基于ZigBee傳感網(wǎng)的樓宇智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn).docx

文章編號 :10072130 X (2009) 0820150203基于 Zi gBee 傳感網(wǎng)的樓宇智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)3De si g n a n d Imp le me nt a tio n of a nInt elli ge nt B uil di n g L i g ht Co nt ro lSy st e m Ba se d o n t he Zi gBee Se n so r Ne t wo r k周曉偉1 , 2 , 蔡建平1 , 鄭增威1 , 應(yīng)晶1 , 2ZHO U Xiao2wei1 , 2 , CAI Jian2ping1 , ZHENG Zheng2wei1 ,Y ING Jing1 , 2( 1 . 浙江大學(xué)城市學(xué)院 , 浙江 杭州 310015 ; 2 . 浙江大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 , 浙江 杭州 310027) ( 1 . City College , Zhejiang University , Hangzhou 310015 ;2 . School of Computer Science and Technology , Zhejiang Un iversity , Hangzhou 310027 , China)摘 要 :本文介紹了一種樓宇智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)技術(shù) 。系統(tǒng)以基于 ZigBee 協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為理論依據(jù) ,是一種面向節(jié)能型的智能照明控制系統(tǒng) 。它根據(jù)感測到的當(dāng)前室內(nèi)的光線強度 、人員個數(shù)及位置信息來自動判斷 和設(shè)置預(yù)先設(shè)計好的照明模式 ,能夠有效克服傳統(tǒng)照明模式管理落后 、浪費能源 、舒適性差及布線復(fù)雜等缺陷 。描述了系 統(tǒng)基于網(wǎng)狀 ( Me sh) 拓撲結(jié)構(gòu)的體系架構(gòu) ,并在此基礎(chǔ)上從系統(tǒng)節(jié)點的硬件設(shè)計 、室內(nèi)環(huán)境信息的采集及照明模式的判斷 等方面分析了系統(tǒng)的實現(xiàn)過程 。Abstract : The design a nd implementatio n of a n intelligent building light co nt rol system i s p re sented in t hi s a rticle. It i s a n ill uminato r , a p relimina r y senso r net wo r k2ba sed light co nt rol system wit h ener gy saving f eat ure s. The system ca n auto2 matically identif y a nd apply o ne of t he p redefined lighting mo de s depending o n t he sensed i nfo r matio n of t he cur rent bright2 ness , t he number of per so ns a nd t heir po sitio ns in a roo m. Thus ,it o verco me s t he di sadva ntage s of t raditio nal light co nt rol systems , such a s inefficient management , wa ste of ener gy , unco mfo rta bilit y a nd t he co mplexit y of wiring. In t hi s a rticle , a detailed a nalysi s of t he implementatio n of t he system i s described , incl uding t he ha r dware design of t he system no de , t he gat hering of t he enviro nmental i nfo r matio n in t he roo m and t he selectio n of t he lighting mo des , ba sed o n a me sh topolo gy st r uct ure.