连，然后用环氧树脂将整个芯片模块包起来。而半导体芯片主要是由两个部分组成的，第一个部分是P型半导体，主要以空穴为主，而另一部分则主要是n型半导体，以电子为主。将这两个半导体连接起来后，就形成了一个P-N结。当电流流过半导体芯片时，电子将从N区到P区，形成电子与空穴的化合物，然后释放的能量是以光子的形式发送的，这便是LED发光的原理，而不同的颜色则是由于光线有不同的波长，这是形成P-N结的材料来决定的[6]。
在一开始，LED照明一般只被应用于仪表设备。在后来，各种颜色的LED灯都被广泛应用，特别是一些交通指示灯，为我们的社会带来了极大的收益。举个例子，以一种在美国广泛使用的交通灯，它会发出两千流明的白色光，在经过了红色的滤光片之后，光线%，最后红色光只剩下了200流明。
但对于一般环境的照明方案来说，需要的其实是更多白色的灯光。而能发射白色光的LED在1998年被研制出来。这种发射白色光的LED是使用Gan芯片和钇铝石榴石（YAG）封装而成。。Gan芯片发出 蓝光（λP=465nm，WD=30nm），高温烧结制备的Ce3+YAG荧光粉受蓝光激发，发出峰值550nm的黄光。蓝色LED基板安装在碗状反射腔中 ，覆盖有一层与YAG混合的薄层树脂，约200-500nm。LED基板发出的蓝色光会被磷光体吸收一部分，并且没有被吸收的另一部分则会和磷光体发出的黄色的光融合从而得到白色的光。对于这种能发出白色光的LED，可以通过改变荧光粉的化学成分和调整荧光层的厚度，就可以得到3500-10000k色温的白色光。该方法施工简单，成本低，技术成熟度高，应用广泛[6]。
与传统的白炽灯相比，LED照明之所以可以快速占据市场，其一定存在自身难以取代的优势。第一点，LED照明对环境的污染性相对于传统照明较小。传统照明灯具中一般都含有重金属成分，当这些重金属散发在空气、土壤、或是水源之中，有可能造成生态的破坏、河流的污染、鱼虾的死亡。甚至可能会有人因为误吸食而发生重金属中毒的情况。
并且白炽灯在照明的时候也会存在一定的发热现象，在室内使用时是会造成一定的安全隐患的。但是LED照明在发热这方面有一定优势，作为一种清洁环保的照明方式，LED照明在能量转化率上是比较低的，所以对于资源的消耗可以有效节省资源。并且，传统的白炽灯照明一般都是使用交流电为供电方式，这种供电方式因为交流电本身电压的不稳定性，会出现一定的闪烁情况，人们长期暴露在这种闪烁的照明环境下，会导致视力下降等诸多问题。但是对于LED照明而言，则是没有频闪的缺点。并且传统白炽灯照明还会吸引一些蚊虫，发出一定量的紫外线，如果长期照射可能会产生皮肤疾病；但LED照明则不会发出紫外线，对蚊虫也没有吸引力，所以对于办公室、教室这种对照明有一定需求的场所是非常适用的。并且传统的白炽等照明只能使用家庭220V的交流电电压进行照明，但是LED照明则没有这种限制，LED照明对电压的耐受范围之分之广泛，一般情况下，70-280V的电压范围都是可以驱动LED照明的。因此，对于LED照明，是可以使用低压的驱动方式，在节约电力的基础上还可以提升照明系统的使用寿命。所以因为这一点，在市面上的LED照明普遍比传统白炽灯照明的寿命高，而且耗电量也远低于后者。
LED灯的主要部件是芯片，芯片的发光效率将直接影响LED节能照明的效率。一般来说，LED芯片的发光效率在90-110lm/W之间，随着科学技术的进步，效率更高、成本更低的芯片也进入了研发阶段。另外，影响LED灯具照明效果的另一个问题是光分布和照明范围的限制。目前的研究方向主要是提高配光效率，优化透镜或反射镜配光，改进灯具设计，从而实现LED灯具的优势放大。
系统总体框图如下图所示，主要包括协调器(CC2530)、照明控制终端(CC2530)、环境光采集模块、LED灯模块等部分组成。
本智能照明控制系统采用RGB三色光源配合PWM调光技术以实现任意色彩的灯光效果，所以本智能照明控制系统需要同时存在至少三条能实现PWM信号输出的线路，考虑到居家室内空间的复杂环境，空间分布复杂，有着布线困难的缺点，所以各节点之间采用无线通信技术的话成本更低，设备设置方便，应用也会更加广泛，综合了上述的需求。本智能照明控制系统决定采用Ti公司生产的CC2530无线这块无线芯片有着优秀的RF收发性能，拥有者超低的功率消耗，可以适应不同的运行需求。而且TI公司还提供了功能强大的ZigBee协议栈，这是一个集成进IAR工程的一套针对ZigBee无线通信的解决方案，该芯片的引脚图如下图1-3所示。其中作为协调器的CC2530模块的P0.5端口与光敏传感器相连接，用于读取环境光照参数；作为照明控制终端的CC2530模块的的P1.0、P1.1、P1.2三个端口分别连接三路RGB三色LED灯，通过改变三色灯的PWM信号占空比输出，从而达到三基色混色的需求。
