基于Zigbee無線傳感器網絡的智能燈光跟隨系統

吳志輝，劉麗玨，孫世穎，盧紅海，焦 桐

（中南大學 信息科學與工程學院，湖南 長沙 410083）

目前，在我國，資源消耗高、浪費大等問題很嚴重，隨著經濟的快速增長和人口的不斷增加，資源不足的矛盾更加突出，建設節約型社會已刻不容緩。節約不僅要減少消費，而且要提高利用效率。建設節約型社會的最大動力在于科技創新。節能性產品成為社會追求的目標[1]。

ZigBee是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網通訊技術。Zigbee無線傳感器網絡以其自組網，體積小，低功耗的優勢已在很多地方得到應用。基于此，本文設計了一種基于Zigbee無線傳感器網絡的智能燈光跟隨系統，該系統利用Zigbee無線傳感器網絡和嵌入式控制器，實現了有人時，燈光緊隨人的移動而移動，無人時，燈自動熄滅。避免了長時間、大范圍不必要的照明造成的電能的浪費，達到節能的效果。

1 系統的總體構架

整個系統的布署的拓撲結構如圖1，該系統基于Zigbee的WSN技術[2]，利用Zigbee的低耗能，低成本，高擴充性，免頻段使用費的優點，構建一個無線傳感器網絡。該系統可分為Zigbee無線傳感器網絡，嵌入式控制機構和執行裝置，Zigbee無線傳感器網絡是由一個協調器節點和若干傳感器節點組成的星型網絡，負責采集環境中人員存在方位的信息；Zigbee網絡中傳感器節點分布在房間和走廊的各個角落，實時監測特定區域的人員存在方位的信息。協調器節點負責建立并維護網絡，收集到傳感器節點采集到的信息，并通過UART方式傳給主控制器。主控制器分析采集的數據，判斷人員的方位，控制舵機的轉向和燈的亮和滅，實現燈光跟隨功能。

圖1 系統的總體部署Fig.1 The overall arrangement of the system

2 系統的硬件設計

本系統的硬件主要包括3部分：無線傳感器網絡，嵌入式器PXA270和舵機、照明設備執行機構。

2.1 Zigbee無線傳感器網絡

本系統采用的無線傳感器網絡的核心是基于TI公司生產的CC2430開發的無線模塊，CC2430結合一個高性能2.4 GHz DSSS射頻收發器核心和一顆工業級小巧高效的8051控制器，擁有 8～14位 ADC、DMA，定時、計數器、USART、AES-128協處理器、睡眠模式定時器、看門狗、上電復位和掉電檢測電路以及21個可編程引腳，是一顆真正的系統芯片（SoC）CMOS解決方案。

系統中的無線傳感器網絡由一個協調器節點和若干傳感器節點組成，傳感器節點由數據采集模塊，數據處理模塊，無線通信模塊，電源模塊組成，電路圖如圖2所示。

連接人體紅外模塊HC-SR501。HC-SR501是基于紅外線技術的自動控制模塊，采用德國原裝進口LHI778探頭設計，靈敏度高，可靠性強。人進入其感應范圍則輸出高電平，人離開感應范圍則自動延時關閉高電平，輸出低電平[3]。人體紅外傳感器的OUT輸出端口連接到CC2430的I/O口上，把I/O口設置為輸入模式，通過檢測I/O端口的高低電平就能得到人員是否存在的信息。協調器節點功能相當于網關節點，在本系統中充當與主控制器通信的硬件，其組成如圖3所示，包括CC2430射頻模塊，仿真下載模塊，UART，開關和LED指示燈。Zigbee節點組成星狀網絡，所有的傳感器節點都將采集到的信息實時發送到協調器節點。

圖2 傳感器結點電路圖Fig.2 Circuit diagram of the sensor node

圖3 協調器結點的組成Fig.3 The composition of coordinator node

2.2 嵌入式控制平臺和執行機構

系統中采用的主控制器為Intel公司生產的PXA270，PXA270基于ARMv5E的Xscale核心，最高頻率可達624 MHz，是一款性能極其強勁的嵌入式處理器，系統的控制機構結構如圖4，PXA270通過串口連接Zigbee協調器節點，通過PWM模塊堆垛機進行控制，I/O端口連接光耦芯片TPL521-4，利用I/O口的高低電平控制TPL521-4輸出的導通和截止，照明裝置的電源線連接到TPL521-4的輸出端口，并固定在在舵機上，隨舵機而轉動。

