基于ZigBee網(wǎng)絡的圖書館智能照明系統(tǒng)設計

賈志城， 白建軍

(1.甘肅政法學院圖書館，蘭州 730070；2.甘肅警察職業(yè)學院實驗實訓部，蘭州 730046)

基于ZigBee網(wǎng)絡的圖書館智能照明系統(tǒng)設計

賈志城1， 白建軍2

(1.甘肅政法學院圖書館，蘭州 730070；2.甘肅警察職業(yè)學院實驗實訓部，蘭州 730046)

智能照明控制系統(tǒng)實現(xiàn)是智能化圖書館建設的關鍵性問題之一。依據(jù)ZigBee近距無線網(wǎng)絡的優(yōu)勢和智能化照明的設計理念，創(chuàng)建科學設計、實用效果俱佳的圖書館光照環(huán)境，在全面提升照明系統(tǒng)科學性、高效率的基礎上，實現(xiàn)具有無需布線、節(jié)電和施工便捷等諸多特點的現(xiàn)代智能照明系統(tǒng)。

ZigBee網(wǎng)絡；無線傳感網(wǎng)絡；智能照明

0 引言

圖書館是高校信息化應用最為廣泛的場所，也是大學生課堂學習的伸延、擴展和深入的“知識寶庫”和“科學殿堂”，圖書館起著不同于高校其他學習場所的獨特作用。為適應數(shù)字化、自動化、智能化的信息時代脈搏，迫切需要建立管控有力、布線簡潔、可擴展性強、移動性能好的覆蓋廣、立體化、高可靠、綠色環(huán)保、多時段定控的圖書館智能化照明系統(tǒng)，依靠良好的智能化技術支持，真正實現(xiàn)“人來燈亮，人走燈滅”功能，也能在燈光亮度滿足預訂舒適度數(shù)值時，做到“人來燈不亮”，把能耗降到最低，通過良好的館所內(nèi)溫度、濕度、亮度等的調節(jié)控制為讀者提供舒適的學習環(huán)境。

1 ZigBee協(xié)議在智能照明控制系統(tǒng)的應用

智能照明系統(tǒng)的首要基礎是要實現(xiàn)其各類燈具的連網(wǎng)自主性和光照效果的控制規(guī)程化。Zig-Bee無線傳感技術基于IEEE802.15.4協(xié)議標準[1]。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡具有較強的自適應組網(wǎng)能力，以及短時延、高效費比、高可靠性等諸多優(yōu)勢。ZigBee聯(lián)盟制定了基于無線傳感網(wǎng)絡的智能照明通用標準，能夠滿足遵循該標準的多個廠商照明系統(tǒng)設備之間的互聯(lián)、互通，其集成系統(tǒng)易于擴展與推廣。智能照明控制系統(tǒng)的實現(xiàn)理念就是要顯著提升各類燈具的光照質量。智能照明控制系統(tǒng)應該具備照明、開關、調光等傳統(tǒng)照明基本管控功能，能夠自主完成絕大部分的照明設備智能化管控，同時兼?zhèn)湟欢ㄉ倭康娜斯た刂乒δ?，通常無需人工控制就能夠實現(xiàn)照明現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)采集與燈光自適應動態(tài)調節(jié)。

2 智能照明系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 硬件實現(xiàn)電路

2.1.1 系統(tǒng)結構

智能照明控制系統(tǒng)由4個基本模塊構成，如圖1所示。系統(tǒng)采用樹型拓撲結構，具有實況監(jiān)控、諸參巡測與回顯、異常警示等基本運行機制，RS485是基本的通信鏈路，協(xié)調器節(jié)點通過終端節(jié)點實現(xiàn)與路由器的相連。

圖1 智能照明控制系統(tǒng)結構示意圖

2.1.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡節(jié)點

協(xié)調器、路由器和終端共同組成無線智能照明系統(tǒng)網(wǎng)絡節(jié)點[2]。網(wǎng)絡節(jié)點通過巴倫匹配優(yōu)化天線的性能，使網(wǎng)絡節(jié)點在空曠無障礙地域的最遠傳輸距離可達200 m[3]。路由器用于完成網(wǎng)絡路由的選擇生成與建立任務，同事?lián)摳鱾€子節(jié)點的入網(wǎng)域退網(wǎng)的認證支持。路由器是網(wǎng)絡各個節(jié)點間實現(xiàn)數(shù)據(jù)中轉的紐帶。協(xié)調器完成網(wǎng)絡維護、數(shù)據(jù)上傳、PC機(或遙控器)命令下達、系統(tǒng)管理和檢測等功能，功耗較大，需要外接電源或大容量電池供電支持，協(xié)調器節(jié)點硬件結構示意如圖2所示。

