基于ZigBee的智能太陽(yáng)傘

袁海朝 高宏宇 王青青

摘要：我國(guó)太陽(yáng)傘僅僅是一個(gè)固定在地面或者指定位置的傘，并不能隨著太陽(yáng)的照射角度來(lái)移動(dòng)位置，完全靠人工移動(dòng)位置來(lái)躲避太陽(yáng)光的照射。如果太陽(yáng)光很強(qiáng)，并且遮陽(yáng)傘無(wú)法移動(dòng)的話(huà)，強(qiáng)烈的太陽(yáng)紫外線(xiàn)很容易把人的皮膚曬傷，并且有一系列不好的影響。這也是傳統(tǒng)太陽(yáng)傘的弊端所在，功能少，不實(shí)用，所以綜合利用ZigBee技術(shù)復(fù)雜度低，功耗低、延時(shí)短、速率低、成本低的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一款智能的太陽(yáng)傘為人們的生活提供了便利。

針對(duì)需要多個(gè)太陽(yáng)傘的海邊、沙灘類(lèi)似地區(qū)的太陽(yáng)傘設(shè)計(jì)方案：在太陽(yáng)傘的兩側(cè)安裝帶有光敏傳感器的終端節(jié)點(diǎn)，通過(guò)傳感器采集東西兩方向的光照度值，并將采集到的光照度發(fā)送到協(xié)調(diào)器端，協(xié)調(diào)器進(jìn)行接收并實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控東西兩邊的光照強(qiáng)度，進(jìn)行光照度的比較和判斷并向電機(jī)發(fā)送相應(yīng)的指令，哪邊的光照度強(qiáng)就給電機(jī)發(fā)送往哪邊轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)智能太陽(yáng)傘的設(shè)計(jì)。

針對(duì)路邊、咖啡館、校門(mén)口攤位需要單個(gè)太陽(yáng)傘地區(qū)的設(shè)計(jì)方案：通過(guò)一個(gè)安裝有兩側(cè)的光敏傳感器的終端節(jié)點(diǎn)和電機(jī)設(shè)備的智能太陽(yáng)傘，根據(jù)自身采集到的東西方向的光照值進(jìn)行電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向的判斷，進(jìn)而進(jìn)行單個(gè)太陽(yáng)傘方向的調(diào)整。

關(guān)鍵詞：ZigBee；智能；光敏傳感器；終端節(jié)點(diǎn)；協(xié)調(diào)器

中圖分類(lèi)號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）20-0202-03

對(duì)太陽(yáng)傘來(lái)說(shuō)，不同行業(yè)的用戶(hù)對(duì)其要求也不盡相同。有的用戶(hù)是用于沙灘風(fēng)景區(qū)，有的用戶(hù)則是在學(xué)校門(mén)口擺攤賣(mài)水，還有的用戶(hù)則是在咖啡廳和西餐廳外面使用，方便顧客等待。但是不論哪一類(lèi)的，它的作用都是遮防太陽(yáng)光直接照射。當(dāng)太陽(yáng)光的紫外線(xiàn)照射皮膚時(shí)，雖然有殺菌作用，但更多的是，對(duì)人類(lèi)的皮表、毛發(fā)和生理環(huán)境等造成不可挽回的傷害。為了保護(hù)皮膚和眼睛，防止紫外線(xiàn)危害，買(mǎi)一把太陽(yáng)傘是必不可少的。自從1890年以來(lái)，隨著大氣層的臭氧層被破壞。太陽(yáng)光紫外線(xiàn)的輻射也就愈加厲害對(duì)人體的傷害則更強(qiáng)。所以太陽(yáng)傘的作用對(duì)于人類(lèi)有著不可替代的作用，無(wú)時(shí)無(wú)刻在奉獻(xiàn)著它們的作用。我們?cè)诤?，路邊商販，街道隨處可以見(jiàn)到太陽(yáng)傘的身影，它們?cè)谘籽紫娜瞻l(fā)揮著巨大的作用。太陽(yáng)傘為人們遮擋太陽(yáng)帶來(lái)短暫的清涼，可是太陽(yáng)傘是固定在地上或者某一個(gè)位置不動(dòng)的，這往往就會(huì)帶來(lái)傳統(tǒng)太陽(yáng)傘的局限性。所以說(shuō)傳統(tǒng)太陽(yáng)傘無(wú)法遮擋任何角度射來(lái)的陽(yáng)光，人們不得不來(lái)回移動(dòng)位置來(lái)躲避陽(yáng)光。這樣極不方便也不省心。智能家居不斷創(chuàng)新于人類(lèi)生活中各領(lǐng)域的應(yīng)用，比戶(hù)外智能來(lái)說(shuō)，更多的我們會(huì)想到室內(nèi)智能家居的應(yīng)用。其實(shí)還有一種智能設(shè)備可以給我們帶來(lái)很大的幫助，那就是太陽(yáng)傘。近些年，越來(lái)越多的科技公司在發(fā)展智能太陽(yáng)傘。所以我們?cè)谙霝槭裁床荒馨l(fā)展智能太陽(yáng)傘？可以根據(jù)陽(yáng)光方向自動(dòng)調(diào)整角度。在太陽(yáng)傘的兩側(cè)放置光敏傳感器，通過(guò)傳感器搜集光敏值的訊息。將搜集到的訊息利用Zig Bee技術(shù)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)發(fā)送。從而利用電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)傘體，從而達(dá)到遮擋陽(yáng)光的作用，這樣就大大減少了對(duì)人體皮膚的傷害，提高太陽(yáng)傘的銷(xiāo)量。

