劉博達

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ZigBee傳輸技術(shù)發(fā)展和建立教室照明燈智能控制系統(tǒng)

劉博達

電費是學(xué)校必不可少的費用支出，各個學(xué)校都存在電能浪費現(xiàn)象，教室內(nèi)照明燈電能浪費尤其嚴重，高等學(xué)校教室內(nèi)出現(xiàn)“燈比人多”的現(xiàn)象比比皆是；節(jié)約能源，減少支出，實現(xiàn)教室內(nèi)照明燈人性化管理必須納入學(xué)?！肮?jié)源開流”日程之內(nèi)，建立zigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸教室照明燈智能控制系統(tǒng)勢在必行。為了有效節(jié)約學(xué)校教室照明燈用電浪費問題，本文設(shè)計的121（ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)控制的教室照明燈智能系統(tǒng)，通過人數(shù)采集器統(tǒng)計教室內(nèi)區(qū)域的人數(shù)，利用光敏傳感器模塊實現(xiàn)了對教室光照亮度的檢測調(diào)節(jié)，滿足了教室內(nèi)照明燈需求的前提下成功地避免了不必要的照明燈電能的損耗。

ZigBee無線傳感器 人數(shù)采集器 光敏傳感器 照明燈智能控制系統(tǒng)

1　引言

電費是高等院校必不可少的費用支出，各個學(xué)校都存在電能浪費現(xiàn)象，教室內(nèi)照明燈電能浪費尤其嚴重，即使教室無人或人數(shù)稀少時室內(nèi)照明燈也全 部打開，高等學(xué)校教室內(nèi)出現(xiàn)“燈比人多”的現(xiàn)象比比皆是；大多數(shù)大學(xué)生習(xí)慣于一進教室就開燈、走時也不隨時關(guān)燈，教室內(nèi)電費支出不在學(xué)生考慮范圍內(nèi)，學(xué)生們沒有節(jié)約能源的意識，在陽光明媚的白天照亮不無：節(jié)約能源，減少支出，實現(xiàn)教室照明燈人性化管理必須納入學(xué)?！肮?jié)源開流”日程之內(nèi)，基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的發(fā)展建立一套教室內(nèi)照明燈智能控制系統(tǒng)也勢在必然。

2　ZigBee 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展與其他無線傳輸技術(shù)比較優(yōu)勢

2.1ZigBee 無線傳輸技術(shù)發(fā)展

ZigBee聯(lián)盟于2001年8月成立。2004年， ZigBee聯(lián)盟推出了ZigBee Speci f ication規(guī)范。為工業(yè)界統(tǒng)一了基于IEEE 802.15.4標準之上的網(wǎng)絡(luò)層和 應(yīng)用層規(guī)范。 ZigBee是一種低速無線個域網(wǎng)技術(shù)（Low Rate Wireless Personal Network）具有近距離、低功耗、低速率、低成本的雙向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。 ZigBee具備的優(yōu)點：超大的網(wǎng)絡(luò)容量.靈活的工作頻段，安全的數(shù)據(jù)傳輸，較低的系統(tǒng)成本，靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和極低的系統(tǒng)功耗。ZigBee傳輸技術(shù)的缺點：低速率，傳輸速率上限僅為250Kbps。 目前在標準眾多的短距離無線傳輸領(lǐng)域，ZigBee傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展速度已經(jīng)超越了藍牙、紅外線傳輸?shù)葻o線技術(shù)，ZigBee傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)，農(nóng)業(yè)，軍事，環(huán)境，醫(yī)療等傳統(tǒng)領(lǐng)域都具有極高的應(yīng)用價值，未來其應(yīng)用更將擴展到人類日常生活和社會生產(chǎn)活動的很多領(lǐng)域：因此在ZigBee技術(shù)應(yīng)用快速發(fā)展形勢下，建立ZigBee照明燈節(jié)能智能 控制系統(tǒng)具有現(xiàn)實意義。

