基于Zig Bee的客船智能燈光管理系統(tǒng)設計

孫彥剛 侯婷婷 歐書博 李君義

摘 要：客船的智能燈光管理系統(tǒng)是實現(xiàn)安全航行的重要保障，客船中傳統(tǒng)的燈光系統(tǒng)在節(jié)能、安全方面仍存在不足，為了滿足客船的需求，本文設計了基于Zig Bee網(wǎng)絡的客船智能燈光管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過Zig Bee網(wǎng)絡將客船上生活區(qū)域的所有燈具通過網(wǎng)絡連接，實現(xiàn)燈具之間無線控制，可根據(jù)不同時段、不同區(qū)域對燈光進行調節(jié)，整個系統(tǒng)調試及問題分析滿足遠程操作需要。

關鍵詞：智能照明;客船;Zig Bee網(wǎng)絡;節(jié)能

中圖分類號：U665? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）12-0052-03

客船作為一種用于娛樂航海的船舶，具有經(jīng)濟、高效、簡便的特有優(yōu)勢，在我國沿海地區(qū)得到迅猛發(fā)展。近幾年，隨著科技的發(fā)展和生活水平的提高，對智能化、節(jié)能化和舒適化的需求越來越強烈[1]，而燈光管理系統(tǒng)是客船艙室內部裝修重要的一環(huán)，該系統(tǒng)是客船安全性、功能性、舒適性、環(huán)保性等諸多方面的綜合體現(xiàn)[2]。

目前市面上智能照明系統(tǒng)多為安裝在酒店及住宅內[3]，而這些系統(tǒng)的安全及控制原理難以滿足客船的需求;因此，為改進客船的燈光管理系統(tǒng)，提高整個系統(tǒng)的智能化和節(jié)能化，針對客船的生活公共照明區(qū)域[4]，本文提出并設計了一種基于Zig Bee網(wǎng)絡的客船智能燈光管理系統(tǒng)，通過對原有智能照明系統(tǒng)的改進，使本文設計的該系統(tǒng)能夠滿足客船的需求[5]。

1智能燈光管理系統(tǒng)的特點

智能燈光管理系統(tǒng)以智能網(wǎng)關為核心，采用圖形化的控制界面，系統(tǒng)的智能化通過總線實現(xiàn)，中央管理平臺和智能終端通過網(wǎng)絡進行對等通訊，各控制模塊之間的信息傳遞可以實時進行，可以通過編程來實現(xiàn)各種調光需求;也可根據(jù)不同的時間段和不同區(qū)域，設置燈具的運行狀態(tài);當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可以通過遠程操作進行系統(tǒng)修復。

1.1集成性

智能化照明控制系統(tǒng)是集計算機技術、網(wǎng)絡通信技術、自動控制技術等于一體的現(xiàn)代控制系統(tǒng)。

1.2使用便利

在設計智能燈光管理系統(tǒng)時，應根據(jù)游客對智能化的需求，整合該智能系統(tǒng)可實現(xiàn)的控制功能，進行設計;該智能控制系統(tǒng)的控制方式并不是唯一的，為了保證操作過程的簡單化，體驗感更好，采用圖形化的界面，操作內容直觀，操作步驟簡單，避免了游客的排斥心理。

1.3可靠性

為了保證游客的舒適性和便利性，系統(tǒng)的安全性、可靠性必須得到保證，確保整個客船房間內的燈光系統(tǒng)可以24小時正常運行。例如電源、系統(tǒng)存儲等方面采取相應的容錯措施，保證系統(tǒng)的性能和正常運行，不受環(huán)境變化的影響。

1.4方便性

整個系統(tǒng)的設計，由于空間有限，觸屏設備本身的尺寸要合理，布線要簡單。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時， 既可以現(xiàn)場檢修也可以實現(xiàn)遠程操作維修。這種遠程操作的方式，保證了時效性，提高工作效率，不浪費游客游玩的時間;此外，系統(tǒng)設置與版本更新也可以通過遠程操作實現(xiàn)，保證了系統(tǒng)保養(yǎng)與維護的便利性，降低了維護成本。

