基于ZigBee传感网的楼宇智能照明控制系统的设计与实现.docx

文章编号 :10072130 X (2009) 0820150203基于 Zi gBee 传感网的楼宇智能照明控制系统的设计与实现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周晓伟1 , 2 , 蔡建平1 , 郑增威1 , 应晶1 , 2ZHO U Xiao2wei1 , 2 , CAI Jian2ping1 , ZHENG Zheng2wei1 ,Y ING Jing1 , 2( 1 . 浙江大学城市学院 , 浙江 杭州 310015 ; 2 . 浙江大学计算机科学与技术学院 , 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 :本文介绍了一种楼宇智能照明控制系统的设计与实现技术 。系统以基于 ZigBee 协议的无线传感器网络为理论依据 ,是一种面向节能型的智能照明控制系统 。它根据感测到的当前室内的光线强度 、人员个数及位置信息来自动判断 和设置预先设计好的照明模式 ,能够有效克服传统照明模式管理落后 、浪费能源 、舒适性差及布线复杂等缺陷 。描述了系 统基于网状 ( Me sh) 拓扑结构的体系架构 ,并在此基础上从系统节点的硬件设计 、室内环境信息的采集及照明模式的判断 等方面分析了系统的实现过程 。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.关键词 : ZigBee ;无线传感器网络 ;智能照明控制系统 ;节能Key words :ZigBee ; wirele ss senso r net wo r k ;intelligent light co nt rol system ;ener gy saving中图分类号 : T P391文献标识码 : A明模式多样的追求 ,而且更容易造成能源浪费 。例如 ,当人离开房间忘记关灯时 ,就会出现“长明灯”现象 1 。因此 ,随 着社会的不断发展 ,传统照明控制系统越来越难以满足人 们的需求 。近年来 ,国内外许多研究人员对室内照明智能控制系 统的相关技术已经做了很多工作 。目前主流的节能型照明1 引言目前 ,大多数建筑 物 仍 然 沿 用 传 统 的 照 明 控 制 方 式 。传统照明控制系统控制方式单一 ,只有开和关两种状态 ;管 理方式落后 ,需要人为管理 。这样不仅不能满足人们对照3 收稿日期 :2008204223 ;修订日期 :2008209206基金项目 :浙江 省 科 技 计 划 资 助 项 目 ( 2007 C31005 ) ; 浙 江 省 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 ( Y106809 ) ; 杭 州 市 科 技 创 新 资 助 项 目( 20070231 H05)作者简介 :周晓伟 ( 19842) ,男 ,河南驻马店人 ,硕士生 ,研究方向为无线传感器网络 ; 蔡建平 ,博士生 ,讲师 , 研究方向为嵌入式应用和 VL SI 设计 ;郑增威 ,博士 ,副教授 ,研究方向为传感器网络 、普适计算和操作系统设计开发 ;应晶 ,教授 ,博士生导师 ,研究方向为软件开发方法 、软件体系结构和软件工程规范 。通讯地址 :310015 浙江省杭州市浙江大学城市学院研究生部 ; 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智能控制系统 2 ,3 主要是有线控制 4 , 也有 采 用 射 频 和 蓝牙技术的无线照明控制系统 。然而 ,专门针对 ZigBee 传感 器网络技术 5 ,6 的节能型室内照明智能控制的研究工作却 很少 。在此背景下 ,本文结合近来在国内发展迅猛的 ZigBee及无线传感器网络技术 ,提出了一种新型的智能照明控制 系统 。该系统由若干网络节点组成 ,各节点通过 ZigBee 协 议进行通信 。整个系统工作于全自动状态 ,通过采集外界 环境信息 ,并根据这些信息的变化来自动切换和设置相应 的照明模式 。例如 ,当人员全部离开房间时 ,系统自动调整 房间照明模式为关闭室内 所有照明灯 , 从而避免了“长 明 灯”现象 。