2.2ZigBee 與其他無線傳輸技術(shù)比較優(yōu)勢

隨著無線技術(shù)的日益發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò) （wireless sensor network，WSN）已經(jīng)成為重要的研究領(lǐng)域，無線傳輸技術(shù)應(yīng)用越來越被各行各業(yè)所接受；國際上開展了大量的研究工作，取得了豐富的研究成果，其中短距離無線通信技術(shù)各具特色，無線通信短距離傳輸技術(shù)比較成熟完善、普遍接受的有Bluetooth、Wi—Fi、Inf ra-red Data（IrDA）、ZigBee等。

2.2.1Bluetooth

Bluetooth是一種短距離無線通信技術(shù)，傳輸距離為10米之內(nèi)，可以用在移動電話、無線耳機、PDA以及電腦等多種設(shè)備之間的無線信息之間的交換。Bluetooth Technology技術(shù)的特點主要表現(xiàn)在三個方面：一是全球可免費使用，規(guī)格相同。Bluetooth Technology使用的2.4GHz的波段運行，頻道采用23.79個頻道間隔為1MHz的時分雙工方式： 使用Bluetooth Technology不需要支付任何費用，只需要向手機供應(yīng)商注冊使用的CDMA或GSM。

二是Bluetooth Technology是低功耗、低成本及小體積的無線傳輸設(shè)備，可以應(yīng)用到極微小的設(shè)備中。

三是Bluetooth Technology易于安裝和使用。 Bluetooth Technology是一項即時技術(shù)，不要求固定設(shè)施，可以隨身攜帶個人局域網(wǎng)，也可以連接其他網(wǎng)絡(luò)。

四是藍牙設(shè)備組網(wǎng)靈活，提供點對點和點對多點的無線連接基于TDMA原理組網(wǎng)，它的數(shù)據(jù)速率可達1Mbps。

五是Bluetooth Technology系統(tǒng)具有很高的抗干擾能力。由于Bluetooth Technology采用跳頻速率為1 600/秒，使得藍牙系統(tǒng)具有很高的抗干擾能力。

2.2.2Wj-Fi

Wi—Fi（Wireless—Fidel i ty）是一個高頻無線電信號，具有無線保真技術(shù)的功能，可以將個人電腦、手機、PAD等終端以無線方式互相連接，其目的改善基于 IEEE802.1l標準的無線網(wǎng)路產(chǎn)品之間的互通性。

Wi—Fi的主要功能是使用IEEE 802.1lb或802.1la 無線電技術(shù)提供安全、可靠、快速的無線連通性。 wi—Fi網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)速率可達1 1Mbps一300Mbps，信號發(fā)射功率低于1 00mw，低于手機發(fā)射功率，信號傳輸范圍100m。

Wi—Fi最主要優(yōu)勢：不受有線線路的制約，使用范圍廣泛。廠商只要在公共場所人員比較密集的場 所設(shè)置“熱點”就可以，用戶只要把支持無線保真的 電腦、PDA、手機等帶到“熱點”區(qū)域，即可上網(wǎng)。

看客這一生態(tài)共同體只有圍觀起哄的“精神”，此外絕無任何價值可言。它創(chuàng)建出的集體人格，扭曲變形、丑陋不堪。而“文化”之所以能稱其為“文化”，亦必是“人類之間進行交流的普遍認可的一種能夠傳承的意識形態(tài)”?！翱纯臀幕辈豢赡芤膊粦?yīng)該成為傳承下去的意識形態(tài)，因為，我們想消滅還唯恐不及（雖然這種意識形態(tài)延續(xù)了千年，一直沒有消滅）！

wi—Fi的弊端：Wi—Fi無線電波易受干擾，資料包被截取的可能性高。

2.2.3Inf ra—red Data（IrDA）

IrDA是1993年由紅外數(shù)據(jù)協(xié)會（Inf ra—red Data Association，IrDA）研究的利用紅外線進行點與點通信的短距離的無線傳輸技術(shù)，屬于無線局域網(wǎng)傳輸方式之一。

