基于ZigBee的室外籃球場智能照明控制系統設計

朱曉君，申 昊，李沛熹，馮廣宇，李 權

（1.江西理工大學 軟件工程學院，江西 南昌 330013；2.江西理工大學 能源與機械工程學院，江西 南昌 330013）

0 引 言

2016年，國務院印發了《全民健身計劃（2016—2020年）》[1]，該計劃明確提出以下三點：第一，統籌建設全民健身場地，方便群眾就近就便健身；第二，將青少年作為實施全民健身計劃重點人群，大力普及青少年體育活動；第三，強化全民健身科技創新，推進全民健身場地設施創新，促進全民建設場地設施升級換代。《2018中國籃球產業白皮書》[2]則指出：第一，在中國體育產業中籃球已成為第一運動，籃球愛好者主要為35歲以下年輕人；第二，中國籃球場地數量已接近60萬個，73.6%受訪者主要在室外打籃球，而常在室內打球者僅為11.5%。籃球作為我國最流行的體育運動之一，深受年輕人喜愛并對刺激體育相關消費貢獻突出。當前我國室內籃球場場地固定、數量較少且需要付費，因此位置便利、數量眾多且免費使用的室外籃球場便成為大多數籃球愛好者的主要運動場所。對于大多數年輕人而言，只有在放學或下班之后才有空開展籃球運動。然而，在夜幕降臨之后，大多數室外籃球場因為缺乏照明系統而無法進行籃球訓練或比賽，而對于安裝有球場燈光的室外籃球場往往因為缺乏專門管理人員而導致大多數晚上不會啟用照明系統。因此，設計一種“有人打球時自動開燈、無人打球時自動關燈”的室外籃球場智能照明控制系統對于推進全民健身國家戰略、提升青少年身體素質、構建籃球運動氛圍、促進體育產業消費等具有重要作用。

本設計采用的室外籃球場照明布燈的方案為6套分別立在場地兩側的LED燈[3]，如圖1所示。其中，1，2號燈和籃板1對應左半球場；5，6號燈和籃板2分布在右半球場；3，4號燈則立在球場兩側的中間位置。筆者擬設計一套基于ZigBee的室外籃球場智能照明控制系統，該系統將光照傳感節點（根據外界光照度決定是否需要開啟照明）、壓力傳感節點（根據籃板上是否有籃球撞擊決定是否開啟照明）和濕度傳感節點（根據空氣濕度判斷是否為晴天以決定是否開啟照明，同時也能避免較大雨滴對籃板產生壓力干擾）嵌入籃板背面采集數據，數據通過ZigBee無線通信技術實現多點分布式采集至協調器，協調器基于預設規則處理數據并輸出控制信號至照明開關，照明開關做出對應打開或關閉燈光的動作，最終實現對球場照明系統的智能控制。

圖1 室外籃球場布燈圖

1 系統整體設計

如圖2所示，室外籃球場智能照明控制系統由終端節點、協調器、照明開關、上位機和電源等組成。終端節點內嵌于籃板，并根據球場的兩個籃板進行編號，分別為光照節點1，2，壓力節點1，2和濕度節點1，2。終端節點與協調器通過ZigBee無線傳輸網絡互聯，協調器輸出控制信號至照明開關，協調器與上位機通過串口通信。控制系統主要實現步驟如下：

（1）內嵌于籃板的光照節點、濕度節點和壓力節點分別用于感應當前外界光照度、空氣濕度以及籃板所受壓力，并將上述采集數據輸出至協調器；

（2）協調器根據預設規則對采集數據進行處理，依據處理結果輸出控制信號至照明開關，控制球場為無照明、半場照明或全場照明狀態；

（3）協調器將相關數據通過串口發送至上位機；

（4）上位機查看相關數據，或向協調器發出指令，實現遠程控制。

圖2 室外籃球場智能照明控制系統的整體設計

2 系統硬件設計

系統硬件設計主要包括傳感器模塊、無線通信模塊、照明開關模塊、上位機和電源模塊。

2.1 傳感器模塊

傳感器模塊包括光照傳感器、壓力傳感器和濕度傳感器。

BH1750是一款數字型光照度傳感器集成芯片，由光敏二極管、運算放大器、ADC采集、晶振等組成。光敏二極管通過光生伏特效應將光信號轉換為電信號，經運算放大器放大后，由ADC和數字邏輯電路將采集的電壓轉換為二進制數。BH1750提供I2C總線接口與單片機通信[4]，如圖3所示，BH1750通過SCL、SDA兩個端口與CC2530的GPIO口連接。

圖3 BH1750電路連接圖

FSR402是一款電阻式力敏傳感器，傳感器感應面積的直徑為12.7 mm，使用壽命大于100萬次擠壓。如圖4所示，該傳感器的工作原理是將施加在力敏傳感器薄膜區域的壓力變換為電阻值，壓力與電阻成反比，根據電阻值的大小獲取壓力信息[5]。該傳感器具備測量精度高、重量輕體積小、使用壽命長等優點。

