基于ZigBee的高校智能照明系統的設計與實現

劉小莉 楊穩 胡慧超 曾欣 凌志友 趙新宇

摘 要：提出一種基于ZigBee技術的無線智能照明系統的設計與實現。其主要由基于BISS0001芯片的信號處理模塊、基于CC2530芯片的主控制單元、基于ZigBee技術的照明信息無線傳輸模塊所構成的硬件部分和基于上位機的信息處理與顯示模塊構成的軟件部分兩部分組成，實現了實時監控和統計教室使用率的功能。軟件設計包含了基于協議棧庫函數編寫的ZigBee無線通信部分和上位機系統軟件設計部分。系統對教室使用率的統計和節能兩方面效果顯著。

關鍵詞：智能照明；ZigBee；CC2530；BISS0001

中圖分類號：TM923 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）02-0012-03

Abstract：The design and implementation of wireless intelligent lighting system based on ZigBee technology is discussed. The utility model mainly comprises a signal processing module based on the BISS0001 chip，a main control unit based on the CC2530 chip，a hardware component formed by the ZigBee technology-based illumination information wireless transmission module，and a software component formed by the information processing and display module based on the upper computer. Realizes the ability to monitor and count classroom usage in real time. The software design includes the ZigBee wireless communication part and the upper computer system software design part written based on the protocol stack library function. The system has significant effects on both classroom statistics and energy efficiency.

Keywords：intelligent lighting；ZigBee；CC2530；BISS0001

0 引 言

現如今人們已經進入了一個飛速發展的物聯網時代。物聯網是指由事物連接的互聯網。通過智能感知、辨認技術和普適計算等通信感知技術，在網絡融合中得到普遍應用。并且智能家居、智能電器等一系列物聯網產物已經逐漸出現在人們的生活。在這樣的大環境下，適用于高校的智能照明系統自然而然應運而生。而在物聯網的底層，最主要的工具便是各種各樣的無線通信手段。其中主要有WiFi、藍牙以及ZigBee無線通信。基于WiFi的智能照明系統已經有了很不錯的表現[1]，然而WiFi的功耗和復雜度也一直是困擾我們的地方[2]。基于藍牙的智能照明系統同樣有所進展[3]，但是藍牙的傳輸距離就遠不盡人意。而ZigBee無線通信則相對二者更適合于高校智能照明系統這種距離適中、多點傳輸的情況。本文所設計的高校智能照明系統一方面能延長燈的壽命，減少電量損耗，另一方面監控系統能便于想要自習的學生尋找適合學習的教室并且可以達到一定的安防效果，具有極高的環保價值和現實意義。

1 系統設計

本系統用于對高校教室的電燈實現智能控制與監控，所以在設計時將本系統主要分成硬件端設計和軟件端設計兩部分。硬件端通過傳感器探測人體紅外信號和光照強度信號，將獲取到的信號通過BISS0001處理芯片進行處理來控制繼電器開關，并將照明信息傳輸給CC2530芯片終端，同時通過ZigBee雙向無線通信將信號傳輸給CC2530芯片協調器，并通過串口傳輸方式將信息傳輸給上位機，來實現對教室燈光使用情況的監控。總體設計的系統框圖如圖1所示。

2 硬件端設計

2.1 傳感器設計

由于本系統要求教室燈具在感應到教室環境昏暗并且有人使用的情況下自動打開，所以在設計上使用紅外光敏傳感探頭。該探頭由熱釋電傳感器和光敏電阻構成，熱釋電傳感器可通過測量人體溫度波長范圍的紅光來探測測量范圍內是否有人；光敏電阻則通過電阻的變化來檢測環境光照強度，在通過程序設計來判斷是否達到需要開燈的光照強度。

2.2 基于BISS0001模塊的信息處理單元

從傳感器獲取到信號后，將信號由信息處理單元BISS 0001芯片來進行處理。BISS0001是一種高性能、低成本、非常穩定的傳感器信號處理IC芯片。通過由兩個比較器構成的雙向鑒幅器抑制了干擾信號，工作性能穩定可靠，有較寬的調節范圍，通過少量的外圍元器件搭建簡單的外圍電路就可以構成被動式的熱釋電紅外傳感模塊，在安防和自動化領域有廣泛的運用。

在本項目中，使用該芯片進行信號處理的模塊。該電路將從14引腳獲取由熱釋電紅外傳感器檢測到的人體紅外信號，經由BISS0001內部的OP1放大從16引腳輸出，并經由C3耦合后，從13引腳輸入再由BISS0001內部的OP2將信號再次放大，與此同時直流電壓得到抬升，放大后的信號從OP2的輸出端送到由兩個比較器COP1和COP2組成的雙向鑒幅器，檢出有效觸發信號VS去啟動延遲時間定時器。同時結合此時R3（R3為光敏電阻）檢測到的環境照度情況。根據光敏電阻的特性，當環境明亮，光照度強時，電阻值會降低，使得VC引腳的輸入保持在低電平，從而封鎖觸發信號VS，兩者相結合控制有效輸出信號VO。其中輸出延遲時間：Tx≈24576*R9*C7；封鎖時間：Ti≈24*R10*C6。

