基于zigbee的教室燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋昆

摘 要：針對(duì)建東學(xué)院經(jīng)常出現(xiàn)的“教室無(wú)人燈常亮”以及“教室人少燈大亮”的嚴(yán)重浪費(fèi)現(xiàn)象，提出一種基于Zigbee的無(wú)線智能燈光控制節(jié)能方案，即采用Zigbee功能板光敏傳感器采集光照強(qiáng)度，并通過紅外開關(guān)傳感器記錄教室人數(shù)，綜合判斷教室狀態(tài)，利用繼電器模塊控制燈光亮滅。

關(guān)鍵詞：Zigbee；節(jié)能；光敏傳感器；紅外開關(guān)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.057

隨著建東學(xué)院的不斷發(fā)展，教室不斷擴(kuò)建，教室的用電負(fù)荷不斷加大。我們發(fā)現(xiàn)學(xué)校教學(xué)樓的燈光管理存在這樣的問題：有的教室在自習(xí)時(shí)間空無(wú)一人卻開著“長(zhǎng)明燈”，寥寥三五人卻將整個(gè)教室的日光燈全部開啟，造成巨大的浪費(fèi)。目前對(duì)燈光的智能控制，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開始采用，但對(duì)教室燈光的控制，大部分仍然采用傳統(tǒng)式的人工管理。針對(duì)這些問題，我們?cè)赯igbee基礎(chǔ)上提出了關(guān)于設(shè)計(jì)無(wú)線智能燈光控制系統(tǒng)方案。

1 關(guān)于Zigbee技術(shù)

所謂Zigbee技術(shù)就是一種雙向無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，具有距離短、功耗低、復(fù)雜度低、數(shù)據(jù)速率低、成本低等特點(diǎn)。目前主要是用于工業(yè)之中，在工業(yè)自動(dòng)化的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊中起到了相當(dāng)重要的作用。由于在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中使用，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)具有安裝簡(jiǎn)單，使用方便，可靠性高，低成本等特點(diǎn)。每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)本身就可以作為感應(yīng)終端，在感應(yīng)終端上安裝傳感器來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，還可以成為協(xié)調(diào)器來接收并轉(zhuǎn)發(fā)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過來的數(shù)據(jù)。除此之外，每一個(gè)Zigbee節(jié)點(diǎn)還可在其信號(hào)所及的范圍內(nèi)，和其他不需進(jìn)行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)工作的單獨(dú)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線對(duì)接。

目前Zigbee主要是在2.4GHz和868/915MHz頻段上工作，其中2.4GHz頻段為工業(yè)、醫(yī)學(xué)和科學(xué)頻段，可在全球范圍通用。由Jennic、TI、Freescale等芯片公司相繼推出的單片機(jī)系列芯片和無(wú)線收發(fā)芯片集成的片上系統(tǒng)（SOC）來支持硬件需求。這其中最為成熟的是芯片巨頭TI公司設(shè)計(jì)的CC2430、CC2530集成片上系統(tǒng)，其應(yīng)用也最為廣泛。在軟件方面的設(shè)計(jì)是要在硬件前提下完成的，諸如TI、AirBee、Ember、AirBee、Freescale等公司都提供了Zigbee協(xié)議棧，但目前技術(shù)最成熟使用最廣泛的是TI設(shè)計(jì)的Z-Stack協(xié)議棧，在技術(shù)層面上實(shí)現(xiàn)了完全開源的解決方案。

2 本系統(tǒng)總設(shè)計(jì)方案

基于zigbee技術(shù)的教室燈光控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)由單片機(jī)控制、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)三部分組成，整個(gè)系統(tǒng)呈現(xiàn)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中傳感器節(jié)點(diǎn)有光敏傳感器，負(fù)責(zé)采集光照，將結(jié)果發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。而協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是負(fù)責(zé)建立和維護(hù)整個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，并通過串口將接收到的傳感節(jié)點(diǎn)的光照信息的強(qiáng)弱反饋到單片機(jī)。兩個(gè)紅外開關(guān)傳感器和單片機(jī)中斷接口相連。當(dāng)有人經(jīng)過時(shí)，紅外開關(guān)動(dòng)作，觸發(fā)斷開。單片機(jī)再通過兩個(gè)開關(guān)的先后感應(yīng)順序，判斷來人的進(jìn)出方向，從而記錄教室人數(shù)，再綜合光照信息控制繼電器模塊開關(guān)燈。

