基于ZigBee技術(shù)的樓道燈協(xié)調(diào)節(jié)能系統(tǒng)

段學(xué)濤 楊梓怡 成思雨 黃烽 許瀚予 于智強(qiáng)

摘要：通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一款基于Zigbee技術(shù)的樓道燈協(xié)調(diào)節(jié)能系統(tǒng)。通過(guò)STM32模塊、人體紅外熱釋電模塊、ZigBee模塊、GPRS模塊、電磁繼電器模塊，將原有的聲控?zé)艨刂菩问睫D(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)控制。在光強(qiáng)低于一定值后系統(tǒng)開(kāi)始工作。通過(guò)檢測(cè)人體的進(jìn)入與離開(kāi)照明區(qū)域，自動(dòng)開(kāi)啟照明。通過(guò)“人進(jìn)燈亮，人走燈滅”的自動(dòng)控制形式，減少了噪音的產(chǎn)生，并且節(jié)約了電能。

關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù);人體紅外熱釋電;自動(dòng)控制;低成本

0 引言

照明與人們的生活緊密聯(lián)系，但也是造成電源浪費(fèi)的不可忽視的一部分。在能源問(wèn)題日益嚴(yán)重的今天，如何在不影響人們正常生活的前提下，減少照明電能消耗成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離、低效率、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，信號(hào)具有很強(qiáng)的穿墻能力。只要布局合理，可使建筑物內(nèi)沒(méi)有無(wú)線通信盲區(qū)。

本文研究基于Zigbee技術(shù)的樓道燈協(xié)調(diào)節(jié)能系統(tǒng)，主要用STM32模塊、人體紅外熱釋電模塊、ZigBee模塊、GPRS模塊、繼電器模塊組成。通過(guò)人體紅外熱釋電模塊、STM32模塊、ZigBee模塊的信息傳遞，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)樓道燈的開(kāi)關(guān)以及樓道燈與樓道燈之間的協(xié)調(diào)，使實(shí)現(xiàn)最優(yōu)、最節(jié)電的照明方式。所有外圍設(shè)備都圍繞STM32，作為STM32的功能模塊與單片機(jī)進(jìn)行信息交換。本系統(tǒng)致力于實(shí)現(xiàn)不再需要手動(dòng)開(kāi)關(guān)或聲源刺激，在滿足人們照明需求的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的樓道燈系統(tǒng)。

1 整體方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)總體主要以ZigBee節(jié)點(diǎn)，熱釋電模塊，GPRS網(wǎng)絡(luò)，ZigBee協(xié)調(diào)器，STM32模塊以及電磁繼電器等組成。

該結(jié)構(gòu)單節(jié)點(diǎn)運(yùn)行過(guò)程：

由光敏電阻來(lái)判斷外界是否需要亮燈，當(dāng)?shù)胶谝箷r(shí)光敏電阻電阻變小，熱釋電模塊可開(kāi)始工作，通過(guò)感應(yīng)當(dāng)在節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)時(shí)人體發(fā)出的紅外光波（人在進(jìn)入節(jié)點(diǎn)區(qū)域受到的光波，以及人在離開(kāi)節(jié)點(diǎn)區(qū)域時(shí)光波消失），傳遞信號(hào)給節(jié)點(diǎn)，再將節(jié)點(diǎn)信號(hào)傳輸給總節(jié)點(diǎn)（ZigBee協(xié)調(diào)器），總節(jié)點(diǎn)將所有信號(hào)匯總交由STM32模塊處理信號(hào)，將反響傳輸回總結(jié)點(diǎn)，再由總結(jié)點(diǎn)把各節(jié)點(diǎn)應(yīng)收到的信號(hào)傳回原節(jié)點(diǎn)，繼而控制通過(guò)電磁繼電器來(lái)控制燈的明滅。

其工作流程為：第一個(gè)紅外熱釋電得到人出現(xiàn)的紅外波信號(hào)，節(jié)點(diǎn)一燈亮，人走入第二節(jié)點(diǎn)，紅外熱釋電2得到感應(yīng)，紅外熱釋電1失去信號(hào)，節(jié)點(diǎn)一燈滅，節(jié)點(diǎn)二燈亮，由此類推，直至所有熱釋電失去感應(yīng)，燈全滅。熱釋電通過(guò)感應(yīng)人體發(fā)出紅外波的出現(xiàn)與消失來(lái)傳遞信號(hào)，達(dá)到控制燈泡亮的時(shí)間，從而節(jié)省電能。