IrDA使用也不受國家無線管理委員會的限制，其硬件和軟件技術(shù)比較成熟?，F(xiàn)在的紅外數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)為IRDA 1.0，簡稱SIR（Serial Inf rared）t81，它是基于HP.SIR開發(fā)出來的一種異步的、半雙工的紅外通信方式，它同其它無線傳輸技術(shù)一樣省去了線路連接，主要用于手提電腦、無線遙控器、無線游戲終端、移動電話、計算器、無線工業(yè)儀表、無線數(shù)碼播放器以及打印機之類的辦公設(shè)備等等。

Inf ra—red Data技術(shù)的主要優(yōu)勢有三個方面： 一是利用Inf ra—red Data傳輸不需要申請?zhí)囟l率使用執(zhí)照。二是體積小、功率低、耗電量低。三是紅外數(shù)據(jù)傳輸所受干擾較少，適合于家庭和辦公室使用，傳輸速率較高，速率可以達到16mb/s。

Inf ra.red Data傳輸弊端：傳輸距離很短，傳輸?shù)木€路必須為直線，中間不能有阻擋物。

2.2.4ZigBee，Bluetooth，Wi—Fi，IrDA無線傳輸技術(shù)性能比較

綜上分析可知，無論是ZigBee、Bluethooth、Wi.Fi以及IrDA技術(shù)，它們都具有各自的特點，適用在不同的應(yīng)用場合，它們之間存在著相互競爭、相互補充的關(guān)系，誰也不能完全替代另外一種。為了更加直觀的表述和比較短距離無線通信技術(shù)的性能，作者整理了藍牙、wi—Fi、IrDA和ZigBee四種無線傳輸技術(shù)性能。

Bluetooth的工作頻段最?。?20rim），其次是IrDA（980nm）。zigBee傳輸速率高于 Bluetooth平HIrDA兩種短距離傳輸速率，次于wi-Fi的 傳輸速率。ZigBee的通信距離最長（10m一300m），IrDA通信距離最短（0.2m.10m）。功率消耗最小的是IrDA（低于10mw），其次是ZigBee（最大功率消耗30mW）。連接設(shè)備數(shù)ZigBee最多，節(jié)點數(shù)目可以高 達65536個，IrDA連接設(shè)備數(shù)只有2個，即點與點對接。設(shè)備安裝成本IrDA最小，安裝成本低于55；其次是ZigBee的安裝成本低于105：wi—Fi的安裝成本最高，要求較高的安裝成本可達600$。ZigBee、 Wi-Fi和IrDA短距離無線局域網(wǎng)都屬于數(shù)據(jù)傳輸類型，Bluetooth技術(shù)傳輸屬于語音型。

綜上分析可知，ZigBee無線傳輸技術(shù)在傳輸速率、通信距離和連接設(shè)備數(shù)量上占據(jù)絕對優(yōu)勢，功率耗能和使用成本低于藍牙fHwi—Fi設(shè)備，是建立學(xué)校教室和自習(xí)室照明燈節(jié)能智能控制系統(tǒng)理想的設(shè)備。

基于zigBee無線傳輸技術(shù)建立教室照明節(jié)能智能控制系統(tǒng)

可以看到，ZigBee無線傳輸技術(shù)具有低功耗、低成本、網(wǎng)絡(luò)容量大、適宜安裝使用場合的特性，建立學(xué)校教室照明燈智能控制系統(tǒng)，實施節(jié)能型校園是可行的。