根据接收到的路由节点的指令来设置房间的照明模式 。图 2 为房间自主控制子系统节点布置的一个实例 。房 间入口处上侧为 0 号路由节点 ,编号为 、的两个节点为 终端节点 ,用于采集进入房间内人员个数 。靠窗的 A、B两 终端节点用于采集当前房间内的光线强度信息 。负责采集 人员在房间内位置信息的节点为 、号终端节点 。剩余的 X、Y、Z 三个终端节点用来控制房间照明模式的设 置 ,其中 X 节点控制室顶四盏下照灯 , Y 节点控制矩形桌旁 的两盏壁灯 , Z 节点控制书桌上的台灯 。2 系统架构本系统的实现采用由终端节点 、路由节点和协调器节 点组成的 Mesh 拓扑结构的无线传感器网络 6 ,7 ,如图 1 所 示 。网络中各节点通过 ZigBee 协议进行通信 ,通信距离为30 米70 米 ,可以覆盖整幢大楼 8 。楼宇中每个房间对应 一个路由节点和若干终端节点 ,这些节点构成了本房间内的照明自主控制子系统 。为了实现用户与系统的交互 ,引入一台 PC 机 。该 PC机与协调器节点直接相连 ,组成系统的基站节点 。 整个系统由基站节点与各房间自主控制子系统组成 ,在 ZigBee 协议有效通信距离内 ,各子系统通过各自的路由 节点相互转发信息 ,进而形成到基站节点的多跳网络 ,实现 与基站节点的信息交互 。图 2 房间自主控制子系统节点布置模型图3 系统实现在系统体系架构的指导下 ,首先实现基站节点的控制设计 ,然后在各房间自主控制子系统的实现过程中 ,即可利 用基站节点 PC 机界面显示控件适时显示系统状态 ,便于 系统整体测试 。3 . 1 网络节点设计系统共用到三种类型的节点 :终端节点 、路由节点和协 调器节点 。每种节点在硬件层次上都必须包括一个主控模 块 ( 单 片 机 ) 和 一 个 无 线 收 发 模 块 , 如 本 系 统 选 用 P IC18 F4620 单片机为主控模块 , CC2420 芯片为无线收发 模块 9 。终端节点负责采集外部环境信息 ,还应搭载相应 的传感器 ( 光敏和红外传感 器) 。为了实现协调器 节 点 与 PC 机的通信 ,本系统为协调 器节点配置了一个 RS232 接 口 (还可以采用其它方法 ,如无线通信方法) 。3 . 2 基站节点控制实现协调器节点与 PC 机通过 RS232 总线相连接 ,组成系 统的基站节点 。基站节点的控制实现主要包括两部分内容 : 协调器自身程序设计与 PC 机界面显示控件的设计 。 协调器程序要处理接收到的各终端节点与路由节点的地址及工作状态信息 ,然后再将这些信息通过 RS232 串行 总线发送给 PC 机 ,如图 3 上半部分所示 。另一方面 ,协调器程序还要能够响应用户通过 PC 机界面显示控件发送来 的指令 ,适时转发给相应的路由或终端节点 。PC 机界面显示控件实现用户与系统的交互 。它主要 用来将各节点的地址及工作状态信息转换为拓扑结构图输出 ,以更直观的方式显示系统的状态信息 ,当用户发现有节 点工作不正常时 ,便可以及时对相应节点进行维修 。若界面控件显示各节点工作状态正常 ,用户还可以通过在控件 上输入相应命令来预设某一房间的照明模式 ,如果不使用151图 1 系统层次结构图2 . 1系统基站节点基站节点位于 系 统 的 顶 层 , 主 要 用 来 监 控 整 个 网 络 。 它既可以在 PC 机终端界面上显示网络的拓扑结构图及各 节点的工作状态信息 ,也可以向路由节点发送命令 ,预设对 应房间的照明模式 。2 . 2房间自主控制子系统房间自主控制子系统对应无线传感器网络中的星型网 络 6 ,7 ,一般由一个路由节点和若干终端节点组成 ,各终端 节点不能相互通信 ,只能与本房间对应的路由节点交互信 息 。如图 1 所示 ,终端节点处于网络的最下层 ,它们的主要 作用是采集当前房间内的人员个数 、位置及光线强度信息 , 并将这些信息发给相应的路由节点 ;另一方面 ,终端节点还预设照明模式 ,系统将进入各房间子系统自主控制模式 ,如图 3 中间部分所示 。拉上窗帘时 ,室内光敏传感器感测到阴暗的结果 ,进而触发设置照明灯点亮的照明模式 ,从而避免白天拉上窗帘时室 内漆黑的结果 。