基于ZigBee的教室照明監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃 強(qiáng)，余立建

(西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610031)

隨著教育的發(fā)展，學(xué)校對(duì)硬件投入加大，校園照明系統(tǒng)不斷擴(kuò)大，在帶來(lái)絢麗和方便的同時(shí)，也帶來(lái)了費(fèi)用高、管理難、故障匯報(bào)慢等問(wèn)題。一套高效的照明監(jiān)控系統(tǒng)可以大大節(jié)省人力財(cái)力。當(dāng)今無(wú)線通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)快速發(fā)展，為集中控制每一盞燈、遠(yuǎn)程識(shí)別故障燈、測(cè)控各種電參數(shù)及選用多種控制策略為一體的教室智能照明控制系統(tǒng)提供了技術(shù)支撐。

1 ZigBee簡(jiǎn)介

2009年濟(jì)南園博園已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了小范圍內(nèi)基于ZigBee的路燈和景觀燈監(jiān)控，基于ZigBee技術(shù)的照明監(jiān)控系統(tǒng)將是未來(lái)照明監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)主要發(fā)展方向。ZigBee是一種新興的短距離、低速率、低成本、低復(fù)雜度的無(wú)線通信技術(shù)[1]，目前在近距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。它是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)協(xié)議，可工作在免費(fèi)的2.4 GHz公共頻段，傳輸速率為10 Kbps～250 Kbps，單節(jié)點(diǎn)實(shí)際傳輸距離根據(jù)發(fā)送功率大小和應(yīng)用模式而定，在無(wú)遮擋情況下能達(dá)到100 m以上。ZigBee可以組成高可靠性的Mesh網(wǎng)，不僅能自組織，而且能夠自恢復(fù)，保證了系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。ZigBee實(shí)行嚴(yán)格的功率管理機(jī)制，主要通過(guò)降低收發(fā)信機(jī)的忙閑以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l率來(lái)降低開(kāi)銷，例如關(guān)機(jī)及睡眠模式[2]。以上特點(diǎn)，正好符合對(duì)離散分布的照明燈具進(jìn)行組網(wǎng)的需要。

ZigBee 協(xié)議定義了3 種設(shè)備[3]， 即全功能設(shè)備(FFD)、精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)備。具備控制器的功能RFD 在網(wǎng)絡(luò)中通常作為終端節(jié)點(diǎn)，相互之間不能直接通信，只能與FFD或協(xié)調(diào)器通信。FFD除具有RFD功能外，一般可用作網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器實(shí)際上是FFD的一種，只是擁有更多的計(jì)算能力和系統(tǒng)資源，它在網(wǎng)絡(luò)組建中擔(dān)任協(xié)調(diào)者，負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，并與其它的FFD或RFD連接。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

Zigbee網(wǎng)絡(luò)支持三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型、樹(shù)狀型、網(wǎng)狀型[4]。在星型結(jié)構(gòu)中協(xié)調(diào)器在中心發(fā)揮協(xié)調(diào)作用，所有節(jié)點(diǎn)只與協(xié)調(diào)器通信，其它節(jié)點(diǎn)可以是FFD，也可以是 RFD；在樹(shù)狀型網(wǎng)絡(luò)中有多個(gè)FFD和RFD，遠(yuǎn)距離終端節(jié)點(diǎn)只能經(jīng)過(guò)FFD路由才能與協(xié)調(diào)器通信；在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中存在多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)，任意兩個(gè)路由節(jié)點(diǎn)可互相通信，終端節(jié)點(diǎn)則只能經(jīng)路由節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器通信。

由于教學(xué)樓內(nèi)環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，信號(hào)遮擋較多，呈現(xiàn)出空間立體特點(diǎn)，故采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)。為了能夠保證zigbee網(wǎng)絡(luò)有效連通性，在每層樓樓梯口等通信效果較好的地方要放置一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)兩層樓之間的路由。以每間教室為單元，設(shè)置一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，這樣避免一個(gè)教室出現(xiàn)故障而導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的現(xiàn)象，在距離協(xié)調(diào)器最近端和最遠(yuǎn)端的教室可以設(shè)置RFD節(jié)點(diǎn)。為避免信號(hào)因穿墻而減弱，可以將節(jié)點(diǎn)模塊安裝在教室外墻，該節(jié)點(diǎn)通過(guò)擴(kuò)展與各個(gè)燈組的傳感器和繼電器進(jìn)行連接。