圖2 協(xié)調器節(jié)點硬件結構示意圖

協(xié)調器節(jié)點與終端節(jié)點的硬件控制核心是CC2530微處理器[4]。CC2530微處理器具有高集成度、低成本、低電壓、低功耗等特點，只需極少外部元器件，內(nèi)置數(shù)字直接序列擴頻調制解調模塊，提供擴頻增益9 dB；數(shù)據(jù)通信速率250 kbps，內(nèi)置CC2420RF收發(fā)器、增強工業(yè)標準8051MCU、Zig-Bee協(xié)議棧，以及32/64/128 kB閃存、8 kB SRAM等模塊。CC2530的硬件接口示意如圖3所示。協(xié)調器被定義為全功能設備，并集成ZigBee大部分協(xié)議棧內(nèi)容共計32 kB，協(xié)調器可以作為網(wǎng)絡任意分支節(jié)點；終端節(jié)點被定義為精簡功能設備，并集成部分協(xié)議內(nèi)容共計4 kB，終端節(jié)點只能作為網(wǎng)絡末梢節(jié)點[5]。

圖3 CC2530微處理器硬件接口示意圖

館所照明系統(tǒng)采用LED燈具。LED屬于能夠高頻開啟、無閃爍現(xiàn)象的二極管，其PWM (Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制)調光無色譜偏移，調光精確度高于萬分之一，PWM調光能夠維持恒流源驅動而且無過熱現(xiàn)象，因此，照明系統(tǒng)選用PWM調光方案。

2.1.3 樓層子系統(tǒng)結構

智能照明系統(tǒng)的館內(nèi)樓層子系統(tǒng)結構示意如圖4所示，每個子系統(tǒng)分別對應一個全功能設備子網(wǎng)關節(jié)點以及若干終端節(jié)點終端設備節(jié)點。樓層入口位置設置路由節(jié)點A，實現(xiàn)照明系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息多跳中轉，同時采集進入移動目標、溫度、光照度等環(huán)境參數(shù)。天井、借閱處、書庫和檢索大廳分別放置驅動調光節(jié)點B、C、D等，調光節(jié)點均配置人體紅外傳感器、光照傳感器、溫度傳感器和驅動調光器，共同實現(xiàn)室內(nèi)照明現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)的采集工作，自動完成PWM線性智能調光。

2.1.4 網(wǎng)絡傳感器

ZigBee網(wǎng)絡傳感器采集館內(nèi)不同場所的環(huán)境參數(shù)，并通過RF無線射頻模塊發(fā)送至協(xié)調器節(jié)點，協(xié)調器MCU微處理器進行數(shù)據(jù)處理、邏輯分析與智能判斷，實現(xiàn)LED的PWM線性無極智能調光、智能調色溫、分組群控、情景模式等復雜功能，以及實現(xiàn)光照補償后的現(xiàn)場光照度保持，改善照明質量。傳感器采集模塊主要有采集自然光照度的光敏電阻GL4516，檢測人體移動目標的熱釋電紅外探頭LHI787，釆集環(huán)境溫度的溫度傳感器DS18B20等。終端節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點還預置有熱釋電傳感器和光照傳感器，這兩類傳感器分別探測館內(nèi)是否有人以及光照的強弱。當熱釋電傳感器發(fā)現(xiàn)自檢結果為無人在場狀態(tài)時，系統(tǒng)將自行關閉照明設備；當光照傳感器自檢測得光線太亮，系統(tǒng)則自行調低亮度；當光照傳感器自檢測得光線太暗，系統(tǒng)則自行調高亮度。系統(tǒng)依據(jù)已獲取的熱釋電傳感器和光照傳感器巡檢參數(shù)，通過網(wǎng)絡向各LED節(jié)點傳輸符合預訂控制策略管控信息，完成照明系統(tǒng)的既定多層協(xié)議的協(xié)同策略實現(xiàn)。

圖4 照明系統(tǒng)樓層子系統(tǒng)結構圖

2.1.5 ZigBee RF4CE遙控器

采用ZigBee網(wǎng)絡RF4CE智能遙控器實現(xiàn)照明系統(tǒng)的遙控操作。由于RF4CE技術內(nèi)置IEEE 802.15.4協(xié)議、兼容傳統(tǒng)的紅外遙控器，具有智能化、低功耗的特點，具有較高的控制信號傳輸距離與抗干擾性能力，其頻率選擇性衰落較低，傳輸過程不受障礙物影響，完全能夠保證遙控操作的可靠性。