最后 ,对两个光敏传感器感测到的结果 ,总是选择最为 漆黑的值作为有效值 。(3) 室内人员位置信息判别模块 。室内人员位置信息 的判别由载有红外传感的终端节点来实现 。根据红外传感 的探测距离及室内空间的大小 ,可以合理安排红外终端节 点的个数及具体位置 。如图 2 中 ,编号为 、的节 点即为室内定位的红外终端节点 。(4) 照明模式判断模块 。照明模式的判断由路由节点 根据当前室内人员个数 、光线强度以及室内人员位置信息来实现 。路由节点首先判断房间内有没有人 ,若没人 ,则设置关 闭室内所有照明灯 ( 若干照明模式之一) 。若有人 ,再判断 室内光线强度级别 ,如果室内光线较亮 ,仍设置关闭所有照 明灯 ;否则 ,再根据室内人员的位置信息来确定相应的照明 模式 。其控制流程如图 4 所示 。图 3系统控制流程图3 . 3 子系统控制过程实现房间自主控制子系统由一个路由节点和若干终端节点 组成 。载有传感器 (红外传感器或光敏传感器) 的终端节点 负责采集进入房间的人员个数 、人员在室内的位置信息以 及当前房间内的光线强度 ,并将这些信息转发给本房间对 应的路由节点 ; 然后 , 由路由节点对这些信 息 进 行 综 合 处 理 ,并从预先设计好的照明模式中选择一种和当前房间场 景相对应的模式发送给控制照明模式的终端节点 ;最后 ,由 该终端节点设置相应的照明模式 ,如图 3 下半部分所示 。 (1) 人员进出房间判断模块 。人员进出房间的判断由 两个载有红外传感器的终端节点来实现 ,如图 2 中编号为、的两个节点 。将与传感器相连的单片机引脚配置为 双边沿触发中断 ,这样只有当 、先后产生上升沿中断 ,接着又先后产生下降沿中断时 ,才认为有人进入了房间 ;同 样 ,只有 、先后产生上升沿中断 ,接着又先后产生下降沿中断 ,才认为有人离开房间 。对于其它的中断触发情况 ,均不认为当前房间内人员个数有变化 。(2) 光线强度判断模块 。光线强度判断模块由载有光 敏传感器的终端节点实现 。本系统使用两个载有光敏传感 器的终端节点 ,对应图 2 中靠窗的 A 、B节点 。考虑到光敏传感器自身的特性与人们的具体需求 ,将 两个载有光敏传感器的终端节点一个置于室外 ,一个置于 室内人们拉上窗帘可以遮挡住的地方 。将一个节点置于室外 ,主要原因是光敏传感器能感测到室内照明灯自身的亮度 。因此 ,如果将光敏传感器都安 装在室内能感测到照明灯光线的地方 ,当照明灯点亮时 ,光 敏传感器就会得到光线强度较亮的结果 ,从而引起路由节 点关闭照明灯 ,接着又会感测到黑暗的结果 ,再次设置照明 灯亮起 ,从而造成室内照明模式在亮暗间循环设置 。将一个载有光敏传感器的终端节点置于室内窗帘可以 遮挡住的地方 ,则是为了满足人们需求 。当白天室内人员152图 4 照明模式判别流程图4 结束语本文介绍了一个基于 ZigBee 传 感网的楼宇智能照明控制系统的设计与实现方法 ,在系统架构的基础上 ,重点剖 析了系统的具体实现 。本系统是 ZigBee 传感网技术的一个典型应用 ,它不但 可以工作于全自动状态 ,根据室内场景变化自动切换照明 模式 ,还具备节能的特点 ,使得在满足人们照明需求的条件 下 ,最大限度降低能源消耗 ,克服了传统照明控制系统管理 落后 、浪费能源 、舒适性差及布线复杂等缺陷 。随着人们对 照明舒适度的不断追求以及世界范围内能源日益匮乏 ,本系统应用前景十分广阔 。参考文献 : 1 沈瑞珠. 智能照明系统在智能建筑中的应用 J . 低压电器 ,2002 ( 5) : 20222 .杨立彪. C2bu s 智能照明控制系统与节能 J . 智能建筑与城 市信息 ,2005 ( 11) :88290 .魏平俊 ,谢靖. 家用照明智能控制系统的硬件设计 J . 中国科技信息 ,2005 ( 19) : 43 .邹吉平. 基于现场总线的智能照明控制系统分析与探讨 J .低压电器 ,2005 ( 7) :19222 .Zi gBee Specificatio n 2006 EB/ OL . 2007207215 . ht t p :/ /www . zigbee . o r g .(下转第 155 页) 2 3 4 5 FL A S HO E 为 Fla sh 的输出使能信号 ; FL A S HC E 为 Fla sh的片选信号 。