基于Zigbee的地下停車場節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計

劉星亮

（安康學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，陜西安康，725000）

0 引言

隨著城市現(xiàn)代化進(jìn)程的加速，地下停車場的數(shù)量日益增多。在各大公共場所能耗中，地下停車場的能耗一直占據(jù)著較大的比重。一般而言，層高在3-4米的地下停車場，通風(fēng)次數(shù)平均要達(dá)到8次/小時，而層高3米以下的，通風(fēng)次數(shù)平均要達(dá)到10次/小時。但為節(jié)省電費(fèi)開支，很多地下停車場的燈光和通風(fēng)設(shè)施通常都處于半關(guān)閉狀態(tài)，不僅給停車場使用帶來不便，還造成場內(nèi)空氣質(zhì)量超標(biāo)[1]。

目前，地下停車場的照明及通風(fēng)設(shè)備的控制主要采取以下三種方式。一是采用類似于路燈所使用的定時開關(guān)。通過預(yù)設(shè)定時時間來實現(xiàn)定時開關(guān)設(shè)備，如遇現(xiàn)場突發(fā)情況則需要更改定時時間，控制管理不夠靈活，節(jié)能效果一般。二是利用斷路器進(jìn)行直接控制。控制方式簡單，成本低，通過人工手動方式進(jìn)行控制，節(jié)能效果不理想。三是利用聲控開關(guān)對一個或幾個區(qū)域的照明設(shè)備進(jìn)行開關(guān)控制。整體布線復(fù)雜，可靠性及耐用性不及前兩種，且不支持對通風(fēng)設(shè)備的控制。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)以及無線通信技術(shù)，能夠通過各類集成化傳感器的協(xié)作方式對被控對象進(jìn)行實時監(jiān)測。就整體而言，無論國外還是國內(nèi)，當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)已經(jīng)處于比較成熟的階段。本文涉及利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)了一套基于Zigbee通信協(xié)議的地下停車場節(jié)能控制系統(tǒng)，能夠更加高效的對地下停車場照明及通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行智能控制，達(dá)到降低能耗的目的。

1 整體方案設(shè)計

整個系統(tǒng)主要由協(xié)調(diào)器、人體紅外檢測節(jié)點、空氣質(zhì)量檢測節(jié)點、燈光開關(guān)控制節(jié)點和通風(fēng)設(shè)備控制節(jié)點組成。其中，空氣質(zhì)量檢測節(jié)點周期性采集當(dāng)前的空氣質(zhì)量，根據(jù)國家對室內(nèi)空氣質(zhì)量的要求，這里主要檢查TVOC（總揮發(fā)性有機(jī)化合物）指數(shù)，該物質(zhì)屬于揮發(fā)性有機(jī)化合物，只要及時通風(fēng)，就可以使其得到稀釋和揮發(fā)。每次采集完空氣質(zhì)量后，該節(jié)點會將采集結(jié)果發(fā)送給協(xié)調(diào)器。與此同時，人體紅外檢測節(jié)點則持續(xù)判斷停車場內(nèi)有無人員活動跡象，每次判斷結(jié)束后將結(jié)果發(fā)送給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器在接收到前兩個節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)后，和設(shè)置的閾值進(jìn)行比較，綜合判斷地下停車場的情況：“有人且空氣質(zhì)量好”、“有人但空氣質(zhì)量不好”、“無人且空氣質(zhì)量好”、“無人但空氣質(zhì)量不好”。當(dāng)空氣質(zhì)量不好且有人時，發(fā)送開燈和全速通風(fēng)命令；否則，發(fā)送關(guān)燈和低速通風(fēng)命令。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 節(jié)能控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的工作過程：協(xié)調(diào)器通過廣播通信方式進(jìn)行組網(wǎng)，其余節(jié)點接收到信息后加入該Zigbee網(wǎng)絡(luò)。其中，檢測節(jié)點周期性采集人員和環(huán)境信息發(fā)送協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、判斷后，通過單播的形式將燈光控制命令和通風(fēng)設(shè)備控制命令轉(zhuǎn)發(fā)給執(zhí)行節(jié)點，實現(xiàn)對燈光和通風(fēng)設(shè)備的控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)主要由協(xié)調(diào)器、檢測節(jié)點和執(zhí)行節(jié)點（設(shè)備控制節(jié)點）三部分組成。根據(jù)地下停車場的燈光和通風(fēng)設(shè)備的位置特點及控制方式，建立起一個其他終端節(jié)點連接到網(wǎng)絡(luò)時，直接以協(xié)調(diào)器作為父節(jié)點的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，檢測節(jié)點由以CC2530芯片構(gòu)成的通信模塊、傳感器模塊和電源模塊組成，執(zhí)行節(jié)點由以 CC2530芯片構(gòu)成的通信模塊、開關(guān)控制模塊和電源模塊組成[2]。節(jié)點空間分布如圖2所示。

