基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能照明系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

孫海艷+陳偉+王娜

摘 要： 針對當(dāng)前的照明系統(tǒng)存在智能化程度低、調(diào)節(jié)能力差的問題，導(dǎo)致能耗較高，提出一種基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能照明系統(tǒng)設(shè)計方法，根據(jù)外面環(huán)境中的亮度、能見度、污染物濃度等參數(shù)構(gòu)造智能化控制模型，以照明系統(tǒng)的輸出功率為約束條件，引入占空比控制算法，對最佳節(jié)能點進(jìn)行尋優(yōu)，通過迭代計算，配合傳感器節(jié)點硬件模塊進(jìn)行智能化調(diào)節(jié)。以真實模塊為例進(jìn)行測試，設(shè)計的系統(tǒng)可以智能化地調(diào)節(jié)照明系統(tǒng)的工作條件，最大程度的節(jié)約能源，達(dá)到實用要求。

關(guān)鍵詞： 智能照明； 傳感網(wǎng)絡(luò)； 占空比算法； 節(jié)能

中圖分類號： TN710?34； TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）11?0183?04

Design and implementation of intelligent illumination system

based on ZigBee wireless sensor network

SUN Haiyan1， 2， CHEN Wei1， WANG Na2

（1. School of Electrical Engineering， Yanshan University， Qinhuangdao 066004， China；

2. Department of Mechanical and Electrical Engineering， Hebei Construction Material Vocational and Technical College， Qinhuangdao 066000， China）

Abstract： Since the energy consumption is high in the intelligent illumination system due to the low intelligent degree and poor adjustment ability of the current illumination system， a design method of intelligent illumination system based on ZigBee wireless sensor network is put forward. According to the brightness， visibility， pollutant concentration and other parameters in the outside environment， an intelligent control model was structured. Taking the output power of the illumination system as the constraint condition， the duty ratio control algorithm is introduced to search the optimum energy?saving point， and marched up with the hardware module of sensor node by means of iterative calculation to perform the intelligent adjustment. The real module taken as an example was tested. The designed system can adjust the working conditions of the illumination system intelligently， save the energy to the maximum extent， and meet the practical requirements.

Keywords： intelligent illumination； sensor network； duty ratio algorithm； energy saving

0 引 言

近些年，我國的照明智能化、節(jié)能化技術(shù)不斷發(fā)展，使得節(jié)能照明和智能照明技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。由于我國人口眾多，城市化進(jìn)程進(jìn)步較快。在一些大型城市，照明電力能源的消耗已經(jīng)成為一個較為嚴(yán)重的問題。在城市照明系統(tǒng)的建設(shè)中，必須采用相關(guān)技術(shù)對照明設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，保證能耗降低。每年城市照明設(shè)備的能源浪費造成了大量資金被消耗。這也成為困擾城市智能化的重要問題[1?3]。隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進(jìn)步，為智能化照明系統(tǒng)的設(shè)計提供了技術(shù)支持[4]。近些年如何有效降低城市照明系統(tǒng)的能源消耗，成為相關(guān)單位研究的重要課題。我國關(guān)于智能照明系統(tǒng)的研究近年來得到了國家的大力支持，一些重點研究所和相關(guān)的學(xué)者進(jìn)行了大量的理論研究，也取得了很多優(yōu)秀的研究成果，但是還存在智能化程度不高，能耗較高的問題[5?6]。本文提出一種基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能照明系統(tǒng)設(shè)計方法，根據(jù)外面環(huán)境中的亮度、能見度、污染物濃度等參數(shù)構(gòu)造智能化控制模型，以照明系統(tǒng)的輸出功率為約束條件，引入占空比算法，對最佳節(jié)能點進(jìn)行尋優(yōu)，通過迭代計算，配合傳感器節(jié)點硬件模塊，進(jìn)行智能化調(diào)節(jié)。以真實模塊為例進(jìn)行測試，設(shè)計的系統(tǒng)可以智能化地調(diào)節(jié)照明系統(tǒng)的工作條件，最大程度的節(jié)約了能源，達(dá)到了實用要求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

