基于ZigBee的高校智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉小莉 楊穩(wěn) 胡慧超 曾欣 凌志友 趙新宇

摘 要：提出一種基于ZigBee技術(shù)的無線智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。其主要由基于BISS0001芯片的信號(hào)處理模塊、基于CC2530芯片的主控制單元、基于ZigBee技術(shù)的照明信息無線傳輸模塊所構(gòu)成的硬件部分和基于上位機(jī)的信息處理與顯示模塊構(gòu)成的軟件部分兩部分組成，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)教室使用率的功能。軟件設(shè)計(jì)包含了基于協(xié)議棧庫函數(shù)編寫的ZigBee無線通信部分和上位機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分。系統(tǒng)對(duì)教室使用率的統(tǒng)計(jì)和節(jié)能兩方面效果顯著。

關(guān)鍵詞：智能照明；ZigBee；CC2530；BISS0001

中圖分類號(hào)：TM923 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）02-0012-03

Abstract：The design and implementation of wireless intelligent lighting system based on ZigBee technology is discussed. The utility model mainly comprises a signal processing module based on the BISS0001 chip，a main control unit based on the CC2530 chip，a hardware component formed by the ZigBee technology-based illumination information wireless transmission module，and a software component formed by the information processing and display module based on the upper computer. Realizes the ability to monitor and count classroom usage in real time. The software design includes the ZigBee wireless communication part and the upper computer system software design part written based on the protocol stack library function. The system has significant effects on both classroom statistics and energy efficiency.

Keywords：intelligent lighting；ZigBee；CC2530；BISS0001

0 引 言

現(xiàn)如今人們已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)飛速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。物聯(lián)網(wǎng)是指由事物連接的互聯(lián)網(wǎng)。通過智能感知、辨認(rèn)技術(shù)和普適計(jì)算等通信感知技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)融合中得到普遍應(yīng)用。并且智能家居、智能電器等一系列物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)物已經(jīng)逐漸出現(xiàn)在人們的生活。在這樣的大環(huán)境下，適用于高校的智能照明系統(tǒng)自然而然應(yīng)運(yùn)而生。而在物聯(lián)網(wǎng)的底層，最主要的工具便是各種各樣的無線通信手段。其中主要有WiFi、藍(lán)牙以及ZigBee無線通信。基于WiFi的智能照明系統(tǒng)已經(jīng)有了很不錯(cuò)的表現(xiàn)[1]，然而WiFi的功耗和復(fù)雜度也一直是困擾我們的地方[2]?；谒{(lán)牙的智能照明系統(tǒng)同樣有所進(jìn)展[3]，但是藍(lán)牙的傳輸距離就遠(yuǎn)不盡人意。而ZigBee無線通信則相對(duì)二者更適合于高校智能照明系統(tǒng)這種距離適中、多點(diǎn)傳輸?shù)那闆r。本文所設(shè)計(jì)的高校智能照明系統(tǒng)一方面能延長燈的壽命，減少電量損耗，另一方面監(jiān)控系統(tǒng)能便于想要自習(xí)的學(xué)生尋找適合學(xué)習(xí)的教室并且可以達(dá)到一定的安防效果，具有極高的環(huán)保價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)用于對(duì)高校教室的電燈實(shí)現(xiàn)智能控制與監(jiān)控，所以在設(shè)計(jì)時(shí)將本系統(tǒng)主要分成硬件端設(shè)計(jì)和軟件端設(shè)計(jì)兩部分。硬件端通過傳感器探測(cè)人體紅外信號(hào)和光照強(qiáng)度信號(hào)，將獲取到的信號(hào)通過BISS0001處理芯片進(jìn)行處理來控制繼電器開關(guān)，并將照明信息傳輸給CC2530芯片終端，同時(shí)通過ZigBee雙向無線通信將信號(hào)傳輸給CC2530芯片協(xié)調(diào)器，并通過串口傳輸方式將信息傳輸給上位機(jī)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)教室燈光使用情況的監(jiān)控。總體設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件端設(shè)計(jì)

2.1 傳感器設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)要求教室燈具在感應(yīng)到教室環(huán)境昏暗并且有人使用的情況下自動(dòng)打開，所以在設(shè)計(jì)上使用紅外光敏傳感探頭。該探頭由熱釋電傳感器和光敏電阻構(gòu)成，熱釋電傳感器可通過測(cè)量人體溫度波長范圍的紅光來探測(cè)測(cè)量范圍內(nèi)是否有人；光敏電阻則通過電阻的變化來檢測(cè)環(huán)境光照強(qiáng)度，在通過程序設(shè)計(jì)來判斷是否達(dá)到需要開燈的光照強(qiáng)度。

2.2 基于BISS0001模塊的信息處理單元

從傳感器獲取到信號(hào)后，將信號(hào)由信息處理單元BISS 0001芯片來進(jìn)行處理。BISS0001是一種高性能、低成本、非常穩(wěn)定的傳感器信號(hào)處理IC芯片。通過由兩個(gè)比較器構(gòu)成的雙向鑒幅器抑制了干擾信號(hào)，工作性能穩(wěn)定可靠，有較寬的調(diào)節(jié)范圍，通過少量的外圍元器件搭建簡單的外圍電路就可以構(gòu)成被動(dòng)式的熱釋電紅外傳感模塊，在安防和自動(dòng)化領(lǐng)域有廣泛的運(yùn)用。

