江治國

(安徽國防科技職業(yè)學(xué)院 電氣技術(shù)學(xué)院,安徽 六安 237011)

近年來隨著高校的辦學(xué)規(guī)模不斷地?cái)U(kuò)大，教學(xué)場所也不斷地進(jìn)行擴(kuò)建，其中教室、自習(xí)室、實(shí)驗(yàn)室等場所相對分散，教學(xué)場所的照明系統(tǒng)管理成為一大難題.通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)高校都是采用人工管理為主，每棟教學(xué)樓安排值班人員對教室的照明進(jìn)行手動(dòng)控制，這樣不僅成本較高，而且管理比較麻煩[1].我國當(dāng)前正在加快推進(jìn)節(jié)約型社會(huì)，提倡利用節(jié)能環(huán)保設(shè)備，但是現(xiàn)在多數(shù)高校的照明都是使用日光燈，日光燈不僅耗能大，而且使用壽命短，燈管需要經(jīng)常更換，造成很大的能源與資源浪費(fèi).本文設(shè)計(jì)的教室照明系統(tǒng)中，照明設(shè)備使用LED,管理系統(tǒng)基于ZigBee技術(shù)，實(shí)現(xiàn)分散與集中管理相結(jié)合，本地與遠(yuǎn)程控制相結(jié)合，有效地降低了管理成本，提高了管理效率[2].

1 燈光控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

燈光控制系統(tǒng)以ARM嵌入式控制器為核心，由多個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)通過ZigBee協(xié)調(diào)器組成ZigBee網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)主要連接照度傳感器檢測模塊、人體紅外傳感器以及教室的LED照明燈光節(jié)點(diǎn)，傳感器主要負(fù)責(zé)采集教室內(nèi)的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過ZigBee協(xié)調(diào)器傳輸至ARM嵌入式控制器進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)送至LED驅(qū)動(dòng)器，從而控制教室內(nèi)的燈光照明系統(tǒng)；同時(shí)用戶可以通過遠(yuǎn)程終端設(shè)備以及本地控制按鈕實(shí)現(xiàn)對教室燈光的控制與管理.燈光控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示.

圖1 燈光控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2 燈光控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ARM嵌入式控制器系統(tǒng)

圖2 ARM嵌入式控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

本設(shè)計(jì)采用S3C2440A處理器作為核心控制器，通過串口與ZigBee協(xié)調(diào)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)照明系統(tǒng)的控制.為確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性需求，系統(tǒng)采用C/S架構(gòu).采用這種架構(gòu)可以并行處理多個(gè)控制終端的命令，其控制邏輯部分通過與嵌入式數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互，一方面負(fù)責(zé)接收ZigBee協(xié)調(diào)器傳送過來的數(shù)據(jù)信息，通過解析與運(yùn)算，將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器端，讓用戶實(shí)時(shí)查看家庭中各種終端設(shè)備的狀態(tài)[3-4]；另一方面負(fù)責(zé)接收用戶發(fā)送的指令，發(fā)送到家庭網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)解析指令后向ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送指令，從而實(shí)現(xiàn)對家庭中各種終端設(shè)備的遠(yuǎn)程控制.ARM嵌入式控制器硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.

2.2 ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)

ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)主要包括CC2530最小系統(tǒng)、串口電路、電源模塊、LED燈、按鍵電路以及仿真調(diào)試接口等部分，ZigBee節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示.ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)的主要硬件為CC2530最小系統(tǒng)，CC2530是一款針對嵌入式ZigBee應(yīng)用而推出的片上系統(tǒng)，其內(nèi)部有8051CPU、RAM等部件，具有功耗小、成本低等特點(diǎn)[5-7].CC2530最小系統(tǒng)圖如圖3所示.