1項(xiàng)目服務(wù)及整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 ZigBee特征

1）低功率：在低功率待機(jī)模式，兩節(jié)普通的5號(hào)電池能夠支撐一個(gè)節(jié)點(diǎn)工作長(zhǎng)達(dá)52年，可能會(huì)更持久，這就是ZigBee技術(shù)的突出優(yōu)勢(shì)。

2）低成本：經(jīng)過(guò)大規(guī)模精簡(jiǎn)協(xié)議，對(duì)通訊控制器的條件進(jìn)行下調(diào)，分析預(yù)料，使用8051的微型控制器運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)的全部功能只需要32KB，對(duì)于實(shí)現(xiàn)子功能節(jié)點(diǎn)起碼要4KB。而且每塊芯片的價(jià)格大約是$2。

3）低速率：ZigBee技術(shù)的工作在一個(gè)較低的速率：20250kbps的。封閉的國(guó)家俄羅斯供應(yīng)的250kbps的，40kbps的和起源數(shù)據(jù)吞吐量可達(dá)到20kbps，以適用于應(yīng)用需要的數(shù)據(jù)傳輸速率較低的情況。

4）附近的：傳輸范圍一般在10100m時(shí)，增大所述RF發(fā)送功率后，也可以提高到13公里，這里提到的是毗鄰節(jié)點(diǎn)的距離。要是中繼線(xiàn)路，并通過(guò)兩節(jié)點(diǎn)互相通信，傳輸?shù)木嚯x可以更長(zhǎng)。

5）容量高：ZigBee可能是各種類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有大量子主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理其他節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)的功能是能夠處理254個(gè)左右的子節(jié)點(diǎn)。不過(guò)在主節(jié)點(diǎn)上可對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，更多的情況下能夠構(gòu)成一個(gè)由6.5萬(wàn)節(jié)點(diǎn)的大型網(wǎng)絡(luò)。

6）延遲短：相對(duì)比，一個(gè)藍(lán)牙的延遲大大超過(guò)了ZigBee的延遲，需要310秒才能夠完成，可是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)僅要3秒。

ZigBee同盟有望在以后的三到四年里，任何一個(gè)家庭可能會(huì)有達(dá)到50個(gè)各類(lèi)型的ZigBee裝備，未來(lái)可能會(huì)實(shí)現(xiàn)任意一個(gè)家庭會(huì)到達(dá)150個(gè)左右的裝置，它的主要應(yīng)用范圍如下：

1）家庭范圍：智能家居包括智能電器，智能電燈，智能窗戶(hù)，智能樓道。

2）工業(yè)范圍：各種的監(jiān)視器，傳感器的制作與應(yīng)用。

3）經(jīng)營(yíng)范圍：智能標(biāo)簽。

4）公共場(chǎng)所：煙霧探測(cè)器； 溫度，濕度檢測(cè)器。

5）農(nóng)業(yè)防治：收集各種土壤信息和氣候信息。

6）醫(yī)療：老年人和病人的緊急尋呼機(jī)和醫(yī)療傳感器的流動(dòng)性。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