2 系統(tǒng)模塊選擇

2.1 人體紅外熱釋電模塊

HC-SR501是基于紅外技術(shù)的自動(dòng)控制模塊，采用LHI778探頭設(shè)計(jì)，靈敏度高，可靠性強(qiáng)，超低電壓工作模式。實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)感應(yīng)，人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸出高電平，人離開(kāi)感應(yīng)范圍則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平，輸出低電平。具有溫度補(bǔ)償、兩種觸發(fā)方式、感應(yīng)封鎖時(shí)間、微功耗，等特性，可輸出高電平信號(hào)，方便與其他電路實(shí)現(xiàn)對(duì)接。

2.2 繼電器模塊

繼電器線圈沒(méi)有電壓時(shí)，繼電器沒(méi)有吸合，公共端與常閉端接通，當(dāng)有電壓時(shí)，繼電器吸合，公共端與常開(kāi)端接通。接常開(kāi)端時(shí)，當(dāng)信號(hào)觸發(fā)端有高或低電平信號(hào)時(shí)（按設(shè)置功能），繼電器吸合，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合，此時(shí)電路接通，設(shè)備將有電正常工作。接常閉端，當(dāng)信號(hào)觸發(fā)端有高或低電平信號(hào)時(shí)（按設(shè)置功能），繼電器吸合，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)由原來(lái)接通變?yōu)閿嚅_(kāi)，此時(shí)設(shè)備將斷電停止工作。

2.3 GPRS模塊

MC52iR3模塊具備高性能GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)通信的所有條件：芯片內(nèi)部自帶了TCP/IP協(xié)議棧，與服務(wù)器之間的通信變得簡(jiǎn)單，提供標(biāo)準(zhǔn)的AT指令接口，單片機(jī)控制GPRS模塊也很方便，且內(nèi)部包含了基帶處理芯片、供電ASIC、功率放大器以及無(wú)線完整射頻模塊。

2.4 ZigBee模塊

CC2530采用了增強(qiáng)型8051內(nèi)核以及CC2520RF收發(fā)器。具有芯片小，便于微型化設(shè)計(jì)、Flash大，便于程序設(shè)計(jì)、輸出功率大和接收靈敏等特點(diǎn)。CC2530需要的總功耗非常低，但是卻能夠建立起一個(gè)強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)。

3.理論設(shè)計(jì)計(jì)算

在一些居住樓房樓道走廊大部分是聲控?zé)?，然而聲控?zé)粼谌俗吆笕匀灰烈坏絻煞昼娺@樣就造成了電能的浪費(fèi)。我們通過(guò)紅外熱釋電采集信息，通過(guò)GPRS傳輸?shù)絑igBee模塊，STM32處理信息，STM32對(duì)ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)出指令，協(xié)調(diào)器對(duì)各ZigBee節(jié)點(diǎn)的燈做出調(diào)整進(jìn)行斷電，這樣就節(jié)約了電燈在人走后的電量浪費(fèi)或者因其他較大聲音而引起的電量浪費(fèi)。

在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)月，甚至更長(zhǎng)。也就是說(shuō)

干電池的功率計(jì)算為：

1.6Ah×1.5V×2=4.8W

ZigBee每小時(shí)的耗電情況為：

4.8W÷4320≈0.001W

因此ZigBee模塊的耗電基本上可以忽略不計(jì)。

據(jù)調(diào)查一個(gè)聲控?zé)袅寥昼娤牡碾娔?.5W

而由ZigBee控制后：

5/6（W/min）×1min≈1W

一盞燈每亮燈一次就可以節(jié)約1.5W左右，一層樓就至少節(jié)約10×1.5W=15W，一棟樓就至少節(jié)約60×1.5W=90W，依次類推本系統(tǒng)節(jié)約電能的效果非?？捎^。

參考文獻(xiàn)

[1]陳曉艷，高偉，秦歡，房曉東，高娜娜.基于GPRS與ZigBee的LED路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2013，36（10）：62-66

[2]金基宇，王虹元，金桂月，李鵬，牟俊，王智森.基于ZigBee的LED智能照明系統(tǒng)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2016，35（10）：76-81+86.

[3]梁光勝，劉丹娟，郝福珍.基于CC2430的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2010，18（02）：15-18.