1.5智能化

提高燈光管理系統(tǒng)的智能化，使該系統(tǒng)成為一個可以實現(xiàn)信息采集和輸送、邏輯分析等功能的控制系統(tǒng)。

2智能燈光管理系統(tǒng)的功能

本文所設計的智能燈光管理系統(tǒng)，應用于客船中，主要能夠實現(xiàn)以下功能：

（1）具有三種工作模式：白天模式，夜間繁忙、空閑模式，夜間智能模式。

（2）系統(tǒng)中有傳感器檢測系統(tǒng)，通過對光照強度進行檢測，判斷出是白天還是黑夜，若為白天，則所有的燈自動調為休息狀態(tài);若為黑夜，在繁忙時間段，燈具按100%功率工作，此時高亮顯示，在智能和空閑模式下，燈具按照額定功率的30%工作，此時低亮顯示。

（3）當有人經(jīng)過時，燈具自動高亮照明。根據(jù)行人前進的方向，相鄰燈之間可以實現(xiàn)信息傳遞，一方面可以提前開啟下一盞路燈，另一方面，對于人前進的反方向的路燈，恢復到低亮。

（4）根據(jù)客船上游客的生活作息時間設定夜間燈具工作的不同模式。

（5）有應急功能，當發(fā)生緊急情況時，所有的燈都高亮顯示。

（6）可以通過系統(tǒng)控制任意燈具的開和關，可實現(xiàn)遠程操作，利于維修和管理。

（7）在中心管理平臺可以查詢到所有燈的工作情況，當有燈出現(xiàn)故障或者工作模式異常時，可以通過自動報警功能得到反饋信息。

3智能燈光管理系統(tǒng)的組成

智能燈光管理系統(tǒng)，以Zig Bee網(wǎng)絡作為通信手段。Zig Bee是一種短距離、低功耗、低速度的無線接入技術。該技術廣泛應用于家具智能、災害防治等眾多領域。該智能燈光管理系統(tǒng)由兩部分組成，分別為中心管理平臺、控制模塊組成。

3.1中心管理平臺

所有燈之間都是通過Zig Bee網(wǎng)絡進行信息傳遞，每個燈具都是一個通信節(jié)點。通過無線方式將燈具的工作狀態(tài)反饋到中心管理平臺。中心管理平臺的Zig Bee節(jié)點作為網(wǎng)絡的協(xié)調器，負責建立和管理整個Zig Bee網(wǎng)絡。由于終端已經(jīng)完成組態(tài)，即便網(wǎng)絡通訊出現(xiàn)故障，管理平臺仍然能夠獨立工作，完成采集和控制功能。正常時，中心管理平臺顯示所有燈的工作信息。圖像化的中心管理平臺如圖1所示。

3.2控制模塊

控制模塊相當于系統(tǒng)的輸出響應部分，通過接收來自網(wǎng)絡傳輸?shù)男盘枺瑢崿F(xiàn)對各個設備的實時控制;燈具的Zig Bee節(jié)點選擇路由器和終端器，路由器和終端器間隔分布。此外，控制模塊自身可以通過編程來實現(xiàn)各種調光需求，也可以采集相關燈具的運行狀態(tài)。

4智能燈光管理系統(tǒng)的硬件設計

基于Zig Bee的智能燈光管理系統(tǒng)由中心管理平臺、控制端組成，中心管理平臺負責管理所有燈具的信息，控制端負責控制照明燈的狀態(tài)。

4.1中心管理平臺硬件設計

在Zig Bee網(wǎng)絡里，中心管理平臺的硬件部分包括電源模塊、傳輸模塊、存儲模塊和微控制器模塊。各個模塊的功能如下：電源為整個系統(tǒng)提供電能，由LDO芯片實現(xiàn);傳輸模塊是整個硬件的核心，主要是建立網(wǎng)絡和對Zig Bee通信網(wǎng)絡進行管理;存儲模塊主要是存儲每個燈具的工作狀態(tài)，查看系統(tǒng)的工作狀態(tài)需要管理員權限;微控制器模塊是傳輸模塊和存儲模塊之間的一個橋梁，實現(xiàn)雙方之間的信息交互。中心管理平臺硬件框圖如圖2所示。

