CN1909755A - 基于ZigBee协议的无线智能照明开关系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的基于ZigBee协议的无线智能照明开关系统，包括无线网关、智能开关集中控制模块和多个智能开关终端模块。工作时，各智能开关终端模块中的开关控制电路分别与照明灯相连；无线网关用于将Zigbee网络与全球互联网、GPRS和CDMA网络互联，接受来自互联网、手机和手持式终端的查询、巡检和控制；智能开关集中控制模块用于ZigBee网络建立，智能开关集中控制模块与多个智能开关终端模块联网；多个智能开关终端模块通过智能开关集中控制模块实现对照明灯通断状态的查询和控制。本发明基于ZigBee协议，具有远程控制功能、扩展性好、安装方便、易于维护等优点，并可无缝地对原有建筑物里的照明开关系统进行替换升级。

Description

基于ZigBee协议的无线智能照明开关系统
技术领域
本发明涉及无线智能开关系统，更具体地可描述为是一种基于ZigBee协议的无线智能照明开关系统。
背景技术
传统的照明开关，使用时仅实现本地控制，不具有开关之间的多对一、一对多以及多对多的控制功能，无法进行开关的模式设置，一般也不具有使用户进行远程数据访问和控制的功能。传统照明开关的线路敷设、布线混乱以及线路老化等问题也给有线照明开关系统长期稳定、可靠地工作增加了困难，且对老建筑进行重新布线的难度也较大。对原有照明开关系统进行改造，以满足人们对生活的舒适性与信息化的要求，是家居智能化的需要。
发明内容
本发明的目的是提供一种低成本、低功耗、安装方便、维护简单、易于进行照明开关系统扩展与升级的基于ZigBee协议的无线智能照明开关系统。
为达上述目的，本发明所采用的技术解决方案是：
本发明的基于ZigBee协议的无线智能照明开关系统包括无线网关、智能开关集中控制模块和多个智能开关终端模块；
无线网关：用于将Zigbee网络与全球互联网(Internet)、通用分组无线业务(GPRS)和码分多址(CDMA)网络互联，接受来自来互联网、手机和手持式终端(PDA)的查询、巡检和控制；
智能开关集中控制模块：包括第一单火线电源供电及电池储能模块、第一无线通信模块、第一处理器模块、第一触摸/液晶屏模块以及外部接口，第一无线通信模块、第一触摸/液晶屏模块、外部接口分别与第一处理器模块相连；第一单火线电源供电及电池储能模块对第一无线通信模块、第一处理器模块、第一触摸/液晶屏模块供电；外部接口与无线网关相连；
智能开关终端模块：通过zigbee网络与智能开关集中控制模块实现通讯，其包括第二单火线电源供电及电池储能模块、第二无线通信模块、第二处理器模块、第二触摸/液晶屏模块、开关控制电路和状态采集电路，第二无线通信模块、第二触摸/液晶屏模块、开关控制电路和状态采集电路分别与第二处理器模块相连；第二单火线电源供电及电池储能模块对第二无线通信模块、第二处理器模块、第二触摸/液晶屏模块、开关控制电路和状态采集电路供电。
本发明工作原理如下：
将各智能开关终端模块中的开关控制电路分别与照明灯相连；无线网关将Zigbee网络与全球互联网、GPRS和CDMA网络互联，接受来自来互联网、手机和PDA等的查询、巡检和控制；
智能开关集中控制模块中的第一处理器模块内含ZigBee协议栈网络协调器程序，用于ZigBee网络建立，智能开关集中控制模块与多个智能开关终端模块联网。智能开关终端模块中的第二处理器模块内含ZigBee协议栈终端设备程序。多个智能开关终端模块通过智能开关集中控制模块实现对照明灯通断状态的查询和控制。
第一触摸/液晶屏模块和第二触摸/液晶屏模块实现人机交互，用于选择和显示目标照明灯的通断状态。智能开关集中控制模块和智能开关终端模块通过第一、第二无线通信模块实现相互间的通信，发送照明灯的控制和状态信息。智能开关终端模块中的状态采集电路用于对照明灯状态的采集。
与当前的技术相比，本发明的有益结果体现在：
1)ZigBee协议是专用于无线传感器网络的基于802.15.4无线标准的一种短距、低功耗、低速率和低成本的无线通信技术标准。本发明基于ZigBee协议，构建了无线智能照明开关系统，与传统的照明开关系统相比，具有远程控制功能、扩展性好、安装方便、易于维护等优点。可无缝地对原有建筑物里的照明开关系统进行替换升级，不需对原有建筑物进行破坏与改造，无论是对于已投入使用的建筑物还是新的建筑物都具有实用性。