我們?cè)O(shè)計(jì)的智能太陽(yáng)傘就是可以通過(guò)光敏傳感器感知哪個(gè)角度的陽(yáng)光更加強(qiáng)烈，傘就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度偏向陽(yáng)光強(qiáng)烈的方向，從而合理的為人們遮住較強(qiáng)的紫外線(xiàn)，避免陽(yáng)光過(guò)于強(qiáng)烈而曬傷皮膚，并且配備太陽(yáng)能充電的功能，使系統(tǒng)更加節(jié)能環(huán)保。該系統(tǒng)主要采用ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，通過(guò)兩側(cè)帶有光敏傳感器的終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行光照采集，協(xié)調(diào)器將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收并上傳到上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控東西兩邊的光強(qiáng)數(shù)值。監(jiān)控界面實(shí)時(shí)顯示東西光照強(qiáng)度并進(jìn)行分析，遠(yuǎn)程控制太陽(yáng)傘向光照強(qiáng)的一側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，云龍湖萬(wàn)人浴場(chǎng)的游客也會(huì)得到更好的庇護(hù)。系統(tǒng)完成的主要任務(wù)是對(duì)傳統(tǒng)太陽(yáng)傘進(jìn)行創(chuàng)新和改造，有效的為游客以及游泳愛(ài)好者遮擋陽(yáng)光，避免不必要的人力損失。系統(tǒng)部署圖和整體流程圖如圖1和圖2所示：

1.3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)由ZigBee無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)和C#上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示判斷并啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)組成。我們?cè)O(shè)計(jì)通過(guò)放置在傘兩側(cè)的光敏傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光源射進(jìn)采集數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器進(jìn)行接收并傳輸?shù)缴衔粰C(jī)并且實(shí)時(shí)監(jiān)控東西兩邊的光照強(qiáng)度，上位機(jī)分析、處理數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器發(fā)送啟動(dòng)電機(jī)的指令，實(shí)現(xiàn)整個(gè)智能太陽(yáng)傘的的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)整體框圖如圖3所示：

2 系統(tǒng)下位機(jī)的功能實(shí)現(xiàn)

2.1 ZigBee無(wú)線(xiàn)芯片的選擇

CC2530是Chipon公司的第一款單芯片2.4GHz的無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)。它具有CC2530無(wú)線(xiàn)芯片所特有的 RF收發(fā)器的高等功用組件以及行業(yè)準(zhǔn)則要求的增強(qiáng)級(jí)別的8051類(lèi)型的微控制器，具有的效用的SoC低難度的發(fā)展空間， 同時(shí)也適用于zigBee 2.4GHz主頻以外的其他裝置。

2.2 ZigBee無(wú)線(xiàn)通信模塊設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是基于ZigBee無(wú)線(xiàn)通信模塊。這兩種類(lèi)型的節(jié)點(diǎn)僅在功能上不同，類(lèi)似的硬件結(jié)構(gòu)。在無(wú)線(xiàn)通信模塊中通過(guò)串行端口的壓力傳感器連接的終端節(jié)點(diǎn)，信號(hào)處理電路后收集的傳感器數(shù)據(jù)連接到針CC2530的硬件配置，CC2530經(jīng)由射頻天線(xiàn)發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

2.3 Stack協(xié)議棧

協(xié)議棧簡(jiǎn)介：

Z-Stack 是Open式協(xié)議棧，此協(xié)議棧適用于 ZigBee 2006規(guī)則，此篇論文所寫(xiě)的軟件代碼被保存在應(yīng)用層目次里，其主要實(shí)現(xiàn)的性能包括 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的建立、數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的傳輸以及數(shù)據(jù)的接收等模塊。

從適用于ZigBee協(xié)議原則的Z-Stack協(xié)議棧軟件生產(chǎn)工廠(chǎng)推出了TI的軟件平臺(tái)所使用的體系，協(xié)議棧經(jīng)過(guò)認(rèn)證的ZigBee同盟的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)。本研究使用ZStack-CC2530-2.5.0堆棧版本，程序編譯調(diào)試環(huán)境選擇IAR EW8051-8.10.1軟件，ZStack配合，CC2530-2.5.0棧文件包含了整個(gè)的ZigBee2007 / PRO協(xié)議棧結(jié)構(gòu)，在本文中，網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)工作主要是協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的被修改，通過(guò)編譯調(diào)試設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)能力，以適應(yīng)各層次的節(jié)點(diǎn)的程序。

協(xié)議棧是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層的總和，在整個(gè)協(xié)議棧包括物理層，媒體訪(fǎng)問(wèn)層，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的四個(gè)基本級(jí)別，ZigBee協(xié)議有許多協(xié)議層，每層中含有多種功能，用數(shù)據(jù)和管理兩種接口來(lái)為上層供給相匹配的服務(wù)。