为了完成 C5416 的并行自举加载工作 ,最重要的是要 将做好的 Boo t 表以 dsp . h 头文件的形式添加到烧写工程 中 ,然后通过烧写工程将其写 进 Fla sh 芯片中 。本 设计中 的 Fla sh 芯片烧写步骤如下 :(1) 将 Fla sh 芯片复位 ,使其进入工作状态 ;(2) 对 Fla sh 芯片中要编程的地方进行擦除 ,以免后面 出现错误 。(3) 在 CCS 软件开发环境下 ,对烧写工程进行编译 、加 载 ,然后运行程序使烧写完成 。(4) 将写入 Fla sh 的内容读出进行校验 。选择 CCS 软 件的 Veiw 菜单下的 Memo r y 栏 ,出现 Memo r y windo w op2tio ns 对话框 。选择数据空间且起始地址为 0x8000 ,不断刷 新 ,当看到数据空间的内容为与 dsp . h 文件中一样的十六 进制代码时则说明烧写成功 。一般的 Fla sh 芯片的擦写过程都基 本相同 , 在 此给出 设计中对 Fla sh 进行整片擦除的过程 。擦除的编程步骤有 六步 ,如表 2 所示 。表 2 Fla sh 芯片擦除步骤4 并行自举加载结果在本文中 ,工程 experiment1 . pjt 进行的是 A S K 调制 ,当按照上述过程将并行自举加载完成之后断开系统电源 , 然后再进行加电操作 。在示波器上可以看到 A S K 调制的 波形图 ,如图 2 所示 。图 2 A S K 调制波形图5 结束语本文详细地阐述和分析了 DSP 并行自举加载的原理 ,设计了以 TM S320V C5416DSP 为 CPU 和 A m29L V160 为 外扩 Fla sh 的 DSP 嵌入式系统 ,给出了系统的硬件结构 ,并 通过软件编程 ,成功地实现了 DSP 并行自举加载 ,且系统运行稳定 。步骤地址 ( 0 x)本文地址 ( 0x)数据 ( 0 x)1234555552 A A A555555552 A A AD555A A A A D555D555A A A AA A5580A A55参考文献 : 6 5555 D555 10 1 Teax s Inst r u ment s. TMS320 V C5416 Fi xed2Poi nt Digit al Si g2nal Proce sso r M . 2000 .张勇. C/ C + + 语 言硬件 程序 设计 基于 TMS320 C5000系列 DSP M . 西安 : 西安电子科技大学出版社 ,2003 .A MD. A m29L V160D 16 megait ( 2 M 8bit / 1 M 16 bit ) CMO S 3 . 0 Vol t2o nl y Boo t Secto r Fla sh Memo r y M . 2000 . 彭启琮 , 管庆. DSP 集成开发环境 CCS 及 DSP/ B IO S 的原理与应用 M . 北京 :电子工业出版社 ,2004 .因为 I/ O 空间和数据空间的 Fla sh 映射部分在 0 x80000 x F F F F ,所以访问表 2 中的地址实际上是不可能的 。不 过由于 Fla sh 在擦片 的过程中只能认到 A0 A14 , A15 A19 都被用来选择存储空间了 ,所以在实际编程时采用的地址是表 2 中“本文地址”一栏中的内容 。 以下是 Fla sh 的擦除过程的程序示例 :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 页) 3 殷云华 ,郑宾 ,郑浩鑫 ,等. 一种基于 Matla b 的无刷直流电机控制系统建模仿真方法J . 系统仿真学报 ,2008 ,20 ( 2) : 2932298 .叶振铎 ,雷淮刚. 基于 MA TL AB 的无刷直流电动机控制系统 仿真 J . 电气传动自动化 ,2005 ,27 ( 1) :23225 .许镇琳 ,吴忠 ,王秀芝 , 等. 无刷直流伺服电机换向最优控制J . 自动化学报 , 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