因為智能照明技術(shù)的復(fù)雜性，照明功能必須能夠根據(jù)周邊環(huán)境進(jìn)行智能化的自動調(diào)節(jié)，避免在沒必要的環(huán)境造成浪費。系統(tǒng)整個的設(shè)計過程以ZigBee協(xié)議為基礎(chǔ)，結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡(luò)搭建完成。系統(tǒng)可以結(jié)合周邊環(huán)境的明亮與黑暗程度，自適應(yīng)的對工作模式進(jìn)行合理調(diào)節(jié)。本文的系統(tǒng)照明控制過程選取的調(diào)節(jié)參數(shù)主要是以戶外亮度、能見度、污染物濃度等參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行調(diào)控，通過傳感器網(wǎng)絡(luò)采集外部環(huán)境的信息，無線傳感網(wǎng)絡(luò)對外部數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，傳輸?shù)胶诵奶幚砥餍酒?，核心芯片通過調(diào)動控制器對外部的工作參數(shù)進(jìn)行控制。系統(tǒng)的整體設(shè)計框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

1.1 控制參數(shù)的選取

合理的控制參數(shù)可以提高系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確性。由于在一些特殊環(huán)境下，系統(tǒng)工作的外部環(huán)境較為復(fù)雜，例如，在一些特殊的天氣里，嚴(yán)重的霧霾污染天氣、陰天、能見度較低的雨天等環(huán)境下。傳感器網(wǎng)絡(luò)可結(jié)合采集到的數(shù)據(jù)智能化的通過核心控件控制嵌入式電源，使得外部控制器可以自動開通燈光調(diào)節(jié)功能，達(dá)到節(jié)能的目的。因此，合理的設(shè)計控制參數(shù)就成為后面一系列工作的重點。在參數(shù)采集后，通過對參數(shù)進(jìn)行迭代尋優(yōu)計算，運用粒子群優(yōu)化，實現(xiàn)參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整，實現(xiàn)對輸出能耗的控制。外部環(huán)境的明亮程度是無線傳感網(wǎng)絡(luò)需要采集的最為重要的參數(shù)，外部環(huán)境的明亮度計算如下：

（1）

式中：為明亮誤差控制系數(shù)；為采集的光強度信息；為照射長度模型。

另外，能見度參數(shù)的計算方法如下：

（2）

式中：表示采集得到的能見度參數(shù)；th表示時間參數(shù)，考慮到能見度與人眼對不同光照強度的適應(yīng)角度與時間延長。故設(shè)計了參數(shù)和tan，表示適應(yīng)的高度和角度，一般為20 m，能見度參數(shù)的變化較大。相關(guān)參數(shù)都是通過ZigBee協(xié)議完成傳輸，該協(xié)議是進(jìn)行無線傳感網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)幕A(chǔ)，圖2為該協(xié)議的設(shè)計邏輯結(jié)構(gòu)圖。

圖2 傳輸協(xié)議邏輯結(jié)構(gòu)圖

以光強傳感器為基礎(chǔ)的傳感網(wǎng)絡(luò)通過對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行采集，再通過協(xié)議傳輸給核心控制單元，進(jìn)行信息通信控制。

1.2 系統(tǒng)關(guān)鍵區(qū)域的硬件設(shè)計

在智能化的照明系統(tǒng)中，關(guān)鍵的硬件設(shè)計主要包括核心芯片、傳感器節(jié)點、控制器設(shè)計、電源設(shè)計、相關(guān)存儲單元設(shè)計、模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計、一些儀表接口轉(zhuǎn)換設(shè)計等。為了保證信息采集的精度，該信息采用STM32控制器并通過自行設(shè)計的光學(xué)傳感器對外部的光信息和亮度信息進(jìn)行檢測。其中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計圖如圖3所示。

結(jié)合圖3分析，設(shè)計的傳感器節(jié)點自帶高精度控制器芯片，需要的工作電壓為-5～5 V，為了保證低能耗的特點，節(jié)點設(shè)計中選用功耗消耗很低的芯片ATMEGL128L，該芯片具有很強的兼容性，大大降低了軟件設(shè)計的難度。ATMEGL128L微處理器需要穩(wěn)定的電源作為供電設(shè)備，其抗干擾能力較差，因此，需要電源的抗干擾能力較強。本文設(shè)計的電源電路必須具備較為強大的抗干擾能力。設(shè)計原理如圖4所示。

系統(tǒng)中還需要一個很重要的功能，就是振蕩電路的設(shè)計，在該設(shè)計過程中，需要考慮電流與電壓的變化，在降低電壓后才能進(jìn)行高精度的振蕩操作。振蕩電路的設(shè)計過程也要考慮能耗的消耗，低能耗的設(shè)計過程符合系統(tǒng)的整體設(shè)計思路。設(shè)計原理見圖5。

本系統(tǒng)中采用32.768 kHz低頻振動電路進(jìn)行系統(tǒng)晶振設(shè)計，電路的工作電流較低，直接對接核心處理器。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