2)本发明所建立的基于ZigBee协议的无线网络系统，有着强大的自适应性。智能开关集中控制模块可以增、删智能开关终端模块，也可使网络根据建筑物规模任意调整，且安装和设置的复杂度没有增加，克服了传统照明开关系统灵活性欠佳的弱点。
3)本发明所采用的ZigBee协议本身就是针对低功耗应用而设计的无线协议，系统所采用的处理器模块和无线通信模块均采用了支持睡眠模式的低功耗技术，有效地降低了系统的整体功耗。
4)设备的复杂程度低，且ZigBee协议本身是免费的，这些可以有效地降低设备成本；ZigBee的工作频段灵活，为免执照频段的2.4GHz，没有使用费的无线通信，系统成本将会很低廉。
5)本发明基于ZigBee协议的网络传输信息，充分保证了数据的准确性、可靠性和安全性。
附图说明
图1为基于ZigBee协议的无线智能照明开关系统的组成框图；
图2为智能开关集中控制模块结构框图；
图3为智能开关终端模块结构框图；
图4为智能模块的延时保护模块结构及工作波形图；
图5为单火线电源供电及电池储能模块电路框图；
图6为基于ZigBee协议的无线智能照明开关系统的功能框图。
具体实施方式
参见图1、图2、图3，基于ZigBee协议的无线智能照明开关系统包括无线网关A、智能开关集中控制模块B和多个智能开关终端模块C；
无线网关A：用于将Zigbee网络与全球互联网、GPRS和CDMA网络互联，接受来自来互联网、手机和PDA的查询、巡检和控制；
智能开关集中控制模块B(见图2)：包括第一单火线电源供电及电池储能模块1、第一无线通信模块2、第一处理器模块3、第一触摸/液晶屏模块4以及外部接口5，第一无线通信模块2、第一触摸/液晶屏模块4、外部接口5分别与第一处理器模块3相连；第一单火线电源供电及电池储能模块1对第一无线通信模块2、第一处理器模块3、第一触摸/液晶屏模块4供电；外部接口5与无线网关A相连；
智能开关终端模块C(见图3)：通过zigbee网络与智能开关集中控制模块B实现通讯，其包括第二单火线电源供电及电池储能模块11、第二无线通信模块12、第二处理器模块13、第二触摸/液晶屏模块14、开关控制电路15和状态采集电路16，第二无线通信模块12、第二触摸/液晶屏模块14、开关控制电路15和状态采集电路16分别与第二处理器模块13相连；第二单火线电源供电及电池储能模块11对第二无线通信模块12、第二处理器模块13、第二触摸/液晶屏模块14、开关控制电路15和状态采集电路16供电。
为了避免某些照明负载短时间内的频繁通断而降低负载寿命，在图3所示实例中，在智能开关终端模块C的第二处理器模块13与开关控制电路15之间接入延时保护模块17。延时保护模块如图4(a)所示，由一个数据锁存器21和双单稳态触发器22构成，数据锁存器的D端接处理器模块，数据锁存器的Q端与双单稳态触发器的A、B端相连，并作为开关控制电路的控制信号端，数据锁存器的LE端与双单稳态触发器的V0端相连。数据锁存器由LE控制数据的选通，双单稳态触发器分别检测数据锁存器Q端的上升沿和下降沿跳变。双单稳态触发器在触发脉冲作用下的波形如图4(b)所示，当在触发器的A端检测到下降沿或者B端检测到上升沿跳变时，单稳态触发器进入暂稳态，并在V0(LE)端输出一个持续tw时间宽度的负脉冲。此时，数据锁存器的LE端无效，即处理器模块输出的开关控制信号无法通过数据锁存器，保证了在tw时间段内，照明负载不受该控制信号的影响，从而避免了照明负载在该时间段内的频繁通断。
本发明中，第一处理器模块3和第二处理器模块13可选用Microchip公司的PIC18LF4620单片机；第一无线通信模块2和第二无线通信模块12的主芯片可采用Chipcon公司的CC2420射频芯片，支持IEEE 802.15.4标准。
本发明中，开关控制电路15可以是可控硅开关电路或继电器开关电路。在对白炽灯进行控制的时候，采用可控硅控制方式，不仅可以对白炽灯进行开关控制，而且还可以对白炽灯的亮度进行调节；在对日光灯进行控制的时候，考虑到可控硅关断时存在的漏电流可能会使日光灯发生闪烁现象，所以采用继电器对日光灯进行控制。
本发明中，第一、第二单火线电源供电及电池储能模块如图5所示，由输入整流滤波电路31、逆变电路32、输出整流滤波电路33、充电电路34、充电电池35及电源输出电路36组成。输入整流滤波电路将来自单火线的交流电整流为较平滑的直流电。逆变电路将整流后的直流电逆变为高频交流电。输出整流滤波电路根据照明负载需要，提供稳定可靠的直流电源。电源输出电路负责两种供电方式的切换：当照明负载开关断开时，由输出整流滤波电路为系统提供电能并根据电池剩余电量情况自动对充电电池进行充电；当照明负载开关闭合时，则由充电电池负责为系统提供电能。充电电路对电池充电过程电压及电流进行调节。
