基于Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能燈光跟隨系統(tǒng)

吳志輝，劉麗玨，孫世穎，盧紅海，焦 桐

（中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

目前，在我國(guó)，資源消耗高、浪費(fèi)大等問(wèn)題很?chē)?yán)重，隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)和人口的不斷增加，資源不足的矛盾更加突出，建設(shè)節(jié)約型社會(huì)已刻不容緩。節(jié)約不僅要減少消費(fèi)，而且要提高利用效率。建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的最大動(dòng)力在于科技創(chuàng)新。節(jié)能性產(chǎn)品成為社會(huì)追求的目標(biāo)[1]。

ZigBee是一種便宜的，低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)。Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其自組網(wǎng)，體積小，低功耗的優(yōu)勢(shì)已在很多地方得到應(yīng)用。基于此，本文設(shè)計(jì)了一種基于Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能燈光跟隨系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和嵌入式控制器，實(shí)現(xiàn)了有人時(shí)，燈光緊隨人的移動(dòng)而移動(dòng)，無(wú)人時(shí)，燈自動(dòng)熄滅。避免了長(zhǎng)時(shí)間、大范圍不必要的照明造成的電能的浪費(fèi)，達(dá)到節(jié)能的效果。

1 系統(tǒng)的總體構(gòu)架

整個(gè)系統(tǒng)的布署的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1，該系統(tǒng)基于Zigbee的WSN技術(shù)[2]，利用Zigbee的低耗能，低成本，高擴(kuò)充性，免頻段使用費(fèi)的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)可分為Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，嵌入式控制機(jī)構(gòu)和執(zhí)行裝置，Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和若干傳感器節(jié)點(diǎn)組成的星型網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)采集環(huán)境中人員存在方位的信息；Zigbee網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)分布在房間和走廊的各個(gè)角落，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)特定區(qū)域的人員存在方位的信息。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)建立并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，收集到傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的信息，并通過(guò)UART方式傳給主控制器。主控制器分析采集的數(shù)據(jù)，判斷人員的方位，控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向和燈的亮和滅，實(shí)現(xiàn)燈光跟隨功能。

圖1 系統(tǒng)的總體部署Fig.1 The overall arrangement of the system

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件主要包括3部分：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，嵌入式器PXA270和舵機(jī)、照明設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2.1 Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

本系統(tǒng)采用的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心是基于TI公司生產(chǎn)的CC2430開(kāi)發(fā)的無(wú)線模塊，CC2430結(jié)合一個(gè)高性能2.4 GHz DSSS射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級(jí)小巧高效的8051控制器，擁有 8～14位 ADC、DMA，定時(shí)、計(jì)數(shù)器、USART、AES-128協(xié)處理器、睡眠模式定時(shí)器、看門(mén)狗、上電復(fù)位和掉電檢測(cè)電路以及21個(gè)可編程引腳，是一顆真正的系統(tǒng)芯片（SoC）CMOS解決方案。

系統(tǒng)中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和若干傳感器節(jié)點(diǎn)組成，傳感器節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，無(wú)線通信模塊，電源模塊組成，電路圖如圖2所示。

連接人體紅外模塊HC-SR501。HC-SR501是基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制模塊，采用德國(guó)原裝進(jìn)口LHI778探頭設(shè)計(jì)，靈敏度高，可靠性強(qiáng)。人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸出高電平，人離開(kāi)感應(yīng)范圍則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平，輸出低電平[3]。人體紅外傳感器的OUT輸出端口連接到CC2430的I/O口上，把I/O口設(shè)置為輸入模式，通過(guò)檢測(cè)I/O端口的高低電平就能得到人員是否存在的信息。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)功能相當(dāng)于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，在本系統(tǒng)中充當(dāng)與主控制器通信的硬件，其組成如圖3所示，包括CC2430射頻模塊，仿真下載模塊，UART，開(kāi)關(guān)和LED指示燈。Zigbee節(jié)點(diǎn)組成星狀網(wǎng)絡(luò)，所有的傳感器節(jié)點(diǎn)都將采集到的信息實(shí)時(shí)發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

圖2 傳感器結(jié)點(diǎn)電路圖Fig.2 Circuit diagram of the sensor node

圖3 協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)的組成Fig.3 The composition of coordinator node

2.2 嵌入式控制平臺(tái)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)