3　ZigBee 無線傳輸教室照明節(jié)能智能控制系統(tǒng)設(shè)計

ZigBee標準基于IEEE802.15.4協(xié)議而建立，具備了強大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能。它支持三種主要的自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型：星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和樹狀結(jié)構(gòu)。ZigBee網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有很強的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。ZigBee簇狀結(jié)構(gòu)則綜合了以上兩種網(wǎng)絡(luò)類型的特點，這種組網(wǎng)通常會使Zigbee網(wǎng)絡(luò)更加靈活、高效、可靠。而學(xué)校教室和自習(xí)室的照明燈設(shè)備的節(jié)能智能控制系統(tǒng)只能建立在ZigBee星型結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上。

基于ZigBee設(shè)備多節(jié)點和星狀結(jié)構(gòu)連接技術(shù)，設(shè)想在每棟教學(xué)樓安裝一臺電腦控制中心，控制中心安裝有協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)絡(luò)的指揮中樞，每層樓設(shè)定幾個路由器作為數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)站，每個教室作為一個終端節(jié)點，ZigBee模塊從協(xié)調(diào)器自動獲得16位的地址信息，自行初始化并加入網(wǎng)絡(luò)成為網(wǎng)絡(luò)中的成員。

4　zigBee 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸教室照明智能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

實現(xiàn)教室照明節(jié)能智能控制可以從兩個方面考慮：一是在不影響正常使用的前提下減少教室燈具的損耗；二是降低節(jié)能系統(tǒng)本身的功耗。zigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)正好滿足以上兩個條件，具有低功耗和傳輸及時的功能。本系統(tǒng)選用超低功耗的單片機，電源電路使用LM2596開關(guān)電源模塊，燈光驅(qū)動器使用無線圈觸點的固態(tài)繼電器，激光傳感器使教室照明燈實現(xiàn)智能化控制，使教室照明燈開啟的數(shù)量隨著人數(shù)的變化而變化。教室照明燈安裝激光傳感器的功能主要有三個方面：（1）當(dāng)沒有人在教室時，燈具全部關(guān)閉；（2）當(dāng)教室有人時開啟適當(dāng)?shù)臒?數(shù)；（3）白天光照較強，無需亮燈，光敏傳感器可以 檢測教室內(nèi)的光亮強度，當(dāng)光照充足時自動關(guān)閉教室內(nèi)的照明燈具?；谏鲜龇治觯瑉igBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸教室照明 節(jié)能智能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計主要由協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由結(jié)點和教室終端節(jié)點組成；ZigBee協(xié)調(diào)器自動獲得 16位的地址信息，自行初始化并加入網(wǎng)絡(luò)成為網(wǎng)絡(luò) 中的成員。通過光電傳感器判斷教室內(nèi)是否有人，通過對光強度的檢測判斷教室內(nèi)的缺光程度，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將這些信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點依據(jù)設(shè)定算法采取適當(dāng)?shù)臎Q策控制教室內(nèi)的燈具，從而實現(xiàn)室內(nèi)燈具的智能控制。

教室照明節(jié)能智能控制硬件主要由 LPC2103微處理器、LCD液晶顯示器、可中斷鍵盤、 ZigBee無線傳輸模塊、MSP430單片機、人數(shù)采集器、光敏傳感器和燈光驅(qū)動器八個部分組成。其中，由于協(xié)調(diào)器節(jié)點的工作量較大，可以選擇嵌入式LPC2103微處理器作為主控制器。LPC2103是NXP公司基于 ARM7TDMI—S的微處理器推出的新產(chǎn)品，特別適用于低功耗控制場合。其工作程序是：終端結(jié)點、路由結(jié)點通過人數(shù)采集器檢測教室內(nèi)是否有人以及人數(shù)，光電傳感器判斷檢測教室內(nèi)的光線強弱，通過 ZigBee將這些信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點依據(jù)設(shè)定好的算法采取適當(dāng)?shù)臎Q策控制教室內(nèi)照明燈開啟盞數(shù)，實現(xiàn)了教室內(nèi)照明燈的智能控制。

