基于ZigBee無線傳感器網絡的智能照明系統設計與實現

孫海艷+陳偉+王娜

摘 要： 針對當前的照明系統存在智能化程度低、調節能力差的問題，導致能耗較高，提出一種基于ZigBee無線傳感網絡的智能照明系統設計方法，根據外面環境中的亮度、能見度、污染物濃度等參數構造智能化控制模型，以照明系統的輸出功率為約束條件，引入占空比控制算法，對最佳節能點進行尋優，通過迭代計算，配合傳感器節點硬件模塊進行智能化調節。以真實模塊為例進行測試，設計的系統可以智能化地調節照明系統的工作條件，最大程度的節約能源，達到實用要求。

關鍵詞： 智能照明； 傳感網絡； 占空比算法； 節能

中圖分類號： TN710?34； TP391.9 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）11?0183?04

Design and implementation of intelligent illumination system

based on ZigBee wireless sensor network

SUN Haiyan1， 2， CHEN Wei1， WANG Na2

（1. School of Electrical Engineering， Yanshan University， Qinhuangdao 066004， China；

2. Department of Mechanical and Electrical Engineering， Hebei Construction Material Vocational and Technical College， Qinhuangdao 066000， China）

Abstract： Since the energy consumption is high in the intelligent illumination system due to the low intelligent degree and poor adjustment ability of the current illumination system， a design method of intelligent illumination system based on ZigBee wireless sensor network is put forward. According to the brightness， visibility， pollutant concentration and other parameters in the outside environment， an intelligent control model was structured. Taking the output power of the illumination system as the constraint condition， the duty ratio control algorithm is introduced to search the optimum energy?saving point， and marched up with the hardware module of sensor node by means of iterative calculation to perform the intelligent adjustment. The real module taken as an example was tested. The designed system can adjust the working conditions of the illumination system intelligently， save the energy to the maximum extent， and meet the practical requirements.

Keywords： intelligent illumination； sensor network； duty ratio algorithm； energy saving

0 引 言

近些年，我國的照明智能化、節能化技術不斷發展，使得節能照明和智能照明技術得到了廣泛的應用。由于我國人口眾多，城市化進程進步較快。在一些大型城市，照明電力能源的消耗已經成為一個較為嚴重的問題。在城市照明系統的建設中，必須采用相關技術對照明設備進行優化，保證能耗降低。每年城市照明設備的能源浪費造成了大量資金被消耗。這也成為困擾城市智能化的重要問題[1?3]。隨著無線傳感網絡技術的不斷進步，為智能化照明系統的設計提供了技術支持[4]。近些年如何有效降低城市照明系統的能源消耗，成為相關單位研究的重要課題。我國關于智能照明系統的研究近年來得到了國家的大力支持，一些重點研究所和相關的學者進行了大量的理論研究，也取得了很多優秀的研究成果，但是還存在智能化程度不高，能耗較高的問題[5?6]。本文提出一種基于ZigBee無線傳感網絡的智能照明系統設計方法，根據外面環境中的亮度、能見度、污染物濃度等參數構造智能化控制模型，以照明系統的輸出功率為約束條件，引入占空比算法，對最佳節能點進行尋優，通過迭代計算，配合傳感器節點硬件模塊，進行智能化調節。以真實模塊為例進行測試，設計的系統可以智能化地調節照明系統的工作條件，最大程度的節約了能源，達到了實用要求。

1 系統總體設計

因為智能照明技術的復雜性，照明功能必須能夠根據周邊環境進行智能化的自動調節，避免在沒必要的環境造成浪費。系統整個的設計過程以ZigBee協議為基礎，結合無線傳感網絡搭建完成。系統可以結合周邊環境的明亮與黑暗程度，自適應的對工作模式進行合理調節。本文的系統照明控制過程選取的調節參數主要是以戶外亮度、能見度、污染物濃度等參數為基礎進行調控，通過傳感器網絡采集外部環境的信息，無線傳感網絡對外部數據進行處理后，傳輸到核心處理器芯片，核心芯片通過調動控制器對外部的工作參數進行控制。系統的整體設計框架圖如圖1所示。

圖1 系統整體邏輯結構設計圖

1.1 控制參數的選取

合理的控制參數可以提高系統控制的準確性。由于在一些特殊環境下，系統工作的外部環境較為復雜，例如，在一些特殊的天氣里，嚴重的霧霾污染天氣、陰天、能見度較低的雨天等環境下。傳感器網絡可結合采集到的數據智能化的通過核心控件控制嵌入式電源，使得外部控制器可以自動開通燈光調節功能，達到節能的目的。因此，合理的設計控制參數就成為后面一系列工作的重點。在參數采集后，通過對參數進行迭代尋優計算，運用粒子群優化，實現參數的自適應調整，實現對輸出能耗的控制。外部環境的明亮程度是無線傳感網絡需要采集的最為重要的參數，外部環境的明亮度計算如下：