2.3 LED調(diào)光系統(tǒng)

LED燈一般都需要進(jìn)行亮度控制與調(diào)整，當(dāng)前采用的技術(shù)有模擬調(diào)光、可控硅調(diào)光以及PWM調(diào)光燈技術(shù)，模擬調(diào)光主要通過改變電阻值實(shí)現(xiàn)調(diào)光，雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是調(diào)光效果不佳.可控硅調(diào)光主要通過導(dǎo)通角控制相位的變化來控制燈光，雖然效率比模擬調(diào)光技術(shù)高，但是當(dāng)系統(tǒng)不穩(wěn)定時(shí)，導(dǎo)通狀態(tài)就難以維持，從而使LED燈產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象.本文采用PWM數(shù)字調(diào)光技術(shù)，通過控制芯片產(chǎn)生的PWM信號來控制電流的開通與關(guān)斷時(shí)間的比例，進(jìn)而有效地提高了調(diào)光效率與燈光的穩(wěn)定性，其中LED的驅(qū)動(dòng)選擇驅(qū)動(dòng)芯片HV9910[8].PWM調(diào)光信號主要通過HV9910芯片的PWM_D管腳實(shí)現(xiàn)的.調(diào)光信號經(jīng)過微控制器發(fā)出，微控制器可根據(jù)照明需求調(diào)節(jié)PWM信號的占空比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對LED路燈的調(diào)光作用,LED調(diào)光系統(tǒng)電路如圖4所示.

圖3 CC2530 最小系統(tǒng)圖

圖4 LED調(diào)光系統(tǒng)電路

2.4 電源與復(fù)位電路設(shè)計(jì)

ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)主要以CC2530最小系統(tǒng)為核心[9-10]，該最小系統(tǒng)的供電電源為3.3 V，同時(shí)也可以滿足S3C2440A的存儲(chǔ)器的供電需求，所以在電源供電電路設(shè)計(jì)中，采用了具有低電壓差、大電流輸出的LT1084集成穩(wěn)壓芯片，S3C2440A內(nèi)核供電電源則使用性價(jià)比較高的LM1117三端集成穩(wěn)壓芯片提供的1.2 V電壓輸出，CC2530最小系統(tǒng)供電電路如圖5所示[11]，S3C2440A內(nèi)核供電電路如圖6所示，其中采用MAX811S芯片來監(jiān)測處理器的復(fù)位信號，復(fù)位電路圖如圖7所示.

圖5 CC2530最小系統(tǒng)供電電路

圖6 S3C2440A內(nèi)核供電電路

圖7 復(fù)位電路

2.5 通信接口電路設(shè)計(jì)

在通信接口電路中，要將處理器的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232總線電平，主要是通過SP3232芯片實(shí)現(xiàn)的.在該電路中，串口1(VB1)主要用于教學(xué)樓智能燈光控制網(wǎng)關(guān)與用戶控制終端之間的通信，串口2(VB2)主要用于實(shí)現(xiàn)ARM處理器與教學(xué)樓內(nèi)部ZigBee協(xié)調(diào)器之間的通信.通信接口電路如圖8所示.

圖8 通信接口電路

2.6 人體紅外傳感器模塊電路設(shè)計(jì)

人體紅外傳感器模塊主要以BISS0001紅外信號處理芯片為核心元件，電路中BISS0001紅外信號處理芯片的A引腳外接高電平，若人體紅外傳感器檢測到教室有人持續(xù)存在時(shí)，則VO引腳持續(xù)輸出高電平；只有當(dāng)人體紅外信號消失后VO引腳經(jīng)過延時(shí)一段時(shí)間后才輸出低電平.該電路不僅具有較高的感應(yīng)靈敏度，而且抗干擾性能較強(qiáng).人體紅外傳感器模塊電路原理圖如圖9所示.

圖9 人體紅外傳感器模塊電路原理圖

2.7 光強(qiáng)度檢測模塊電路設(shè)計(jì)

光強(qiáng)度檢測模塊以BH1750數(shù)字型光強(qiáng)度集成電路為核心元件，該集成電路模塊可以根據(jù)光線強(qiáng)度的變化來調(diào)整燈光的亮度.利用該元件構(gòu)成的電路，能夠有效監(jiān)測和控制教室內(nèi)的光照強(qiáng)度，滿足照明需求.光強(qiáng)度檢測模塊電路原理圖如圖10所示.

圖10 光強(qiáng)度檢測模塊電路原理圖

3 燈光控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

教室智能燈光控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括ARM控制器控制程序設(shè)計(jì)、ZigBee協(xié)議棧的開發(fā)、ZigBee終端節(jié)點(diǎn)程序、ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序以及調(diào)光系統(tǒng)程序等[12-13].本系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)采用IAR軟件進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)之前要完成軟件的安裝，并且還要安裝仿真器驅(qū)動(dòng)程序、串口驅(qū)動(dòng)程序以及其他輔助軟件.