監(jiān)控中心由計(jì)算機(jī)和協(xié)調(diào)器組成，具有遙測(cè)、遙控、存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)功能，可以對(duì)整個(gè)教學(xué)樓照明系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)建立、管理和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)接收各個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的信息，然后通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)給計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)終端顯示實(shí)時(shí)狀況并發(fā)送控制命令。路由節(jié)點(diǎn)具有終端控制、信息采集、自動(dòng)報(bào)警的功能。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

教室節(jié)點(diǎn)主要由ZigBee模塊、傳感器、繼電器及擴(kuò)展/選擇電路組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 教室節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 hardware structure of classroom node

ZigBee模塊采用CC2530作為控制電路核心，該芯片是專門(mén)針對(duì)2.4G IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的片上系統(tǒng)解決方案，其特點(diǎn)是以極低的總材料成本建立較為強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)[5]。芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了一個(gè)8051微處理器與高性能RF收發(fā)器，并集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換、ZigBee射頻前端、定時(shí)器等模塊。系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存最高可達(dá)128KB，同時(shí)具有多種運(yùn)行模式，且運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間很短，進(jìn)一步降低能源消耗。而一個(gè)CC2530只有21個(gè)I/O引腳，無(wú)法達(dá)到分別控制并采集信號(hào)的要求，在此可以通過(guò)擴(kuò)展/選擇電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)燈的控制或信號(hào)采集。對(duì)于燈較多的教室，可以分配兩個(gè)或三個(gè)節(jié)點(diǎn)。

大學(xué)教室在上課或自習(xí)時(shí)人員分布不一，且面積較大，燈下各處的光照度也不一樣，所以每個(gè)燈都安裝人體探測(cè)器和光照度傳感器，微處理器根據(jù)檢測(cè)到的是否有人和自然光光照度來(lái)進(jìn)行開(kāi)關(guān)燈操作。人體探測(cè)器和光照度傳感器的設(shè)計(jì)在此不作為設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

無(wú)線信號(hào)在教學(xué)樓內(nèi)傳輸時(shí)對(duì)發(fā)射功率和接收信號(hào)的靈敏度要求較高，雖然相鄰兩個(gè)教室節(jié)點(diǎn)距離很近，但是在轉(zhuǎn)角或者上下樓層的地方CC2530不一定能夠滿足通信要求，要解決這一問(wèn)題，可以在 CC2530 工作電路中加入 CC2591 射頻前端來(lái)提高輸出功率和接收靈敏度，從而達(dá)到增加傳輸距離的目的。 CC2591 通過(guò)一個(gè)功率放大器以增加輸出功率，并通過(guò)一個(gè)低噪聲放大器改進(jìn)接收靈敏度。它采用 4mm×4mm QFN16 小尺寸封裝，模塊集成了功率放大器、低噪聲放大器、收發(fā)切換開(kāi)關(guān)、非平衡變壓器和邏輯電路等高性能模塊[6]。CC2530 射頻輸入/輸出端具有高阻抗、差分的特性，在設(shè)計(jì)終端節(jié)點(diǎn)時(shí)，使用巴倫天線的布線方式來(lái)作為非平衡變壓器，而CC2591內(nèi)部本身就存在一個(gè)巴倫結(jié)構(gòu)的非平衡變壓器和一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)，由此可以實(shí)現(xiàn)CC2591 到 CC2530的無(wú)縫接口。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先進(jìn)行初始化并由協(xié)調(diào)器組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，組建成功后，各節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送至協(xié)調(diào)器，然后傳至計(jì)算機(jī)，再保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，管理員可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行開(kāi)關(guān)燈操作，由于使用了擴(kuò)展/選擇電路，可以具體到每一盞燈。一般情況下系統(tǒng)處于自動(dòng)控制狀態(tài)。教室節(jié)點(diǎn)在每天教室關(guān)閉后進(jìn)入休眠狀態(tài)以降低功耗，在教室打開(kāi)后進(jìn)入工作狀態(tài)，微處理器輪詢各個(gè)燈的傳感器輸出端，根據(jù)各個(gè)燈的光照度和人員情況進(jìn)行開(kāi)關(guān)燈控制。如發(fā)生報(bào)警，如教室電流過(guò)高，則向監(jiān)控中心發(fā)送報(bào)警信息以待確認(rèn)和檢修。節(jié)點(diǎn)自動(dòng)控制流程圖如圖2所示。