协调器主要参与光照环境参数的采集与控制终端之间的通信。在之前的硬件系统设计中的系统总体框图可以得知，协调器将会连接一个光敏传感器组成一个光线照度采集模块。光线照度采集模块采用的是MH光敏传感器模块，该模块是以光敏电阻为光线传感器，再加上宽电压LM939比较器，输出上支持DO数字输出和AO模拟电压输出两种输出模式。本系统利用AO输出接口连接CC2530的P0.5端口利用CC2530自带的数模转换功能完成模拟电压数据的读取操作。
照明控制终端主要参与LED模块的控制与解调器之间的通信。在之前的硬件系统设计中的系统总体框图可以得知，照明控制终端将会连接一个LED模块组成一个LED光照模块。LED模块采用5050全彩高电平点亮LED，工作电压为3.3V-5V。红色R端口连接CC2530芯片的P0.2端口；绿色G端口连接CC2530芯片的P0.1端口；蓝色B端口连接CC2530芯片的P0.0端口。通过CC2530芯片输出PWM信号实现多色照明功能。
本次设计将采用PWM调光技术来实现LED照明的亮度自动调整。PWM调光技术本质上就是利用反复开关LED来实现LED亮度的改变。由CC2530输出一个周期性的方波，通过改变输出波形高电平的占空比，可以改变LED照明的时间，然后通过人眼对光线感知性来改变LED的亮度。当输出信号的高电平占空比越大时，LED照明的亮度就会越高；当高电平占空比降低时，则亮度就会变低。我们可以列一个公式，设LED灯的亮度为B，那么则：
其中T高电平占空比，当T=0时，则LED处于熄灭状态，当T=1时，则LED灯处于全亮状态。所以，通过改变T就可以改变LED灯的亮度。
LED的寿命主要是受到温度的影响，通过PWM调光，可以改善LED光源再发光时所散发的热量，间接地提高了LED地使用寿命。LED驱动器作为 LED 灯具必要的组成部分，可以转换交流电为稳定的低压恒流电供LED工作，优秀的驱动 器直接决定 LED 的照明质量，同时可以完成包括调光等 一系列功能实现。常见的调光方式有三种：模拟调光，可 控硅（TRIAC）调光和 PWM（脉冲宽度调制，Pulse width modulation）调光。模拟调光时通过电流来改变亮度的，简单易操作但是会发生色温偏移。可控硅调光是通过斩切正弦波改变效率进行调光，由于早期应 用，较多所以可以延用原有控制线]
PWM 调光是通过调节脉冲信号的占空比来改变输出的 平均电流以达到调光目的，其优点是具有较广泛的调光范围 并且不会出现色温偏离的现象。
三基色指的就是R、G、B三种颜色，因为人的眼睛对R、G、B三种颜色是最为敏感的，并且大部分颜色都可以按照不同比例的R、G、B三种颜色混合而成。与之对应的是所有颜色的光也可以被拆分为R、G、B三种单色光。这就是光学中三基色的原理。对R、G、B三种颜色的单色光进行混合，可以通过改变不同的比例可以实现不同的颜色，除此之外还有相减混合。可以根据实际情况选择相加或者相减。
根据“CIE标准色学系统”，在如下图2-1中所示的色品图上，途中出现的任意两个单一颜色都可自由组合成一个新的颜色，并且新的颜色是在原来两个单一颜色相连的连接线之上。如图所示，红色灯光R和绿色灯光G相混合可以得到中间的颜色O，而O的具置则决定于红色灯光R和绿色灯光G的混合比例。所以同理，蓝色灯光B和红色灯光R混合则可以得到颜色P。所以，通过改变不同的R、G、B颜色的比例，可以得到色平图中的三角形上显示的任意一种颜色。并且通过PWM技术改变R、G、B三种颜色的亮度，就可以将三种颜色混合得到任意一种新的灯光颜色[5]
通过调节PWM信号占空比来改变三色LED灯亮度混合成新的颜色，通过改变PWM信号的占空比来驱动LED，它的色品坐标一般不会发生变化，但光通量则会发生线性改变，所以在工程中为了方便讨论，我们可以近似的认为占空比与光通量为正比例关系。结合格拉斯曼颜色混合定律可得：真人官网 九游会AG真人官网 九游会AG