2.3 主控制單元CC2530

CC2530是基于2.4-GHz IEEE802.15.4國際標準和ZigBee無線通信而設計的使用增強型51處理器的單片機，其最大的特點是以較低成本建立十分強大的節點網絡。在本系統中，選用兩塊CC2530芯片作為ZigBee無線通信的終端和協調器。CC2530芯片完美結合了ZigBee的協議棧Z-stack，對ZigBee的網絡層、物理層、MAC的程序進行了封裝，讓使用者可以直接其提供的驅動程序。使用CC2530芯片作為主控制單元比其他ZigBee照明系統來說無線覆蓋范圍更廣[4]，更適用于高校環境。

2.4 ZigBee無線傳輸

ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標準的低成本、低功耗和低復雜度的雙向無線通信技術，它主要用來實現自動控制和遠程控制。

終端是ZigBee樹狀網絡的葉子節點，負責對BISS0001輸出的電平高低來判斷燈光是否打開，將對應的燈光信息用字符串記錄下來，再將這一信息傳輸給ZigBee協調器。協調器是整個網絡的建立者，它的主要功能包括建立整個無線網絡、初始化網絡、確定網絡標識、分配短地址，在本系統中將從終端收到的字符串信息通過串口通信傳輸給上位機，其中串口波特率配置為9600，8位數據和1位停止位。在ZigBee無線通信中，需要滿足其協議棧函數進行程序設計。本系統首先關閉中斷，再調用協議棧所提供的初始化函數對物理層、媒介層進行初始化，初始化完畢后重新打開中斷，完成組網，并且在OSAL主循環中通過判斷事件是否發生以及優先級來判別事件的執行順序，主要程序設計流程圖如圖2所示。

3 軟件端設計

由于本系統還需實現對教室燈光使用情況的監控，所以在上位機基于C#語言實現了一款窗體應用程序，在此程序中，“打開”和“關閉”這一對按鈕用于控制是否打開串口通信來接收來自ZigBee協調器的信號；消息監控區則顯示當前獲取的信號內容以便于進行錯誤排查；教室照明使用情況區域是通過獲取到的信號，直接以圖形的形式顯示出教室燈光使用情況；教室使用情況歷史記錄是通過計算教室燈光使用時間來展示在哪些日期教室使用燈光的時間較多或較少，判別標準是以每盞燈的照明時間相加是否超過一天的1/6來計算；教室當日情況以曲線圖的形式顯示教室內燈光的使用率，使用率為已打開的燈光數除以總燈光數。

4 結 論

本文介紹的基于ZigBee的高校教室智能照明系統主要是解決了高校教室出現“長明燈”的問題，并在此基礎上通過智能感應裝置達到了自動控制和節能的功能。該系統還具有監管功能，能有效的統計教室的使用情況，以便于學生從上位機的監控公共平臺快速找到空教室進行自習，這樣便能大大減少不必要的人力和時間上的浪費。但依然需要進行更深一步的研究和改善。在信息采集的模塊里可以加入對人數的檢測和視頻監控器的控制等，集成多種方式對室內環境進行檢測。在上位機的界面和功能設計都可以進一步優化。由此可見，該系統的實現具有一定的實用性和現實意義。

參考文獻：

[1] 慎邦威，于德魯，楊馥瑞，等.基于結型場效應管開關特性控制AC-LED晶粒分段導通的研究 [J].照明工程學報，2014，25（6）：105-111.

[2] 徐子強，呂衛文，祝超.高壓LED球泡燈的設計與分段優化 [J].電子工藝技術，2013，34（6）：323-327.

[3] 李云霄，云永利.LED照明AC電源驅動 [C]//海峽兩岸第十九屆照明科技與營銷研討會.海峽兩岸第十九屆照明科技與營銷研討會專題報告暨論文集. 北京：中國照明會，2012：16-25.

[4] 李光耀，王利，易子川，等.基于Zigbee的智能照明系統研究與設計 [J].照明工程學報：2016，27（3）：61-65.

作者簡介：劉小莉（1996-），女，漢族，湖南衡陽人，本科，主要研究方向：嵌入式系統開發；楊穩（1996-），男，漢族，湖南衡陽人，本科，電子工程師，主要研究方向：自動控制；通訊作者：趙新宇（1970-），男，漢族，湖南湘潭人，博士，副教授，課題指導老師，主要研究方向：信號處理，測控技術，微納制造。