關(guān)鍵詞 : ZigBee ;無線傳感器網(wǎng)絡(luò) ;智能照明控制系統(tǒng) ;節(jié)能Key words :ZigBee ; wirele ss senso r net wo r k ;intelligent light co nt rol system ;ener gy saving中圖分類號 : T P391文獻標(biāo)識碼 : A明模式多樣的追求 ,而且更容易造成能源浪費 。例如 ,當(dāng)人離開房間忘記關(guān)燈時 ,就會出現(xiàn)“長明燈”現(xiàn)象 1 。因此 ,隨 著社會的不斷發(fā)展 ,傳統(tǒng)照明控制系統(tǒng)越來越難以滿足人 們的需求 。近年來 ,國內(nèi)外許多研究人員對室內(nèi)照明智能控制系 統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)做了很多工作 。目前主流的節(jié)能型照明1 引言目前 ,大多數(shù)建筑 物 仍 然 沿 用 傳 統(tǒng) 的 照 明 控 制 方 式 。傳統(tǒng)照明控制系統(tǒng)控制方式單一 ,只有開和關(guān)兩種狀態(tài) ;管 理方式落后 ,需要人為管理 。這樣不僅不能滿足人們對照3 收稿日期 :2008204223 ;修訂日期 :2008209206基金項目 :浙江 省 科 技 計 劃 資 助 項 目 ( 2007 C31005 ) ; 浙 江 省 自 然 科 學(xué) 基 金 資 助 項 目 ( Y106809 ) ; 杭 州 市 科 技 創(chuàng) 新 資 助 項 目( 20070231 H05)作者簡介 :周曉偉 ( 19842) ,男 ,河南駐馬店人 ,碩士生 ,研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò) ; 蔡建平 ,博士生 ,講師 , 研究方向為嵌入式應(yīng)用和 VL SI 設(shè)計 ;鄭增威 ,博士 ,副教授 ,研究方向為傳感器網(wǎng)絡(luò) 、普適計算和操作系統(tǒng)設(shè)計開發(fā) ;應(yīng)晶 ,教授 ,博士生導(dǎo)師 ,研究方向為軟件開發(fā)方法 、軟件體系結(jié)構(gòu)和軟件工程規(guī)范 。通訊地址 :310015 浙江省杭州市浙江大學(xué)城市學(xué)院研究生部 ; Tel : ( 0571) 88018813 ; E2mail :zigbee8 gmail . co mAddress : Graduat e Sectio n ,Cit y College , Zhejia ng U niver sit y , Ha ngzho u , Zhejia ng 310015 , P . R. Chi na150智能控制系統(tǒng) 2 ,3 主要是有線控制 4 , 也有 采 用 射 頻 和 藍牙技術(shù)的無線照明控制系統(tǒng) 。然而 ,專門針對 ZigBee 傳感 器網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 5 ,6 的節(jié)能型室內(nèi)照明智能控制的研究工作卻 很少 。在此背景下 ,本文結(jié)合近來在國內(nèi)發(fā)展迅猛的 ZigBee及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù) ,提出了一種新型的智能照明控制 系統(tǒng) 。該系統(tǒng)由若干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成 ,各節(jié)點通過 ZigBee 協(xié) 議進行通信 。整個系統(tǒng)工作于全自動狀態(tài) ,通過采集外界 環(huán)境信息 ,并根據(jù)這些信息的變化來自動切換和設(shè)置相應(yīng) 的照明模式 。例如 ,當(dāng)人員全部離開房間時 ,系統(tǒng)自動調(diào)整 房間照明模式為關(guān)閉室內(nèi) 所有照明燈 , 從而避免了“長 明 燈”現(xiàn)象 。根據(jù)接收到的路由節(jié)點的指令來設(shè)置房間的照明模式 。圖 2 為房間自主控制子系統(tǒng)節(jié)點布置的一個實例 。房 間入口處上側(cè)為 0 號路由節(jié)點 ,編號為 、的兩個節(jié)點為 終端節(jié)點 ,用于采集進入房間內(nèi)人員個數(shù) ?？看暗?A、B兩 終端節(jié)點用于采集當(dāng)前房間內(nèi)的光線強度信息 。