3 系統(tǒng)的硬件組成

本設(shè)計(jì)采用了由網(wǎng)蜂科技公司設(shè)計(jì)的Zigbee開發(fā)套件，由TI公司設(shè)計(jì)的CC2530作為本套件的主控芯片。除了擁有RF收發(fā)器外，CC2530還有眾多優(yōu)點(diǎn)，包括集成具有2/64/128/256kB可編程閃存及8kB的RAM的加強(qiáng)型8051單片機(jī)、ADC及看門狗等。CC2530使用低電壓（2.0～3.6V）供電，其工作頻段為2.4GHz，電流消耗較低，待機(jī)時(shí)僅為0.2μA，但靈敏度卻高達(dá)-91dBm、能達(dá)到的最大輸出為+0.6dBm、傳送速率最大為250 kbps。所以要完成ZIGBEE通信功能，只需采用CC2530為主控芯片再添加少許的外圍元件就可以達(dá)到。

本系統(tǒng)由單片機(jī)控制模塊、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)三部分組成，單元處理器、射頻及電源模塊三部分是Zigbee節(jié)點(diǎn)的基本功能，它是利用網(wǎng)蜂科技公司的CC2530核心板和功能底板組合而成。光照傳感器采用光敏電阻。單片機(jī)控制模塊接有一對(duì)紅外開關(guān)傳感器，LCD1602液晶顯示屏以及八繼電器模塊。紅外開關(guān)接在單片機(jī)的外部中斷接口P3.2，P3.3。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)是基于TI公司設(shè)計(jì)的協(xié)議棧ZStack，本設(shè)計(jì)采用的是ZStack-CC2530-2.4.0版本。用戶根據(jù)實(shí)際需要，在終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器項(xiàng)目創(chuàng)建的同時(shí)在App用戶應(yīng)用層創(chuàng)建源文件程序的編寫，由ZStack來完成其他功能。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)、傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)三部分組成。其中傳感器節(jié)點(diǎn)的作用主要是完成光照強(qiáng)弱的采集和發(fā)送，網(wǎng)絡(luò)的管理和維護(hù)由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)，同時(shí)它也是傳感器節(jié)點(diǎn)與單片機(jī)之間傳輸通信數(shù)據(jù)的媒介。單片機(jī)負(fù)責(zé)判斷紅外開關(guān)的狀態(tài)，記錄人員的進(jìn)出并顯示在液晶屏上，根據(jù)教室人數(shù)及光照強(qiáng)弱，分組控制繼電器工作，從而控制教室開燈數(shù)量。

（1）傳感器模塊。傳感器節(jié)點(diǎn)只與協(xié)調(diào)器之間通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的模式來通信，所以在程序中需要設(shè)置點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，傳感器模塊的CC2530通過光敏傳感器來獲取光照信息，然后調(diào)用發(fā)送函數(shù)用點(diǎn)播的將形式將光照信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器。

（2）協(xié)調(diào)器模塊。協(xié)調(diào)器和傳感器控制模塊之間采用廣播形式。有無(wú)線信號(hào)接收時(shí)，調(diào)用處理信息函數(shù)，ClassAppCoorder_MessageMSGCB，提取光照強(qiáng)弱數(shù)據(jù)。

由于協(xié)調(diào)器與單片機(jī)利用串口通信，所以在CC2530模塊中還需要有串口功能，將MT頭文件添加在程序中，并在初始化程序中調(diào)用串口登記任務(wù)號(hào)。OSAL操作系統(tǒng)osal_start_timerEx定時(shí)運(yùn)行事件，串口定時(shí)發(fā)送光強(qiáng)信息。

（3）單片機(jī)控制模塊。工作時(shí)，兩個(gè)紅外檢測(cè)開關(guān)安裝在同一高度相距不遠(yuǎn)處。當(dāng)有人通過時(shí)必先有一個(gè)紅外開關(guān)觸發(fā)中斷，在中斷處理中關(guān)閉所有中斷，另一中斷暫時(shí)不起作用。待一定時(shí)間后人員全部通過，全部中斷重新再打開。人在不同的方向經(jīng)過，引發(fā)中斷不同，進(jìn)而判斷是該加計(jì)數(shù)還是減計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)結(jié)果顯示在液晶屏上。

參考文獻(xiàn)：

[1]高守瑋，吳燦陽(yáng).zigbee技術(shù)實(shí)踐教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[2]王小強(qiáng)，歐陽(yáng)駿，黃寧淋.zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[3]楊居義.單片機(jī)課程設(shè)計(jì)實(shí)例教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.