DHT11是一款含有已校準數字信號輸出的數字溫濕度傳感器，包括一個電阻式感濕元件和一個負溫度系數測溫元件[6]。專用的溫濕度傳感技術和數字模塊采集技術保證該傳感器具有較高的可靠性和穩定性。體積小、功耗低、傳輸距離長（可達20 m以上），使DHT11成為各類應用場合的最佳選擇。DHT11電路連接如圖5所示。

圖4 FSR402電路連接圖

圖5 DHT11電路連接圖

2.2 無線通信模塊

本設計采用的無線通信網絡為ZigBee網絡。ZigBee具有小功耗、低成本、慢速率、自配置和靈活化的網絡拓撲結構等特征，并被廣泛應用于智能家居、智慧城市、工業控制等智能化自動化領域[7]。無線通信模塊采用支持Z-Stack協議棧的CC2530芯片來實現。CC2530是TI公司經過ZigBee認證的網絡處理器，支持IEEE 802.15.4標準/ZigBee/ ZigBee RF4CE。CC2530結合了8051微處理器、RF收發器、8 KB RAM以及其他強大的外設與支持功能。另外，該芯片還具有3種電源管理模式：中斷模式、睡眠模式和喚醒模式，3種模式相互切換，從而大幅降低功耗[8]。

2.3 照明開關模塊

照明開關模塊根據協調器發出的控制信號來控制籃球場照明燈光的開關狀態。照明開關模塊主要包括光耦合器和繼電器，光耦合器與繼電器相連[9]。光耦合器從輸入端到輸出端實現了“電—光—電”的轉換，抗干擾能力強，實現了單向傳輸信號。繼電器是具有隔離功能的自動開關元件，具有控制、保護、調節和傳遞信息的作用。協調器通過光耦合器向繼電器發出控制信號，從而控制照明燈光的開關狀態。

3 系統軟件設計

軟件設計主要包括終端節點軟件設計和協調器軟件設計。

3.1 終端節點的軟件設計

ZigBee網絡由協調器確定個域網ID、無線射頻通信信道和收發地址等參數后發起創建網絡，終端節點請求加入并被判斷基本參數是否與協調器一致，一致則成功地加入ZigBee網絡。如圖6所示，終端節點的程序流程為：終端節點在進行系統初始化后請求加入ZigBee無線網絡；加入成功后，啟動定時器，等待定時器時間到達后，將傳感器采集到的數據轉發至協調器。

3.2 協調器的軟件設計

室外籃球場的布燈方案為6套LED燈分布在球場的兩側。1，2號，3，4號和5，6號照明燈分別分布在左半球場、中間球場和右半球場。左半場被使用時，1，2號照明燈亮，其余燈光滅；右半場被使用時，5，6號照明燈亮，1～4號燈光滅；全場被使用時，1～6號照明燈全亮。如圖7所示，籃球場全場燈光控制單元實時地讀取半場亮燈情況，并對此做出相應操作。當1，2號，5，6號燈同時啟用時，3，4號燈自動開啟；否則，3，4號燈一直處于關閉狀態。其中，半場燈光控制程序的具體流程如圖8所示。

圖6 終端節點程序流程

圖7 籃球場全場燈光控制程序流程

籃球場半場燈光控制程序流程為：協調器創建ZigBee網絡后，等待并接收終端節點入網；終端節點入網后，協調器接收終端節點采集到的數據；判斷上述數據是否滿足開燈條件，若滿足則打開節點對應燈并且持續亮燈15 min，否則判斷節點對應燈是否已持續亮燈15 min，若是，執行關閉燈操作。其中，終端節點由終端節點1和2組成，節點1（包括光照節點1、壓力節點1和濕度節點1）對應1，2號燈，節點2（包括光照節點2、壓力節點2和濕度節點2）對應5，6號燈。開燈條件是指球場附近的光線不足且有人在打球對籃板有一定撞擊壓力且籃板較為干燥，具體為傳感器采集到光照度、濕度低于閾值，并且壓力大于一定數值。

圖8 籃球場半場燈光控制程序流程

4 結 語

夜幕降臨后，照明問題是室外籃球場的一大痛點，無燈會嚴重影響籃球運動的開展，即使有燈往往因為缺乏管理人員而不會經常開啟使用。針對上述問題，本文設計一套基于ZigBee的室外籃球場智能照明控制系統。該系統采集當前外界光照度、空氣濕度和籃板所受壓力并將其輸出至協調器，協調器根據設定規則對采集數據進行處理，依據處理結果輸出控制信號至照明開關，控制球場實現無照明、半場照明和全場照明三種照明狀態，從而在晴天夜晚做到“有人打球時自動亮燈、無人打球時自動關燈”的室外球場燈光智能控制，并能改善城市公共運動設施條件，提高群眾體育運動參與度，促進青少年“五育一體”全面發展。