負責(zé)采集 人員在房間內(nèi)位置信息的節(jié)點為 、號終端節(jié)點 。剩余的 X、Y、Z 三個終端節(jié)點用來控制房間照明模式的設(shè) 置 ,其中 X 節(jié)點控制室頂四盞下照燈 , Y 節(jié)點控制矩形桌旁 的兩盞壁燈 , Z 節(jié)點控制書桌上的臺燈 。2 系統(tǒng)架構(gòu)本系統(tǒng)的實現(xiàn)采用由終端節(jié)點 、路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié) 點組成的 Mesh 拓撲結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 6 ,7 ,如圖 1 所 示 。網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點通過 ZigBee 協(xié)議進行通信 ,通信距離為30 米70 米 ,可以覆蓋整幢大樓 8 。樓宇中每個房間對應(yīng) 一個路由節(jié)點和若干終端節(jié)點 ,這些節(jié)點構(gòu)成了本房間內(nèi)的照明自主控制子系統(tǒng) 。為了實現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的交互 ,引入一臺 PC 機 。該 PC機與協(xié)調(diào)器節(jié)點直接相連 ,組成系統(tǒng)的基站節(jié)點 。 整個系統(tǒng)由基站節(jié)點與各房間自主控制子系統(tǒng)組成 ,在 ZigBee 協(xié)議有效通信距離內(nèi) ,各子系統(tǒng)通過各自的路由 節(jié)點相互轉(zhuǎn)發(fā)信息 ,進而形成到基站節(jié)點的多跳網(wǎng)絡(luò) ,實現(xiàn) 與基站節(jié)點的信息交互 。圖 2 房間自主控制子系統(tǒng)節(jié)點布置模型圖3 系統(tǒng)實現(xiàn)在系統(tǒng)體系架構(gòu)的指導(dǎo)下 ,首先實現(xiàn)基站節(jié)點的控制設(shè)計 ,然后在各房間自主控制子系統(tǒng)的實現(xiàn)過程中 ,即可利 用基站節(jié)點 PC 機界面顯示控件適時顯示系統(tǒng)狀態(tài) ,便于 系統(tǒng)整體測試 。3 . 1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計系統(tǒng)共用到三種類型的節(jié)點 :終端節(jié)點 、路由節(jié)點和協(xié) 調(diào)器節(jié)點 。每種節(jié)點在硬件層次上都必須包括一個主控模 塊 ( 單 片 機 ) 和 一 個 無 線 收 發(fā) 模 塊 , 如 本 系 統(tǒng) 選 用 P IC18 F4620 單片機為主控模塊 , CC2420 芯片為無線收發(fā) 模塊 9 。終端節(jié)點負責(zé)采集外部環(huán)境信息 ,還應(yīng)搭載相應(yīng) 的傳感器 ( 光敏和紅外傳感 器) 。為了實現(xiàn)協(xié)調(diào)器 節(jié) 點 與 PC 機的通信 ,本系統(tǒng)為協(xié)調(diào) 器節(jié)點配置了一個 RS232 接 口 (還可以采用其它方法 ,如無線通信方法) 。3 . 2 基站節(jié)點控制實現(xiàn)協(xié)調(diào)器節(jié)點與 PC 機通過 RS232 總線相連接 ,組成系 統(tǒng)的基站節(jié)點 ?；竟?jié)點的控制實現(xiàn)主要包括兩部分內(nèi)容 : 協(xié)調(diào)器自身程序設(shè)計與 PC 機界面顯示控件的設(shè)計 。 協(xié)調(diào)器程序要處理接收到的各終端節(jié)點與路由節(jié)點的地址及工作狀態(tài)信息 ,然后再將這些信息通過 RS232 串行 總線發(fā)送給 PC 機 ,如圖 3 上半部分所示 。另一方面 ,協(xié)調(diào)器程序還要能夠響應(yīng)用戶通過 PC 機界面顯示控件發(fā)送來 的指令 ,適時轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的路由或終端節(jié)點 。PC 機界面顯示控件實現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的交互 。它主要 用來將各節(jié)點的地址及工作狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換為拓撲結(jié)構(gòu)圖輸出 ,以更直觀的方式顯示系統(tǒng)的狀態(tài)信息 ,當(dāng)用戶發(fā)現(xiàn)有節(jié) 點工作不正常時 ,便可以及時對相應(yīng)節(jié)點進行維修 。