圖2 教室節(jié)點(diǎn)自動(dòng)控制流程圖Fig.2 Automatic control flow ofclassroom node

本系統(tǒng)采用C/S模式，以Microsoft Visual Studio 2010為監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，C#語(yǔ)言編制，數(shù)據(jù)庫(kù)使用SQL Server 2008，上位機(jī)軟件主要功能是實(shí)時(shí)接收由串口傳遞的數(shù)據(jù)并加以分包、計(jì)算、處理、顯示以及保存，通過(guò)響應(yīng)管理員指令，可對(duì)終端燈節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制、配置、查詢。上位機(jī)主界面如圖3所示，主要功能包括：

圖3 教室監(jiān)控界面Fig.3 Classroom monitoring interface

顯示與監(jiān)控：實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)教室電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)采集；可以按樓層選擇，查看當(dāng)前功率、用電量、報(bào)警或故障；實(shí)現(xiàn)分區(qū)域開(kāi)關(guān)及單燈開(kāi)關(guān)的控制；

數(shù)據(jù)查詢：節(jié)點(diǎn)配置信息與各教室狀態(tài)信息均保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便管理員查詢歷史數(shù)據(jù)；并能形成電流、電壓等電量報(bào)表和運(yùn)行日志報(bào)表；

參數(shù)配置：包括校正系統(tǒng)時(shí)間、設(shè)置zigbee節(jié)點(diǎn)短地址和各項(xiàng)報(bào)警參數(shù)，管理員設(shè)置好參數(shù)后，系統(tǒng)后臺(tái)將通過(guò)協(xié)調(diào)器發(fā)送到各個(gè)節(jié)點(diǎn)。

教室監(jiān)控界面如圖3所示。

3 結(jié)論

此系統(tǒng)具有兩個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)：一是控制方便，監(jiān)控中心能控制到具體的每一盞燈，每一盞燈的狀態(tài)也能在控制中心得到顯示，還可以根據(jù)實(shí)際需要提花靈活多樣的控制方案，以滿足不同的場(chǎng)景照明需要。當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)某一節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，其他節(jié)點(diǎn)不會(huì)受到影響，而故障節(jié)點(diǎn)還可以手動(dòng)進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作；二是成本低，只安裝兩個(gè)光感傳感器，用于采集實(shí)時(shí)外界光照度，全程采用無(wú)線通信，無(wú)需布線、易安裝且運(yùn)行后無(wú)通信費(fèi)用。本系統(tǒng)可以有效地實(shí)現(xiàn)教室照明系統(tǒng)科學(xué)高效的控制和資源整合，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的，有著廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 無(wú)線龍.Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)原理[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2011.

[2] ZigBee Alliance.ZigBee Specification.2005：21～26.

[3] 江修波.ZigBee技術(shù)及其應(yīng)用[J].低壓電器，2005(7)：27～33.

[4] 原羿，蘇鴻根.基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2004(6)：89～91.

[5] 熊志遠(yuǎn).基于Zigbee技術(shù)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2011.

[6] Charlotte Seem, Torjus Kallerud.Using CC2591 Front End with CC2530[J]. IEEE Communication Magazine, 2008, 35(7): 53～56.