在本項(xiàng)目中，使用該芯片進(jìn)行信號(hào)處理的模塊。該電路將從14引腳獲取由熱釋電紅外傳感器檢測(cè)到的人體紅外信號(hào)，經(jīng)由BISS0001內(nèi)部的OP1放大從16引腳輸出，并經(jīng)由C3耦合后，從13引腳輸入再由BISS0001內(nèi)部的OP2將信號(hào)再次放大，與此同時(shí)直流電壓得到抬升，放大后的信號(hào)從OP2的輸出端送到由兩個(gè)比較器COP1和COP2組成的雙向鑒幅器，檢出有效觸發(fā)信號(hào)VS去啟動(dòng)延遲時(shí)間定時(shí)器。同時(shí)結(jié)合此時(shí)R3（R3為光敏電阻）檢測(cè)到的環(huán)境照度情況。根據(jù)光敏電阻的特性，當(dāng)環(huán)境明亮，光照度強(qiáng)時(shí)，電阻值會(huì)降低，使得VC引腳的輸入保持在低電平，從而封鎖觸發(fā)信號(hào)VS，兩者相結(jié)合控制有效輸出信號(hào)VO。其中輸出延遲時(shí)間：Tx≈24576*R9*C7；封鎖時(shí)間：Ti≈24*R10*C6。

2.3 主控制單元CC2530

CC2530是基于2.4-GHz IEEE802.15.4國際標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee無線通信而設(shè)計(jì)的使用增強(qiáng)型51處理器的單片機(jī)，其最大的特點(diǎn)是以較低成本建立十分強(qiáng)大的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。在本系統(tǒng)中，選用兩塊CC2530芯片作為ZigBee無線通信的終端和協(xié)調(diào)器。CC2530芯片完美結(jié)合了ZigBee的協(xié)議棧Z-stack，對(duì)ZigBee的網(wǎng)絡(luò)層、物理層、MAC的程序進(jìn)行了封裝，讓使用者可以直接其提供的驅(qū)動(dòng)程序。使用CC2530芯片作為主控制單元比其他ZigBee照明系統(tǒng)來說無線覆蓋范圍更廣[4]，更適用于高校環(huán)境。

2.4 ZigBee無線傳輸

ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低成本、低功耗和低復(fù)雜度的雙向無線通信技術(shù)，它主要用來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制。

終端是ZigBee樹狀網(wǎng)絡(luò)的葉子節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)對(duì)BISS0001輸出的電平高低來判斷燈光是否打開，將對(duì)應(yīng)的燈光信息用字符串記錄下來，再將這一信息傳輸給ZigBee協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的建立者，它的主要功能包括建立整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)、初始化網(wǎng)絡(luò)、確定網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)、分配短地址，在本系統(tǒng)中將從終端收到的字符串信息通過串口通信傳輸給上位機(jī)，其中串口波特率配置為9600，8位數(shù)據(jù)和1位停止位。在ZigBee無線通信中，需要滿足其協(xié)議棧函數(shù)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)首先關(guān)閉中斷，再調(diào)用協(xié)議棧所提供的初始化函數(shù)對(duì)物理層、媒介層進(jìn)行初始化，初始化完畢后重新打開中斷，完成組網(wǎng)，并且在OSAL主循環(huán)中通過判斷事件是否發(fā)生以及優(yōu)先級(jí)來判別事件的執(zhí)行順序，主要程序設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

3 軟件端設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)還需實(shí)現(xiàn)對(duì)教室燈光使用情況的監(jiān)控，所以在上位機(jī)基于C#語言實(shí)現(xiàn)了一款窗體應(yīng)用程序，在此程序中，“打開”和“關(guān)閉”這一對(duì)按鈕用于控制是否打開串口通信來接收來自ZigBee協(xié)調(diào)器的信號(hào)；消息監(jiān)控區(qū)則顯示當(dāng)前獲取的信號(hào)內(nèi)容以便于進(jìn)行錯(cuò)誤排查；教室照明使用情況區(qū)域是通過獲取到的信號(hào)，直接以圖形的形式顯示出教室燈光使用情況；教室使用情況歷史記錄是通過計(jì)算教室燈光使用時(shí)間來展示在哪些日期教室使用燈光的時(shí)間較多或較少，判別標(biāo)準(zhǔn)是以每盞燈的照明時(shí)間相加是否超過一天的1/6來計(jì)算；教室當(dāng)日情況以曲線圖的形式顯示教室內(nèi)燈光的使用率，使用率為已打開的燈光數(shù)除以總燈光數(shù)。

4 結(jié) 論

本文介紹的基于ZigBee的高校教室智能照明系統(tǒng)主要是解決了高校教室出現(xiàn)“長明燈”的問題，并在此基礎(chǔ)上通過智能感應(yīng)裝置達(dá)到了自動(dòng)控制和節(jié)能的功能。該系統(tǒng)還具有監(jiān)管功能，能有效的統(tǒng)計(jì)教室的使用情況，以便于學(xué)生從上位機(jī)的監(jiān)控公共平臺(tái)快速找到空教室進(jìn)行自習(xí)，這樣便能大大減少不必要的人力和時(shí)間上的浪費(fèi)。但依然需要進(jìn)行更深一步的研究和改善。在信息采集的模塊里可以加入對(duì)人數(shù)的檢測(cè)和視頻監(jiān)控器的控制等，集成多種方式對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)。在上位機(jī)的界面和功能設(shè)計(jì)都可以進(jìn)一步優(yōu)化。由此可見，該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)具有一定的實(shí)用性和現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：劉小莉（1996-），女，漢族，湖南衡陽人，本科，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)；楊穩(wěn)（1996-），男，漢族，湖南衡陽人，本科，電子工程師，主要研究方向：自動(dòng)控制；通訊作者：趙新宇（1970-），男，漢族，湖南湘潭人，博士，副教授，課題指導(dǎo)老師，主要研究方向：信號(hào)處理，測(cè)控技術(shù)，微納制造。