2.4 光敏傳感器

全球市場(chǎng)上光敏傳感器的品種層出不窮，豐富多彩，它具有各種各樣的品種。光敏傳感器和二極管相比，光敏傳感器則擁有比較大的光電流擴(kuò)大效用，也就是具有很強(qiáng)的靈活性。光敏傳感器擁有了光敏電阻的特征，可以頂替光敏電阻實(shí)現(xiàn)作用，其優(yōu)點(diǎn)就是綠色保護(hù)環(huán)境、統(tǒng)一性好。光敏傳感器的選型智能太陽(yáng)傘在策劃制作的過(guò)程中，我們選用的光敏傳感器型號(hào)是GL5516光敏傳感器。

2.5 光敏傳感器的信息采集

光敏傳感器的信息采集主要是通過(guò)協(xié)調(diào)器以廣播的形式進(jìn)行組網(wǎng)，終端以單播的形式加入網(wǎng)絡(luò)，向協(xié)調(diào)器發(fā)送光強(qiáng)數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器接收通過(guò)串口送給電腦。在電腦串口助手中打開(kāi)。

2.6 單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)的選型

本次設(shè)計(jì)單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)的選擇大體上使用的是ULN2003步進(jìn)電機(jī)。配有步進(jìn)電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)接口。uln2003電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是達(dá)林頓管，擴(kuò)展了很多倍的級(jí)別較高的三極管，用戶(hù)所使用到的管控極也就是它的基礎(chǔ)極，因此僅需要0.7V便可以啟動(dòng)了，啟動(dòng)時(shí)還是要保證2V以上的電壓，以避免不穩(wěn)定運(yùn)行。

2.7 系統(tǒng)電源的選擇

系統(tǒng)電源的選擇，我們首先考慮的是新能源的代表，太陽(yáng)能進(jìn)行供電。因此我們選用硅太陽(yáng)能板，硅太陽(yáng)能電板分為單晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池板三種。單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于單晶硅成本價(jià)格高，單晶硅較為普及，各類(lèi)電壓型號(hào)多，選擇多樣性，而且在陰天或弱光發(fā)電時(shí)效率較高，缺點(diǎn)是面積稍大了一點(diǎn)。但是光電轉(zhuǎn)換率大，即使20多把太陽(yáng)傘設(shè)備的功率也不超過(guò)50W，因此缺點(diǎn)根本不會(huì)影響其在智能太陽(yáng)傘技術(shù)中的應(yīng)用。

3 系統(tǒng)上位機(jī)的功能實(shí)現(xiàn)

3.1 VS2013 C#簡(jiǎn)介

本次項(xiàng)目對(duì)于上位機(jī)的設(shè)計(jì)是基于VS2013 C#來(lái)制作的。該軟件是2013年發(fā)布的，功能十分強(qiáng)大。內(nèi)置asp.net，語(yǔ)言c#，c++，vb，可開(kāi)發(fā)桌面應(yīng)用，手機(jī)應(yīng)用，網(wǎng)站應(yīng)用。應(yīng)用范圍特別廣泛，深受編程人士的喜愛(ài)。界面簡(jiǎn)潔，操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行平穩(wěn)。

3.2 程序系統(tǒng)燒錄

系統(tǒng)程序在硬件部分已經(jīng)燒錄進(jìn)去的情況下，可以進(jìn)入C#界面進(jìn)行調(diào)試。選擇合適的串口，點(diǎn)擊啟動(dòng)，可以看到上位機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示出了光照強(qiáng)度：西邊光強(qiáng)>東邊光強(qiáng)。并無(wú)異常情況，程序運(yùn)行一切正常。

4 結(jié)論

項(xiàng)目目標(biāo)是為云龍湖的萬(wàn)人浴場(chǎng)或其他需求地區(qū)，基于向日葵的追光系統(tǒng)建立一個(gè)實(shí)用高效、智能的太陽(yáng)傘，主要由光敏傳感器采集到光敏信息值，然后通過(guò)zigbee射頻模塊發(fā)送，利用異步電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)傘體，從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)陽(yáng)光方向自動(dòng)調(diào)整角度的目的。此處僅以云龍湖地域做相關(guān)概述。云龍湖是夏天游泳愛(ài)好者聚集的地方，但是岸上的太陽(yáng)傘由于數(shù)量的原因難以支撐強(qiáng)大的人流量，從而致使部分游泳愛(ài)好者上岸休息時(shí)不能得到有利的庇護(hù)從而曬傷。通過(guò)此系統(tǒng)可以有效減少人力成本、避免太陽(yáng)光對(duì)人類(lèi)造成的傷害，使得用戶(hù)得到有效的庇護(hù)。

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