圖11 ARM控制器控制程序流程圖

3.1 ARM控制器控制程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中ARM控制器核心采用C/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，能夠使系統(tǒng)更加穩(wěn)定、安全性更高.用戶通過控制終端經(jīng)網(wǎng)絡(luò)接口向ARM控制器傳輸指令，ARM控制器通過串口電路經(jīng)網(wǎng)關(guān)與ZigBee協(xié)調(diào)器連接，從而實(shí)現(xiàn)對終端節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制.ARM控制器控制程序流程圖如圖11所示.

3.2 ZigBee協(xié)議棧的開發(fā)

ZigBee子網(wǎng)關(guān)軟件程序主要基于ZigBee協(xié)議棧進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，ZigBee子網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)主要在Z-Stack模板現(xiàn)有模板的基礎(chǔ)上創(chuàng)建其自身的工程模板[14].ZigBee協(xié)議棧裝載在IAR開發(fā)環(huán)境工程中，通過ZigBee協(xié)議規(guī)范進(jìn)行分層處理，各層之間通過相應(yīng)的接口進(jìn)行交互.ZigBee協(xié)議棧的開發(fā)過程主要完成兩項(xiàng)任務(wù)，第一項(xiàng)任務(wù)是通過啟動(dòng)代碼來完成硬件系統(tǒng)的初始化和軟件架構(gòu)中的各硬件初始化，第二項(xiàng)任務(wù)就是ARM控制器的操作系統(tǒng)的相關(guān)執(zhí)行程序.ZigBee協(xié)議棧執(zhí)行的多項(xiàng)任務(wù)是在OSAL基礎(chǔ)上運(yùn)行的，通過調(diào)度協(xié)議棧中定義的各層任務(wù)，采用輪轉(zhuǎn)查詢以及優(yōu)先級來執(zhí)行相應(yīng)的工作任務(wù).

3.3 ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

ZigBee協(xié)調(diào)器完成硬件的初始化后，通過內(nèi)部自組網(wǎng)，一方面接收從ARM處理器串口發(fā)來的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；另一方面接收來自終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并與教學(xué)樓智能燈光控制網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互.ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖12所示.

3.4 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)包括人體紅外傳感器模塊數(shù)據(jù)處理程序、光強(qiáng)度檢測模塊處理程序以及終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的處理程序等.ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的主要功能是完成數(shù)據(jù)的采集，并與上級節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互.首先，通過搜索并加入網(wǎng)絡(luò)ZigBee，然后，采集教室的人體紅外參數(shù)和光照強(qiáng)度參數(shù)，再向協(xié)調(diào)器發(fā)送命令，從而實(shí)現(xiàn)對燈光的有效控制[15].ZigBee終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)流程圖如圖13所示.

圖12 ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序流程圖

圖13 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)程序流程圖

4 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

4.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸距離測試

當(dāng)ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)完成自組網(wǎng)之后，按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求網(wǎng)絡(luò)覆蓋整個(gè)教學(xué)樓區(qū)域，否則終端節(jié)點(diǎn)將無法加入到ZigBee網(wǎng)絡(luò)，上位機(jī)通過串口分別與協(xié)調(diào)器以及終端節(jié)點(diǎn)連接，借助串口調(diào)試助手進(jìn)行信息的發(fā)送與接收，統(tǒng)計(jì)丟包率與錯(cuò)誤率，如表1所示.測試結(jié)果表明，隨著通信距離的增加，通信的數(shù)據(jù)丟包率會(huì)上升.

表1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸距離測試結(jié)果

4.2 控制系統(tǒng)整體測試

系統(tǒng)整體測試包括終端節(jié)點(diǎn)信息采集測試、系統(tǒng)組網(wǎng)測試等.通過測試表明，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶借助遠(yuǎn)程控制終端實(shí)現(xiàn)對教室燈光的遠(yuǎn)程管理，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果.

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)的教室照明系統(tǒng)的分散與集中管理相結(jié)合，本地與遠(yuǎn)程監(jiān)控管理相結(jié)合的照明管理控制系統(tǒng)，基本實(shí)現(xiàn)了其控制功能，對于在同一幢教學(xué)樓內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)對燈光的有效控制.但是，隨著通信距離的增加，丟包率也會(huì)隨之提高，今后將在這些方面進(jìn)行進(jìn)一步地改進(jìn)與完善.