（1）

式中：為明亮誤差控制系數；為采集的光強度信息；為照射長度模型。

另外，能見度參數的計算方法如下：

（2）

式中：表示采集得到的能見度參數；th表示時間參數，考慮到能見度與人眼對不同光照強度的適應角度與時間延長。故設計了參數和tan，表示適應的高度和角度，一般為20 m，能見度參數的變化較大。相關參數都是通過ZigBee協議完成傳輸，該協議是進行無線傳感網絡信息傳輸的基礎，圖2為該協議的設計邏輯結構圖。

圖2 傳輸協議邏輯結構圖

以光強傳感器為基礎的傳感網絡通過對相關參數進行采集，再通過協議傳輸給核心控制單元，進行信息通信控制。

1.2 系統關鍵區域的硬件設計

在智能化的照明系統中，關鍵的硬件設計主要包括核心芯片、傳感器節點、控制器設計、電源設計、相關存儲單元設計、模數轉換器設計、一些儀表接口轉換設計等。為了保證信息采集的精度，該信息采用STM32控制器并通過自行設計的光學傳感器對外部的光信息和亮度信息進行檢測。其中，無線傳感器網絡節點的設計圖如圖3所示。

結合圖3分析，設計的傳感器節點自帶高精度控制器芯片，需要的工作電壓為-5～5 V，為了保證低能耗的特點，節點設計中選用功耗消耗很低的芯片ATMEGL128L，該芯片具有很強的兼容性，大大降低了軟件設計的難度。ATMEGL128L微處理器需要穩定的電源作為供電設備，其抗干擾能力較差，因此，需要電源的抗干擾能力較強。本文設計的電源電路必須具備較為強大的抗干擾能力。設計原理如圖4所示。

系統中還需要一個很重要的功能，就是振蕩電路的設計，在該設計過程中，需要考慮電流與電壓的變化，在降低電壓后才能進行高精度的振蕩操作。振蕩電路的設計過程也要考慮能耗的消耗，低能耗的設計過程符合系統的整體設計思路。設計原理見圖5。

本系統中采用32.768 kHz低頻振動電路進行系統晶振設計，電路的工作電流較低，直接對接核心處理器。

2 系統的軟件設計

在完成系統核心的硬件資源設計后，需要介紹軟件設計思路。軟件設計思路的核心是能夠高效快速的完成調節，實現硬件功能最大化，具有可移植性強等特點。本文的軟件設計以仿真平臺為基礎，考慮嵌入式芯片開發的特點，完成初始化、信號處理、資源調度等功能。整體的設計思路如圖6所示。

圖3 檢測傳感器節點設計電路

圖4 電源電路

圖5 振蕩電路的設計

系統的軟件控制中，對功率的控制主要是使用對中斷事件的響應來實現。中斷事件可以有效控制照明電路的關閉與接通，還可以智能化的實現功率控制。軟件中斷流程如圖7所示。

圖6 系統的軟件設計框架

圖7 軟件中斷流程

在進行調控的過程中，主要結合控制參數對電流控制，對電流的控制主要是通過變換器完成。變換器在電流連續模式過程中可以通過相關波形變換完成電流的控制。當外部亮度較低的情況下，變換器通過自身控制開關形成電流的全導通，并維持到外部參數發生變化的條件下。當外部參數發生變化時，其內部的變壓器通過增加繞組對電流進行調控。但是，變壓器呈現周期變化，因此其內部的調控精度沒有辦法得到保證。因此電流的調整精度存在一定的誤差，為了避免這種誤差，可以使電流從一個固定值線性增加到需要值則：

（3）

在需要調節的時刻，控制器可以通過開關對電流進行截止、開通操作，并維持到需要的時間，也就是等待外部參數的傳遞。在需要大幅度調整電流的參數控制下，可通過回路中二極管的控制，使得電流從當前的下降到需要值則：

（4）

為了保證能量的低功耗，需要在開關控制過程中實現高精度的控制。首先需要得到準確的剩余能量信息，根據能量守恒定律，可以得到在開關控制過程中，開啟導通條件下的能量關系：

（5）

式中：為線圈數量，它能衡量開關內部的控制強度關系。

通過參數可以表示電流的強度，是電流的波動參數變化，是電感強度，參數是開關電源的控制參數，它是十分重要的一個參數。在外部明亮度充足的條件下，初級繞組的電流在開關管開啟導通階段可以表示為：

（6）

式中：表示占空比，，當系統需要進行調節時，只需要改變占空比值就可以改變電流與電壓。在外部環境沒發生變化的情況下，可通過改變電感值，使得紋波電流進入變換器的其他電流控制模式。

3 實驗結果分析

本文根據實際的照明情況搭建了實驗平臺，根據不同的外部光亮環境、霧霾程度、光照強度等輸入控制模型進行電流調整。真實的試驗環境如圖8所示。

表1是在不同的時間段中不同光照對應的電流值。通過對表1的試驗結果進行分析可知，本文系統可以做到自適應調節。

占空比與電流的調節關系如圖9所示。由圖9可知，該系統可以通過占空比實現智能化的電流調節。

4 結 語

從目前來看，智能化照明控制產業還是一個新興的產業。由于節能減排是我國當前一項十分重要的國策，因此要求照明系統必須具備高效、節能、智能等特點，因此發展低碳環保的智能化照明設備，是未來研究的重點。智能化的照明設備會逐步取代白熾燈和高能耗燈。

參考文獻

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