基于zigbee的教室燈光控制系統(tǒng)設計

宋昆

摘 要：針對建東學院經(jīng)常出現(xiàn)的“教室無人燈常亮”以及“教室人少燈大亮”的嚴重浪費現(xiàn)象，提出一種基于Zigbee的無線智能燈光控制節(jié)能方案，即采用Zigbee功能板光敏傳感器采集光照強度，并通過紅外開關傳感器記錄教室人數(shù)，綜合判斷教室狀態(tài)，利用繼電器模塊控制燈光亮滅。

關鍵詞：Zigbee；節(jié)能；光敏傳感器；紅外開關

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.057

隨著建東學院的不斷發(fā)展，教室不斷擴建，教室的用電負荷不斷加大。我們發(fā)現(xiàn)學校教學樓的燈光管理存在這樣的問題：有的教室在自習時間空無一人卻開著“長明燈”，寥寥三五人卻將整個教室的日光燈全部開啟，造成巨大的浪費。目前對燈光的智能控制，國內(nèi)外已經(jīng)開始采用，但對教室燈光的控制，大部分仍然采用傳統(tǒng)式的人工管理。針對這些問題，我們在Zigbee基礎上提出了關于設計無線智能燈光控制系統(tǒng)方案。

1 關于Zigbee技術

所謂Zigbee技術就是一種雙向無線網(wǎng)絡通信技術，具有距離短、功耗低、復雜度低、數(shù)據(jù)速率低、成本低等特點。目前主要是用于工業(yè)之中，在工業(yè)自動化的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊中起到了相當重要的作用。由于在工業(yè)現(xiàn)場中使用，無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡具有安裝簡單，使用方便，可靠性高，低成本等特點。每個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點本身就可以作為感應終端，在感應終端上安裝傳感器來實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的無線傳輸，還可以成為協(xié)調(diào)器來接收并轉(zhuǎn)發(fā)別的網(wǎng)絡節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)。除此之外，每一個Zigbee節(jié)點還可在其信號所及的范圍內(nèi)，和其他不需進行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)工作的單獨網(wǎng)絡節(jié)點進行無線對接。

目前Zigbee主要是在2.4GHz和868/915MHz頻段上工作，其中2.4GHz頻段為工業(yè)、醫(yī)學和科學頻段，可在全球范圍通用。由Jennic、TI、Freescale等芯片公司相繼推出的單片機系列芯片和無線收發(fā)芯片集成的片上系統(tǒng)（SOC）來支持硬件需求。這其中最為成熟的是芯片巨頭TI公司設計的CC2430、CC2530集成片上系統(tǒng)，其應用也最為廣泛。在軟件方面的設計是要在硬件前提下完成的，諸如TI、AirBee、Ember、AirBee、Freescale等公司都提供了Zigbee協(xié)議棧，但目前技術最成熟使用最廣泛的是TI設計的Z-Stack協(xié)議棧，在技術層面上實現(xiàn)了完全開源的解決方案。

2 本系統(tǒng)總設計方案

基于zigbee技術的教室燈光控制系統(tǒng)總體結(jié)構如圖1所示，該系統(tǒng)由單片機控制、協(xié)調(diào)器節(jié)點和傳感器節(jié)點三部分組成，整個系統(tǒng)呈現(xiàn)星型拓撲結(jié)構。其中傳感器節(jié)點有光敏傳感器，負責采集光照，將結(jié)果發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點。而協(xié)調(diào)器節(jié)點是負責建立和維護整個監(jiān)測網(wǎng)絡，并通過串口將接收到的傳感節(jié)點的光照信息的強弱反饋到單片機。兩個紅外開關傳感器和單片機中斷接口相連。當有人經(jīng)過時，紅外開關動作，觸發(fā)斷開。單片機再通過兩個開關的先后感應順序，判斷來人的進出方向，從而記錄教室人數(shù)，再綜合光照信息控制繼電器模塊開關燈。

3 系統(tǒng)的硬件組成

本設計采用了由網(wǎng)蜂科技公司設計的Zigbee開發(fā)套件，由TI公司設計的CC2530作為本套件的主控芯片。除了擁有RF收發(fā)器外，CC2530還有眾多優(yōu)點，包括集成具有2/64/128/256kB可編程閃存及8kB的RAM的加強型8051單片機、ADC及看門狗等。CC2530使用低電壓（2.0～3.6V）供電，其工作頻段為2.4GHz，電流消耗較低，待機時僅為0.2μA，但靈敏度卻高達-91dBm、能達到的最大輸出為+0.6dBm、傳送速率最大為250 kbps。所以要完成ZIGBEE通信功能，只需采用CC2530為主控芯片再添加少許的外圍元件就可以達到。

本系統(tǒng)由單片機控制模塊、協(xié)調(diào)器節(jié)點和傳感器節(jié)點三部分組成，單元處理器、射頻及電源模塊三部分是Zigbee節(jié)點的基本功能，它是利用網(wǎng)蜂科技公司的CC2530核心板和功能底板組合而成。光照傳感器采用光敏電阻。單片機控制模塊接有一對紅外開關傳感器，LCD1602液晶顯示屏以及八繼電器模塊。紅外開關接在單片機的外部中斷接口P3.2，P3.3。

4 系統(tǒng)軟件設計

程序設計是基于TI公司設計的協(xié)議棧ZStack，本設計采用的是ZStack-CC2530-2.4.0版本。用戶根據(jù)實際需要，在終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器項目創(chuàng)建的同時在App用戶應用層創(chuàng)建源文件程序的編寫，由ZStack來完成其他功能。

系統(tǒng)的軟件設計主要由單片機控制程序設計、傳感器節(jié)點軟件設計及協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設計三部分組成。其中傳感器節(jié)點的作用主要是完成光照強弱的采集和發(fā)送，網(wǎng)絡的管理和維護由協(xié)調(diào)器節(jié)點負責，同時它也是傳感器節(jié)點與單片機之間傳輸通信數(shù)據(jù)的媒介。單片機負責判斷紅外開關的狀態(tài)，記錄人員的進出并顯示在液晶屏上，根據(jù)教室人數(shù)及光照強弱，分組控制繼電器工作，從而控制教室開燈數(shù)量。

（1）傳感器模塊。傳感器節(jié)點只與協(xié)調(diào)器之間通過點對點的模式來通信，所以在程序中需要設置點對點通信，傳感器模塊的CC2530通過光敏傳感器來獲取光照信息，然后調(diào)用發(fā)送函數(shù)用點播的將形式將光照信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器。

（2）協(xié)調(diào)器模塊。協(xié)調(diào)器和傳感器控制模塊之間采用廣播形式。有無線信號接收時，調(diào)用處理信息函數(shù)，ClassAppCoorder_MessageMSGCB，提取光照強弱數(shù)據(jù)。

由于協(xié)調(diào)器與單片機利用串口通信，所以在CC2530模塊中還需要有串口功能，將MT頭文件添加在程序中，并在初始化程序中調(diào)用串口登記任務號。OSAL操作系統(tǒng)osal_start_timerEx定時運行事件，串口定時發(fā)送光強信息。

（3）單片機控制模塊。工作時，兩個紅外檢測開關安裝在同一高度相距不遠處。當有人通過時必先有一個紅外開關觸發(fā)中斷，在中斷處理中關閉所有中斷，另一中斷暫時不起作用。待一定時間后人員全部通過，全部中斷重新再打開。人在不同的方向經(jīng)過，引發(fā)中斷不同，進而判斷是該加計數(shù)還是減計數(shù)，將計數(shù)結(jié)果顯示在液晶屏上。

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