在完成系統(tǒng)核心的硬件資源設(shè)計后，需要介紹軟件設(shè)計思路。軟件設(shè)計思路的核心是能夠高效快速的完成調(diào)節(jié)，實現(xiàn)硬件功能最大化，具有可移植性強等特點。本文的軟件設(shè)計以仿真平臺為基礎(chǔ)，考慮嵌入式芯片開發(fā)的特點，完成初始化、信號處理、資源調(diào)度等功能。整體的設(shè)計思路如圖6所示。

圖3 檢測傳感器節(jié)點設(shè)計電路

圖4 電源電路

圖5 振蕩電路的設(shè)計

系統(tǒng)的軟件控制中，對功率的控制主要是使用對中斷事件的響應(yīng)來實現(xiàn)。中斷事件可以有效控制照明電路的關(guān)閉與接通，還可以智能化的實現(xiàn)功率控制。軟件中斷流程如圖7所示。

圖6 系統(tǒng)的軟件設(shè)計框架

圖7 軟件中斷流程

在進(jìn)行調(diào)控的過程中，主要結(jié)合控制參數(shù)對電流控制，對電流的控制主要是通過變換器完成。變換器在電流連續(xù)模式過程中可以通過相關(guān)波形變換完成電流的控制。當(dāng)外部亮度較低的情況下，變換器通過自身控制開關(guān)形成電流的全導(dǎo)通，并維持到外部參數(shù)發(fā)生變化的條件下。當(dāng)外部參數(shù)發(fā)生變化時，其內(nèi)部的變壓器通過增加繞組對電流進(jìn)行調(diào)控。但是，變壓器呈現(xiàn)周期變化，因此其內(nèi)部的調(diào)控精度沒有辦法得到保證。因此電流的調(diào)整精度存在一定的誤差，為了避免這種誤差，可以使電流從一個固定值線性增加到需要值則：

（3）

在需要調(diào)節(jié)的時刻，控制器可以通過開關(guān)對電流進(jìn)行截止、開通操作，并維持到需要的時間，也就是等待外部參數(shù)的傳遞。在需要大幅度調(diào)整電流的參數(shù)控制下，可通過回路中二極管的控制，使得電流從當(dāng)前的下降到需要值則：

（4）

為了保證能量的低功耗，需要在開關(guān)控制過程中實現(xiàn)高精度的控制。首先需要得到準(zhǔn)確的剩余能量信息，根據(jù)能量守恒定律，可以得到在開關(guān)控制過程中，開啟導(dǎo)通條件下的能量關(guān)系：

（5）

式中：為線圈數(shù)量，它能衡量開關(guān)內(nèi)部的控制強度關(guān)系。

通過參數(shù)可以表示電流的強度，是電流的波動參數(shù)變化，是電感強度，參數(shù)是開關(guān)電源的控制參數(shù)，它是十分重要的一個參數(shù)。在外部明亮度充足的條件下，初級繞組的電流在開關(guān)管開啟導(dǎo)通階段可以表示為：

（6）

式中：表示占空比，，當(dāng)系統(tǒng)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)時，只需要改變占空比值就可以改變電流與電壓。在外部環(huán)境沒發(fā)生變化的情況下，可通過改變電感值，使得紋波電流進(jìn)入變換器的其他電流控制模式。

3 實驗結(jié)果分析

本文根據(jù)實際的照明情況搭建了實驗平臺，根據(jù)不同的外部光亮環(huán)境、霧霾程度、光照強度等輸入控制模型進(jìn)行電流調(diào)整。真實的試驗環(huán)境如圖8所示。

表1是在不同的時間段中不同光照對應(yīng)的電流值。通過對表1的試驗結(jié)果進(jìn)行分析可知，本文系統(tǒng)可以做到自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

占空比與電流的調(diào)節(jié)關(guān)系如圖9所示。由圖9可知，該系統(tǒng)可以通過占空比實現(xiàn)智能化的電流調(diào)節(jié)。

4 結(jié) 語

從目前來看，智能化照明控制產(chǎn)業(yè)還是一個新興的產(chǎn)業(yè)。由于節(jié)能減排是我國當(dāng)前一項十分重要的國策，因此要求照明系統(tǒng)必須具備高效、節(jié)能、智能等特點，因此發(fā)展低碳環(huán)保的智能化照明設(shè)備，是未來研究的重點。智能化的照明設(shè)備會逐步取代白熾燈和高能耗燈。

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