若界面控件顯示各節(jié)點工作狀態(tài)正常 ,用戶還可以通過在控件 上輸入相應(yīng)命令來預(yù)設(shè)某一房間的照明模式 ,如果不使用151圖 1 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖2 . 1系統(tǒng)基站節(jié)點基站節(jié)點位于 系 統(tǒng) 的 頂 層 , 主 要 用 來 監(jiān) 控 整 個 網(wǎng) 絡(luò) 。 它既可以在 PC 機終端界面上顯示網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)圖及各 節(jié)點的工作狀態(tài)信息 ,也可以向路由節(jié)點發(fā)送命令 ,預(yù)設(shè)對 應(yīng)房間的照明模式 。2 . 2房間自主控制子系統(tǒng)房間自主控制子系統(tǒng)對應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的星型網(wǎng) 絡(luò) 6 ,7 ,一般由一個路由節(jié)點和若干終端節(jié)點組成 ,各終端 節(jié)點不能相互通信 ,只能與本房間對應(yīng)的路由節(jié)點交互信 息 。如圖 1 所示 ,終端節(jié)點處于網(wǎng)絡(luò)的最下層 ,它們的主要 作用是采集當(dāng)前房間內(nèi)的人員個數(shù) 、位置及光線強度信息 , 并將這些信息發(fā)給相應(yīng)的路由節(jié)點 ;另一方面 ,終端節(jié)點還預(yù)設(shè)照明模式 ,系統(tǒng)將進入各房間子系統(tǒng)自主控制模式 ,如圖 3 中間部分所示 。拉上窗簾時 ,室內(nèi)光敏傳感器感測到陰暗的結(jié)果 ,進而觸發(fā)設(shè)置照明燈點亮的照明模式 ,從而避免白天拉上窗簾時室 內(nèi)漆黑的結(jié)果 。最后 ,對兩個光敏傳感器感測到的結(jié)果 ,總是選擇最為 漆黑的值作為有效值 。(3) 室內(nèi)人員位置信息判別模塊 。室內(nèi)人員位置信息 的判別由載有紅外傳感的終端節(jié)點來實現(xiàn) 。根據(jù)紅外傳感 的探測距離及室內(nèi)空間的大小 ,可以合理安排紅外終端節(jié) 點的個數(shù)及具體位置 。如圖 2 中 ,編號為 、的節(jié) 點即為室內(nèi)定位的紅外終端節(jié)點 。(4) 照明模式判斷模塊 。照明模式的判斷由路由節(jié)點 根據(jù)當(dāng)前室內(nèi)人員個數(shù) 、光線強度以及室內(nèi)人員位置信息來實現(xiàn) 。路由節(jié)點首先判斷房間內(nèi)有沒有人 ,若沒人 ,則設(shè)置關(guān) 閉室內(nèi)所有照明燈 ( 若干照明模式之一) 。若有人 ,再判斷 室內(nèi)光線強度級別 ,如果室內(nèi)光線較亮 ,仍設(shè)置關(guān)閉所有照 明燈 ;否則 ,再根據(jù)室內(nèi)人員的位置信息來確定相應(yīng)的照明 模式 。其控制流程如圖 4 所示 。圖 3系統(tǒng)控制流程圖3 . 3 子系統(tǒng)控制過程實現(xiàn)房間自主控制子系統(tǒng)由一個路由節(jié)點和若干終端節(jié)點 組成 。載有傳感器 (紅外傳感器或光敏傳感器) 的終端節(jié)點 負責(zé)采集進入房間的人員個數(shù) 、人員在室內(nèi)的位置信息以 及當(dāng)前房間內(nèi)的光線強度 ,并將這些信息轉(zhuǎn)發(fā)給本房間對 應(yīng)的路由節(jié)點 ; 然后 , 由路由節(jié)點對這些信 息 進 行 綜 合 處 理 ,并從預(yù)先設(shè)計好的照明模式中選擇一種和當(dāng)前房間場 景相對應(yīng)的模式發(fā)送給控制照明模式的終端節(jié)點 ;最后 ,由 該終端節(jié)點設(shè)置相應(yīng)的照明模式 ,如圖 3 下半部分所示 。 (1) 人員進出房間判斷模塊 。人員進出房間的判斷由 兩個載有紅外傳感器的終端節(jié)點來實現(xiàn) ,如圖 2 中編號為、的兩個節(jié)點 。將與傳感器相連的單片機引腳配置為 雙邊沿觸發(fā)中斷 ,這樣只有當(dāng) 、先后產(chǎn)生上升沿中斷 ,接著又先后產(chǎn)生下降沿中斷時 ,才認為有人進入了房間 ;同 樣 ,只有 、先后產(chǎn)生上升沿中斷 ,接著又先后產(chǎn)生下降沿中斷 ,才認為有人離開房間 。對于其它的中斷觸發(fā)情況 ,均不認為當(dāng)前房間內(nèi)人員個數(shù)有變化 。(2) 光線強度判斷模塊 。