智能开关终端模块中的状态采集电路，采集与反馈所控制照明灯的通断状态。
基于ZigBee协议的无线智能照明开关系统的工作举例如下：
参见图6，工作过程可分为远程控制和本区域控制两种方式。
远程控制：以远程计算机、手机或PDA远程控制或查询智能开关终端模块的照明灯的通断为例。
来自远程计算机、手机或PDA对目标照明灯的控制或状态查询命令通过全球互联网(Internet)、GPRS或CDMA网络接入无线网关，并经无线网关传递给智能开关集中控制模块，智能开关集中控制模块将控制或状态查询命令通过ZigBee网络传递给需要控制的目标智能开关终端模块。
为控制命令时，目标智能开关终端模块接收到的控制命令经处理器模块，通过开关控制电路控制照明灯的通断，并将照明灯的通断状态通过其状态采集电路反馈到处理器模块，通过无线通信模块传递给智能开关集中控制模块，并转由无线网关经全球互联网、GPRS或CDMA网络将照明灯的通断状态返回给远程计算机、手机或PDA。
为状态查询命令时，目标智能开关终端模块将目标照明灯的通断状态通过状态采集电路反馈到处理器模块，再通过无线通信模块传递给智能开关集中控制模块，并转由无线网关经全球互联网、GPRS或CDMA网络将目标照明灯的通断状态返回给远程计算机、手机或PDA。
本区域控制：以某一智能开关终端模块(以下简称源模块)控制或查询另一智能开关终端模块(以下简称目标模块)的照明灯为例。
用户通过源模块的触摸/液晶屏模块选择需要控制或查询的目标模块的照明灯，源模块中的处理器模块将控制或查询信息通过无线通信模块传递给目标模块。
目标模块接收到控制命令时，控制命令经其处理器模块由其开关控制电路控制目标照明灯的通断，照明灯的通断状态通过状态采集电路将目标照明灯的通断状态反馈到其处理器模块，再通过无线通信模块传递给源模块，源模块的触摸/液晶屏模块显示所控制照明灯的通断状态；
目标模块接收状态查询命令时，目标模块中的状态采集电路将照明灯的通断状态反馈到其处理器模块，再通过无线通信模块传递给源模块，源模块的触摸/液晶屏模块显示照明灯的通断状态。
同样，源模块也可通过此方式控制多个目标模块照明灯的通断，和查询照明灯的通断状态，实现一对多的工作；多个不同的源模块也可通过此方式控制同一目标模块照明灯的通断，和查询照明灯的通断状态，实现多对一的工作；多个不同的源模块也可通过此方式控制多个目标模块照明灯的通断，和查询照明灯的通断状态，实现多对多的工作。

Claims (3)

1.基于ZigBee协议的无线智能照明开关系统，其特征是包括无线网关(A)、智能开关集中控制模块(B)和多个智能开关终端模块(C)：
无线网关(A)：用于将Zigbee网络与全球互联网、GPRS和CDMA网络互联，接受来自互联网、手机和手持式终端的查询、巡检和控制；
智能开关集中控制模块(B)：包括第一单火线电源供电及电池储能模块(1)、第一无线通信模块(2)、第一处理器模块(3)、第一触摸/液晶屏模块(4)以及外部接口(5)，第一无线通信模块(2)、第一触摸/液晶屏模块(4)、外部接口(5)分别与第一处理器模块(3)相连；第一单火线电源供电及电池储能模块(1)对第一无线通信模块(2)、第一处理器模块(3)、第一触摸/液晶屏模块(4)供电；外部接口(5)与无线网关(A)相连；
智能开关终端模块(C)：通过zigbee网络与智能开关集中控制模块(B)实现通讯，其包括第二单火线电源供电及电池储能模块(11)、第二无线通信模块(12)、第二处理器模块(13)、第二触摸/液晶屏模块(14)、开关控制电路(15)和状态采集电路(16)，第二无线通信模块(12)、第二触摸/液晶屏模块(14)、开关控制电路(15)和状态采集电路(16)分别与第二处理器模块(13)相连；第二单火线电源供电及电池储能模块(11)对第二无线通信模块(12)、第二处理器模块(13)、第二触摸/液晶屏模块(14)、开关控制电路(15)和状态采集电路(16)供电。
2.根据权利要求1所述的基于ZigBee协议的无线智能照明开关系统，其特征是在智能开关终端模块(C)的第二处理器模块(13)与开关控制电路(15)之间接入延时保护模块(17)。
3.根据权利要求1所述的基于ZigBee协议的无线智能照明开关系统，其特征是所说的开关控制电路(15)为可控硅开关电路或继电器开关电路。
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