5　ZigBeJij 線網(wǎng)絡(luò)教室照明智能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于ZigBee無線傳輸教室照明燈智能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計主要考慮的是教室人數(shù)統(tǒng)計、教室光線強度測量、節(jié)點之間傳輸和教室照明燈開啟、關(guān)閉的數(shù)量智能控制。與傳統(tǒng)的教室照明設(shè)備相比較，ZigBee系統(tǒng)主要使用了低功耗單片機，控制系統(tǒng)自身的功耗可大幅降低；實現(xiàn)了CRC算法，提供了數(shù)據(jù)的錯誤檢查，并提高了系統(tǒng)的可靠性：同時還使用了無線傳感網(wǎng)絡(luò)，CC2530內(nèi)嵌的協(xié)議棧使得路由數(shù)據(jù)包成為了可能，為學(xué)校教學(xué)樓群的統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)造了條件。

當(dāng)系統(tǒng)上電時，系統(tǒng)進行初始化，ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點在完成硬件初始化后，進入輪詢狀態(tài)，當(dāng)收到數(shù)據(jù)時，先做CRC校驗，若校驗正確則解析相應(yīng)的命令：一是到了關(guān)燈時間系統(tǒng)將自動關(guān)燈。二是不到關(guān)燈時間，光敏傳感器將通過智能控制器發(fā)送指令開啟教室照明燈：如果人數(shù)采集器沒有采集到人數(shù)，時鐘控制器將延遲5分鐘關(guān)閉教室內(nèi)照明燈開關(guān)：如果教室內(nèi)有人，人數(shù)采集器和光敏傳感器同時工作：光敏傳感器檢測教室內(nèi)光的強度、人數(shù)采集器采集教室內(nèi)的人數(shù)，通過單片機 MSP430控制繼電器打開教室照明燈設(shè)備，使電磁鐵工作，ZigBee路由節(jié)點和教室終端節(jié)點發(fā)送控制信號，依據(jù)指令開啟或關(guān)閉教室內(nèi)照明燈盞數(shù)。

6　教室照明燈智能控制系統(tǒng)安裝

一般學(xué)校標準教室80平方米左右，78—80個座位，21根40瓦的照明燈管（其中，講臺3根燈管，學(xué)生座位18根燈管：兩兩并聯(lián)，三三串聯(lián)）。講臺3 根燈管各自有獨自的開關(guān)，教師根據(jù)上課需要開啟講臺照明燈盞數(shù)。學(xué)生座位上的18根9組燈管開啟采 NZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸智能控制系統(tǒng)：將教室分為9個區(qū)域，每個區(qū)都安裝人數(shù)采集器；一個教室安裝一個光敏傳感器，一個照明系統(tǒng)和一個單片機，通過單片機實現(xiàn)教室照明燈智能控制系統(tǒng)。

7　結(jié)論

本文設(shè)計的以ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)控制的教室照明燈智能系統(tǒng)，通過人數(shù)采集器統(tǒng)計教室內(nèi)區(qū)域的人數(shù)，利用光敏傳感器模塊實現(xiàn)了對教室光照亮度的檢測調(diào)節(jié)，滿足了教室內(nèi)照明燈需求的前提下成功地避免了不必要的照明燈電能的損耗。經(jīng)測試，ZigBee無線傳輸教室照明燈智能控制系統(tǒng)很大程度上節(jié)約電源，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、節(jié)能性，實現(xiàn)了學(xué)校教室內(nèi)照明燈控制系統(tǒng)的信息化、 智能化。隨著學(xué)校招生人數(shù)的不斷擴展，各個學(xué)校的教學(xué)樓、自習(xí)室、實驗室、圖書館不斷增加，電費支出逐年增長，節(jié)約能源減少電費支出已經(jīng)列上學(xué)校的議事日程；隨著ZigBee技術(shù)的廣泛應(yīng)用，建立以zigBee無線傳輸教室照明智能控制系統(tǒng)的成本也會因ZigBee技術(shù)的日趨成熟而不斷降低。

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