2.2 軟件設計

照明系統(tǒng)軟件依據(jù)軟件工程的通用實施要求進行，軟件以模塊化形式體現(xiàn)，由此簡化程序調試、維護過程，增強程序的魯棒性，有效降低程序的復雜度，全面提升系統(tǒng)程序的執(zhí)行效率和實時能力。軟件主要包括PC機主模塊、協(xié)調器模塊、終端模塊、A/D轉換模塊和調光模塊等，除主模塊以外，其他各類程序均采用中斷方式進行。此處僅對部分軟件結構予以描述。

2.2.1 協(xié)調器、終端程序流程圖

建立并管理網(wǎng)絡是協(xié)調器的主要功能[6]。協(xié)調器主要任務是擔負自適應組網(wǎng)、動態(tài)私網(wǎng)硬件位址劃分以及在網(wǎng)節(jié)點列表維護。協(xié)調器在遍歷非忙信道后刷新ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點組網(wǎng)序列，賦予各節(jié)點持續(xù)在網(wǎng)能力。協(xié)調器組網(wǎng)程序流程圖如圖5所示。協(xié)調器程序流程圖如圖6所示[7]。

圖5 協(xié)調器組網(wǎng)程序流程圖

圖6 協(xié)調器程序流程圖

終端節(jié)點執(zhí)行協(xié)調器指令并實施燈具的開關操作，并回饋協(xié)調器節(jié)點完成控制指令以后的光照效果狀態(tài)。終端節(jié)點在系統(tǒng)加電后遍歷信道搜尋最適宜的協(xié)調器，以便參與組網(wǎng)，當組網(wǎng)成功后則周期性的將采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給協(xié)調器。終端節(jié)點的程序流程圖如圖7所示。

圖7 終端節(jié)點的程序流程圖

2.2.2 PC機軟件管理平臺架構

軟件管理平臺設計結構如圖8所示。軟件管理平臺是圖書館作為運營方而與照明控制系統(tǒng)進行信息交互的媒介。軟件管理平臺主要分為基于C/S架構的照明狀態(tài)字收發(fā)系統(tǒng)程序以及基于B/S架構的照明管理web平臺，前者是客戶端軟件，依靠多線程組建ZigBee網(wǎng)絡連接并將各樓層照明設備狀態(tài)字匯聚到PC機數(shù)據(jù)庫；后者是簡約網(wǎng)站系統(tǒng)，各樓層管理人員通過登陸PC機網(wǎng)站實施集中化管理和控制任意照明現(xiàn)場，PC機網(wǎng)站也能分析數(shù)據(jù)庫照明狀況數(shù)據(jù)，并及時反饋給各級管理人員。

圖8 軟件管理平臺設計結構

軟件管理平臺服務器采用SOCKET接口與網(wǎng)關通信，接收程序將監(jiān)聽到的照明設備狀態(tài)字數(shù)據(jù)凈荷分類寫入MySQL數(shù)據(jù)庫，Web應用程序從該共享數(shù)據(jù)庫獲得光強值、照明開關狀態(tài)等信息，并顯示于可視化界面。管理人員通過身份登錄服務器，完成相關任務的設定照明亮度閾值凈荷由數(shù)據(jù)發(fā)送模塊組包后，以SOCKET方式從固定端口傳送給網(wǎng)關。

3 結語

本文利用ZigBee無線通信技術實現(xiàn)了依據(jù)環(huán)境光線強弱變化實施燈具的智能控制，能夠實現(xiàn)“人來燈亮，人走燈滅”的燈控預想，能夠完成多時段定時燈具控制，也能夠完成燈具遠程控制。利用ZigBee無線傳感技術的智能照明系統(tǒng)具有能耗低、節(jié)約運營成本、施工容線量少而便捷等本色表現(xiàn)，革新了傳統(tǒng)的照明控制方式，應用前景良好。作為一個簡約型的智能照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)的智能控制算法及軟件結構仍需進一步優(yōu)化。

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TN925-34；TP393

A

1673-1093(2014)04-0076-04

賈志城(1969)，男，河北正定人，畢業(yè)于蘭州大學，副教授，專業(yè)：信息與自動控制、刑法學，研究方向：嵌入式系統(tǒng)、圖像處理、信息安全防范。

10.3969/j.issn.1673-1093.2014.04.019

2013-12-10；

2014-01-07