系統(tǒng)中采用的主控制器為Intel公司生產(chǎn)的PXA270，PXA270基于ARMv5E的Xscale核心，最高頻率可達(dá)624 MHz，是一款性能極其強(qiáng)勁的嵌入式處理器，系統(tǒng)的控制機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖4，PXA270通過(guò)串口連接Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)PWM模塊堆垛機(jī)進(jìn)行控制，I/O端口連接光耦芯片TPL521-4，利用I/O口的高低電平控制TPL521-4輸出的導(dǎo)通和截止，照明裝置的電源線連接到TPL521-4的輸出端口，并固定在在舵機(jī)上，隨舵機(jī)而轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

圖4 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure of control system

系統(tǒng)中Zigbee節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)移植了Z-stack協(xié)議棧[4]，該協(xié)議棧提供了完整的路由協(xié)議，并對(duì)應(yīng)用層是完全透明的，只需將數(shù)據(jù)下發(fā)至協(xié)議棧，協(xié)議棧便會(huì)自動(dòng)尋找路徑，因此在程序開(kāi)發(fā)上，主要是在Z-stack協(xié)議棧的基礎(chǔ)上，完成協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)。

1）協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立和管理，工作流程圖如圖5所示。系統(tǒng)上電后，首先初始化硬件和協(xié)議棧，初始化完成后，協(xié)議棧掃描出一個(gè)合適的信道建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)[5]。當(dāng)有設(shè)備請(qǐng)求加入時(shí)，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)分配它一個(gè)16位的短地址，并允許加入網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)完成后，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)開(kāi)始接受從傳感器節(jié)點(diǎn)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)并通過(guò)串口傳至嵌入式控制器。

2）傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

圖5 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)工作流程圖Fig.5 The work flowchart of coordinator node

傳感器節(jié)點(diǎn)工作流程圖如圖6，其主要通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞?，將采集到的人員信息送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)[6]。完成CC2430的初始化后，開(kāi)始掃瞄信道，尋找到合適的網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)信息，得到確認(rèn)后，開(kāi)始進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待定時(shí)器喚醒，收到喚醒指令后，開(kāi)始通過(guò)傳感器采集信息，并發(fā)至其父節(jié)點(diǎn)。

圖6 傳感器節(jié)點(diǎn)工作流程圖Fig.6 The work flowchart of sensor node

3.2 嵌入式控制器的軟件設(shè)計(jì)

PXA270通過(guò)串口接收Z(yǔ)igbee節(jié)點(diǎn)采集到的信息，根據(jù)Zigee的16位物理地址和相應(yīng)采集到人是否存在的信息來(lái)確定人員的方位，工作流程如圖7所示，首先，檢測(cè)是否有節(jié)點(diǎn)返回有人存在的信息，如果無(wú)人存在，則把I/O口的輸出設(shè)置為低電平，使燈熄滅，否則，I/O設(shè)置為高電平，燈亮起，然后根據(jù)返回的Zigbee的物理地址，判斷是哪個(gè)節(jié)點(diǎn)返回的信息，從而確定人員存在的大致方位，進(jìn)而控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使燈光照向這個(gè)方位。

圖7 PXA270工作流程圖Fig.7 The work flowchart of PXA270

4 系統(tǒng)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室搭建了1個(gè)小的模型，其中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)包含1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和3個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn) （Zigee節(jié)點(diǎn)實(shí)物如圖8），傳感器節(jié)點(diǎn)均勻地分布在走廊的兩側(cè)，PXA270和照明裝置（實(shí)物如圖9）放在了較高的柜子上。

Zigbee節(jié)點(diǎn)上電后，過(guò)了大約5 s，開(kāi)發(fā)板上的led顯示網(wǎng)絡(luò)建立完成，當(dāng)人走過(guò)時(shí)，燈自動(dòng)的開(kāi)啟，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，照向人存在的方位，當(dāng)人走動(dòng)的時(shí)候，舵機(jī)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)人離開(kāi)檢測(cè)區(qū)域時(shí)，照明裝置自動(dòng)熄滅，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以正常工作。

圖8 Zigbee節(jié)點(diǎn)實(shí)物Fig.8 Zigbee node physical

圖9 PXA270和照明裝置Fig.9 PXA270 and lighting devise

5 結(jié)束語(yǔ)

文中采用無(wú)線傳感器技術(shù)、Zigbee技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建智能燈光跟隨系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體的檢測(cè)并使燈光跟隨人體移動(dòng)，從而達(dá)到節(jié)能環(huán)保的效果。本系統(tǒng)具有成本低、低功耗、檢測(cè)準(zhǔn)確、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，非常適合在走廊、道路等場(chǎng)所使用，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)價(jià)值。目前，我們尚處在實(shí)驗(yàn)階段，正在進(jìn)行產(chǎn)品化過(guò)渡。

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