光線強度判斷模塊由載有光 敏傳感器的終端節(jié)點實現(xiàn) 。本系統(tǒng)使用兩個載有光敏傳感 器的終端節(jié)點 ,對應(yīng)圖 2 中靠窗的 A 、B節(jié)點 ?？紤]到光敏傳感器自身的特性與人們的具體需求 ,將 兩個載有光敏傳感器的終端節(jié)點一個置于室外 ,一個置于 室內(nèi)人們拉上窗簾可以遮擋住的地方 。將一個節(jié)點置于室外 ,主要原因是光敏傳感器能感測到室內(nèi)照明燈自身的亮度 。因此 ,如果將光敏傳感器都安 裝在室內(nèi)能感測到照明燈光線的地方 ,當(dāng)照明燈點亮?xí)r ,光 敏傳感器就會得到光線強度較亮的結(jié)果 ,從而引起路由節(jié) 點關(guān)閉照明燈 ,接著又會感測到黑暗的結(jié)果 ,再次設(shè)置照明 燈亮起 ,從而造成室內(nèi)照明模式在亮暗間循環(huán)設(shè)置 。將一個載有光敏傳感器的終端節(jié)點置于室內(nèi)窗簾可以 遮擋住的地方 ,則是為了滿足人們需求 。當(dāng)白天室內(nèi)人員152圖 4 照明模式判別流程圖4 結(jié)束語本文介紹了一個基于 ZigBee 傳 感網(wǎng)的樓宇智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方法 ,在系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上 ,重點剖 析了系統(tǒng)的具體實現(xiàn) 。本系統(tǒng)是 ZigBee 傳感網(wǎng)技術(shù)的一個典型應(yīng)用 ,它不但 可以工作于全自動狀態(tài) ,根據(jù)室內(nèi)場景變化自動切換照明 模式 ,還具備節(jié)能的特點 ,使得在滿足人們照明需求的條件 下 ,最大限度降低能源消耗 ,克服了傳統(tǒng)照明控制系統(tǒng)管理 落后 、浪費能源 、舒適性差及布線復(fù)雜等缺陷 。隨著人們對 照明舒適度的不斷追求以及世界范圍內(nèi)能源日益匱乏 ,本系統(tǒng)應(yīng)用前景十分廣闊 。參考文獻 : 1 沈瑞珠. 智能照明系統(tǒng)在智能建筑中的應(yīng)用 J . 低壓電器 ,2002 ( 5) : 20222 .楊立彪. 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DSP 集成開發(fā)環(huán)境 CCS 及 DSP/ B IO S 的原理與應(yīng)用 M . 北京 :電子工業(yè)出版社 ,2004 .因為 I/ O 空間和數(shù)據(jù)空間的 Fla sh 映射部分在 0 x80000 x F F F F ,所以訪問表 2 中的地址實際上是不可能的 。不 過由于 Fla sh 在擦片 的過程中只能認到 A0 A14 , A15 A19 都被用來選擇存儲空間了 ,所以在實際編程時采用的地址是表 2 中“本文地址”一欄中的內(nèi)容 。 以下是 Fla sh 的擦除過程的程序示例 :void Era se_ Enti re_ Chip ( voi d)U IN T16 3 Te mp ;Te mp = ( U IN T16 3 ) FL A S H_ADDR_ U NL OC K1 ;/ 3 set up addre ss to be 0xD555 3 /3 Te mp = 0xA A ; / 3 writ e dat a 0 xA A to t he address 3 / 2 3 4 (上接第 149 頁) 3 殷云華 ,鄭賓 ,鄭浩鑫 ,等. 一種基于 Matla b 的無刷直流電機控制系統(tǒng)建模仿真方法J . 系統(tǒng)仿真學(xué)報 ,2008 ,20 ( 2) : 2932298 .葉振鐸 ,雷淮剛. 基于 MA TL AB 的無刷直流電動機控制系統(tǒng) 仿真 J . 電氣傳動自動化 ,2005 ,27 ( 1) :23225 .許鎮(zhèn)琳 ,吳忠 ,王秀芝 , 等. 無刷直流伺服電機換向最優(yōu)控制J . 自動化學(xué)報 , 1996 ,22 ( 4) :4282434 .Te mp = ( U IN T16 3 ) FL A S H _ ADD R _ U NL OC K2 ; / 3up addre ss to be 0 xA A A A 3 /3 Te mp = 0x55 ; / 3 writ e dat a 0 x55 to t he addre ss 3 / Te mp = ( U IN T16 3 ) FL A S H _ ADD R _ U NL OC K1 ; / 3up addre ss to be 0 xD555 3 /3 Te mp = 0x80 ; / 3 writ e dat a 0 x80