3 系統的軟件設計

3.1 無線傳感器網絡的設計

圖4 控制系統的結構Fig.4 The structure of control system

系統中Zigbee節點的軟件設計移植了Z-stack協議棧[4]，該協議棧提供了完整的路由協議，并對應用層是完全透明的，只需將數據下發至協議棧，協議棧便會自動尋找路徑，因此在程序開發上，主要是在Z-stack協議棧的基礎上，完成協調器節點和傳感器節點的程序設計。

1）協調器節點的軟件設計

協調器節點是整個網絡的核心，負責網絡的建立和管理，工作流程圖如圖5所示。系統上電后，首先初始化硬件和協議棧，初始化完成后，協議棧掃描出一個合適的信道建立一個網絡[5]。當有設備請求加入時，協調器負責分配它一個16位的短地址，并允許加入網絡，組網完成后，協調器節點開始接受從傳感器節點傳送過來的數據并通過串口傳至嵌入式控制器。

2）傳感器節點的設計

圖5 協調器節點工作流程圖Fig.5 The work flowchart of coordinator node

傳感器節點工作流程圖如圖6，其主要通過無線傳輸的方式，將采集到的人員信息送至協調器節點[6]。完成CC2430的初始化后，開始掃瞄信道，尋找到合適的網絡，發送加入網絡信息，得到確認后，開始進入休眠狀態，等待定時器喚醒，收到喚醒指令后，開始通過傳感器采集信息，并發至其父節點。

圖6 傳感器節點工作流程圖Fig.6 The work flowchart of sensor node

3.2 嵌入式控制器的軟件設計

PXA270通過串口接收Zigbee節點采集到的信息，根據Zigee的16位物理地址和相應采集到人是否存在的信息來確定人員的方位，工作流程如圖7所示，首先，檢測是否有節點返回有人存在的信息，如果無人存在，則把I/O口的輸出設置為低電平，使燈熄滅，否則，I/O設置為高電平，燈亮起，然后根據返回的Zigbee的物理地址，判斷是哪個節點返回的信息，從而確定人員存在的大致方位，進而控制舵機轉動，使燈光照向這個方位。

圖7 PXA270工作流程圖Fig.7 The work flowchart of PXA270

4 系統測試

實驗時，在實驗室搭建了1個小的模型，其中的無線傳感器網絡包含1個協調器節點和3個傳感器節點 （Zigee節點實物如圖8），傳感器節點均勻地分布在走廊的兩側，PXA270和照明裝置（實物如圖9）放在了較高的柜子上。

Zigbee節點上電后，過了大約5 s，開發板上的led顯示網絡建立完成，當人走過時，燈自動的開啟，舵機轉動，照向人存在的方位，當人走動的時候，舵機隨之轉動。當人離開檢測區域時，照明裝置自動熄滅，實驗結果表明，該系統可以正常工作。

圖8 Zigbee節點實物Fig.8 Zigbee node physical

圖9 PXA270和照明裝置Fig.9 PXA270 and lighting devise

5 結束語

文中采用無線傳感器技術、Zigbee技術、傳感器技術、嵌入式技術和計算機技術構建智能燈光跟隨系統，實現對人體的檢測并使燈光跟隨人體移動，從而達到節能環保的效果。本系統具有成本低、低功耗、檢測準確、實用性強等特點，非常適合在走廊、道路等場所使用，具有很好的經濟效益和社會價值。目前，我們尚處在實驗階段，正在進行產品化過渡。

參考資料：

[1]徐鳳剛.電力行業節能減排形勢與對策 [J].環境保護，2007（380）:38-40.

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[2]紀晴，段培永，李連防，等.基于Zigbee無線傳感器網絡的智能家居系統[J].計算機工程與設計，2008，6（12）:2064-3067.

JI Qing，DUAN Pei-yong，LI Lian-fang，et al.Research and implementation of intelligent home based on ZigBee wireless sensor network[J].Computer Engineering and Design，2008，6（12）:2064-3067.

[3]孫利民，李建中，陳渝.無線傳感器網絡[M].北京.清華大學出版社，2005.

[4]張冶斌，徐曉玲，閻連龍.基于Zigbee無線傳感器網絡定位問題的研究[J].國外電子元器件，2008（7）:13-15.

ZHANG Ye-bing，XU Xiao-ling，YAN Lian-long.Study on localization of wireless sensor network based on Zigbee wireless sensor[J].Foreign Electronic Components，2008（7）:13-15.

[5]李本佳.無線傳感器網絡中分布式定位算法[D].杭州：浙江大學，2007.

[6]馮琳.無線傳感器網絡及ZigBee技術的應用研究[D].合肥：合肥工業大學，2006.