圖2 節(jié)點空間分布圖

空氣質(zhì)量檢測節(jié)點在啟動后，加入由協(xié)調(diào)器創(chuàng)建的Zigbee網(wǎng)絡(luò)，并添加周期性采集空氣質(zhì)量事件。該節(jié)點每隔5分鐘采集一次地下停車場的空氣質(zhì)量，然后對采集的數(shù)據(jù)和設(shè)定的閥值進(jìn)行比較，判斷空氣質(zhì)量的優(yōu)劣。隨后向協(xié)調(diào)器發(fā)送一幀數(shù)據(jù)（共16字節(jié)），第14字節(jié)表示節(jié)點標(biāo)簽、第15和第16字節(jié)存放空氣質(zhì)量信息、其余字節(jié)存放地址信息。處理后的數(shù)據(jù)中，“0”代表TVOC值未超標(biāo)，“1”代表TVOC值超標(biāo)。空氣質(zhì)量檢測節(jié)點工作流程如圖3所示。

圖3 空氣質(zhì)量檢測節(jié)點工作流程

人體紅外檢測節(jié)點主要利用人體紅外傳感器檢測區(qū)域內(nèi)是否有人員出現(xiàn)。有人時，該模塊輸出高電平，返回值為“1”；否則輸出低電平，返回值為“0”。根據(jù)返回的結(jié)果，檢測節(jié)點向協(xié)調(diào)器發(fā)送一幀數(shù)據(jù)（共16字節(jié)），第14字節(jié)表示節(jié)點標(biāo)簽、第15和第16字節(jié)存放人員檢測信息、其余字節(jié)存放地址信息。人體紅外檢測節(jié)點工作流程如圖4所示。

圖4 人體紅外檢測節(jié)點工作流程

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在本系統(tǒng)軟件主要涉及到節(jié)點中Z-Stack協(xié)議棧應(yīng)用層的設(shè)計。整個軟件借助TI提供的協(xié)議棧SampleApp進(jìn)行開發(fā)，基本思路如下：

首先，由協(xié)調(diào)器發(fā)起建立一個新Zigbee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程，并對指定的信道進(jìn)行主動掃描。掃描到合適信道后，網(wǎng)絡(luò)層將會選擇一個PANID來配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，而這個參數(shù)在程序編寫時已經(jīng)進(jìn)行了設(shè)置，對于每個監(jiān)測區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)中的PANID值都是唯一的。與此同時，通過NLME_PERMIT_JOINING來設(shè)置使其處于允許其他節(jié)點加入該網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。當(dāng)有節(jié)點要加入該網(wǎng)絡(luò)時，會利用NLME_NETWORK_DISCOVERY創(chuàng)建一個入網(wǎng)進(jìn)程，網(wǎng)絡(luò)層通過MLME_SCAN來發(fā)起新的掃描。終端節(jié)點在檢測到信標(biāo)后，會選擇合適的協(xié)調(diào)器發(fā)起關(guān)聯(lián)請求。當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到關(guān)聯(lián)請求并同意后，會對終端節(jié)點發(fā)送連接響應(yīng)，并分配一個16位的短地址，產(chǎn)生一個連接響應(yīng)命令[3]。

圖5 空氣質(zhì)量檢測節(jié)點事件處理流程圖

圖6 協(xié)調(diào)器事件處理流程圖

其次，終端節(jié)點成功加入網(wǎng)絡(luò)后，設(shè)備的上層會請求MAC層對物理層的phyCurrentChannel、macPANID等PIB屬性進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系和地址也會保存在flash中，并通過分配的16位短地址與協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。此外，整個協(xié)議棧本身也是基于最基本的輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)，這里主要在應(yīng)用層進(jìn)行相關(guān)代碼的編寫，利用初始化函數(shù)SampleApp_Init分別對I/O口輸出電平和串口進(jìn)行初始化，并利用事件處理函數(shù)SampleApp_ProcessEvent，處理與檢測功能相關(guān)的事件。例如空氣質(zhì)量檢測節(jié)點事件處理流程如圖5所示。

最后，當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到人體紅外傳感器節(jié)點和空氣質(zhì)量檢測節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)后，會對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，只保留其中兩個字節(jié)的有效數(shù)據(jù)。通過綜合判斷空氣質(zhì)量和人員信息來得出打開燈光/通風(fēng)設(shè)備或者關(guān)閉燈光/通風(fēng)設(shè)備的控制命令，再發(fā)給執(zhí)行節(jié)點[4]。其事件處理流程如圖6所示。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于Zigbee無線通信技術(shù)的地下停車場節(jié)能控制系統(tǒng)，以空氣質(zhì)量、人員狀況作為傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的對象，經(jīng)數(shù)據(jù)中心處理后作為對燈光和通風(fēng)智能控制的依據(jù)。系統(tǒng)實現(xiàn)了人走燈滅、智能通風(fēng)的功能，消除了無人亮燈和通風(fēng)設(shè)備無控制等現(xiàn)象，不僅提高了地下停車場燈光和通風(fēng)設(shè)備的使用效率，還有效降低了能耗，具有一定的實用和推廣價值。