4.2控制端硬件設計

控制端硬件部分由電源模塊、Zig Bee傳輸模塊、探測器模塊組成。其中，傳輸模塊為核心模塊，控制端與中心管理平臺之間通過網(wǎng)絡實現(xiàn)通信。探測器模塊主要由傳感器組成，通過探測器檢測是否有人通過。控制端硬件框圖如圖3所示。

5智能燈光管理系統(tǒng)的軟件設計

5.1中心管理平臺軟件設計

中心管理平臺軟件的功能是：新建Zig Bee網(wǎng)絡，驗證Zig Bee節(jié)點，節(jié)點信息維護。其具體工作流程如圖4所示。

5.2控制端軟件設計

5.3遠程無線通信的實現(xiàn)

如果接收的信號要求將光照強度的相關數(shù)據(jù)傳入控制終端，這時候，啟動另一個傳輸模塊，傳輸模塊與PC終端之間通過串口通信，遠端通信最終通過以太網(wǎng)通信接口實現(xiàn)。

因此，要想實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能，首先遠程終端發(fā)送指令給PC機，這一環(huán)節(jié)通過互聯(lián)網(wǎng)進行通信。發(fā)送完指令后，PC機通過串口與節(jié)點通信，執(zhí)行這一指令，完成監(jiān)控功能。

6智能燈光管理系統(tǒng)在客船上的應用前景

6.1生活區(qū)域的應用

智能燈光管理系統(tǒng)可以通過編程，設定燈光的亮度，來模擬戶外一天中光線的變化，讓船員感受到外界的光線變化，調整船員的生物鐘。

6.2公共區(qū)域的應用

對于船上的公共區(qū)域，例如會議室、餐廳、影院等，可以根據(jù)不同的場合設計不同的模式，滿足不同的需求，提高游客的舒適度。

7結語

智能化是客船燈光管理系統(tǒng)未來的發(fā)展方向。為了提高客船的電力使用效率，本文設計的基于Zig Bee的智能燈光管理系統(tǒng)，并詳細介紹了該系統(tǒng)的組成、系統(tǒng)的功能、系統(tǒng)硬件設計和軟件設計。與傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比，該智能燈光管理系統(tǒng)使用Zig Bee網(wǎng)絡的通信方式，采用圖像化的管理界面，可操作性更強，當出現(xiàn)故障時，維修和調整更方便，以提高游客的體驗感。

參考文獻：

[1]石磊，方靖涵.淺談智能照明控制系統(tǒng)在艦船上的應用[J].廣船科技，2016（2）：28-29.

[2]孫雪，崔曉梅，董玉華.智能家居燈光控制系統(tǒng)設計[J].智能計算機與應用，2019（2）：236-237.

[3]李強，厲波，葉勁秋.長安國際酒店C-Bus智能照明管理控制系統(tǒng)[J].光源與照明，2003（1）：27-29.

[4]劉琦，朱兆優(yōu)，藍賢桂.基于Zig Bee的船舶智能照明系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術，2019（22）：137-139.

[5]侯廣.基于Zig Bee的智能燈光控制系統(tǒng)設計：（碩士學位論文）[D].湖南：湖南大學，2016.

[6]蔣峰，李行，王淑良.基于Zig Bee技術的遠程無線智能燈光控制系統(tǒng)的設計[J].現(xiàn)代電子技術，2017（2）：115-117.

[7]趙汗青，王亞剛，王凱.基于ZigBee無線通信協(xié)議的智能燈光控制系統(tǒng)設計[J].電子技術，2012（10）：62-64.

基金項目：工業(yè)和信息化部高技術船舶項目（MC-201917-C09）;威海市高技術船舶與海工裝備技術創(chuàng)新中心項目;定海區(qū)院地合作項目（2020C51005）。