基于無線傳感網絡的園區照明控制系統研究

杭州電子科技大學射頻電路與系統教育部重點實驗室　魏　巍　葉秀敏

基于無線傳感網絡的園區照明控制系統研究

杭州電子科技大學射頻電路與系統教育部重點實驗室魏巍葉秀敏

針對傳統園區照明系統自動化控制程度弱、能源利用率低等問題，提出了一種借助傳感器技術及ZigBee無線通信技術來進行自動化管理的照明控制系統，并達到了高效節能目的。采用多種傳感器協調控制智能調整照明參數。通過ZigBee網絡建立通信信道，實現無線傳感器監測節點與監控中心之間的實時數據通信。基于ARM平臺的監控中心實現了數據分析與人機交互功能。實驗測試證明，這種以無線傳感網絡為主的監測控制系統能夠實時采集環境參數，合理布局照明方案，實現按時照明、按需照明，有效提高了能源利用率。

園區照明系統；自動控制；ZigBee；傳感器；ARM

0　引言

目前，燈光照明系統已經成為人們日常生活不可或缺的一部分，形形色色的照明設備遍布大街小巷、家居園林。在諸如校園、公園、小區等園區也存在各自獨立的照明系統，需要照明控制系統來進行管理。然而大部分園區的照明控制系統較為簡單，多采用定時器或光控器讓照明設備在規定時間段內亮滅，存在較大的能源浪費，同時也不便于遠程監控和管理。部分園區管理者為了節約能源，常常關閉部分區域照明，給行人帶來不便和潛在的安全隱患。無線通信技術、傳感器技術及嵌入式技術的發展為實現照明控制系統的自動化和智能化提供了有力的技術支撐［1-2］。本文介紹了一種基于無線傳感網絡的智能化園區照明管理控制系統，能夠根據環境光線強弱自動調整照明強度，能夠檢測周圍行人及車輛靠近自動開啟照明，能夠在控制終端遠程監控各個照明設備狀態（光照強度、電壓電流、溫度等），并可自定義節電照明方案（如間隔照明、弱光照明等），滿足了園區照明智能化管理的要求。

1　系統組成

照明控制系統主要由無線傳感器監測節點和監控中心組成，網絡組成結構如圖1所示。

圖1　系統結構

監控中心包括ARM處理器為核心的控制終端和ZigBee協調器設備，ARM控制終端通過串行接口控制協調器，進而與整個ZigBee無線傳感網絡進行數據交換。圖1給出了由監控中心和15個無線傳感器監測節點組成的無線傳感網絡示意圖，每個無線傳感器監測節點均控制一臺LED照明設備，部分監測節點如節點4、7、13、14，在有需要時還兼具路由功能。分布在園區各處照明設備上的無線傳感器監測節點在協調器作用下能夠以自組織方式形成無線mesh網絡，各個傳感器采集的光照、溫度、電壓等數據信息經協調器傳遞到ARM控制終端，然后對數據進行存儲、分析及處理，而控制終端發出的控制指令也能通過協調器發送到指定監測節點，對照明設備進行控制。

本系統中，無線通信模塊采用CC2530系列芯片，它是TI公司推出的用于2.4GHz IEEE 802.15.4/RF4CE/ZigBee的第二代片上系統解決方案，片內集成了增強型8051CPU內核和RF收發器，結合TI公司的ZStack 協議棧，大大簡化了軟件的開發流程，能夠快捷方便地組建ZigBee無線網絡，實現無線傳感器監測節點間的數據傳輸。

2　系統硬件設計

2.1無線傳感器監測節點硬件設計

無線傳感器檢測節點硬件結構如圖2所示。

圖2　無線傳感器監測節點硬件結構框圖

監測節點主要包括環境檢測單元、控制單元、驅動單元、通信單元以及供電單元五部分。

MCU主控系統采用ATmega128單片機和CC2530的8051內核協同工作。其中ATmega128單片機主要負責傳感器模塊的數據處理及驅動電路的控制功能，CC2530的8051內核則主要負責節點與監控中心的數據通信協議，并由通信單元完成物理收發。ATmega128是ATMEL公司推出的一款低功耗、高性能的8位單片機，穩定型高，具有豐富的外設接口，如6路分辨率可編程（1 到16 位）的PWM、8路10 位ADC、SPI串行接口、兩線制串行接口（I2C）等，方便了微處理器與傳感器電路及驅動電路的連接。

環境檢測部分主要通過傳感器采集當前環境參數（光照強度、行人接近、聲音等）。光照強度檢測采用BH1750VI型環境光照度傳感器，該傳感器具有分辨率高、光譜靈敏度接近人眼視覺、光源依賴性弱、受紅外線影響小等特點。傳感器無需其他外設，直接輸出16位數字信號，可通過I2C總線與微處理器相連。行人接近檢測采用RE200B人體熱釋電紅外傳感器，結合高性能的傳感信號處理集成電路芯片BISS0001，配以少量外圍電路，即可組成熱釋電紅外感應開關，結果以數字信號輸出，當有人進入其感應范圍則輸出高電平，人離開感應范圍則輸出低電平，可直接與微處理器通用I/O接口連接。聲音檢測采用聲音傳感器模塊，傳感器由一個對聲音敏感的電容式駐極體話筒和運算放大器構成。聲波使話筒內的駐極體薄膜振動，導致電容的變化，而產生與之對應變化的微小電壓。這一電壓經運算放大器作用被轉化成0-5V的電壓，可通過微處理器的AD采集功能獲得該電壓值，進而判斷聲音強弱，當電壓值超過設定閾值時可判斷附近有聲源存在。

驅動電路包括光照調節、狀態檢測及溫度反饋調節電路。光照調節電路通過單片機產生PWM波形，根據PWM信號允許或禁止電流通過LED燈，調節PWM波形占空比能夠調節一個周期內流過LED的有效電流的時間，進而達到調光效果。狀態檢測電路通過檢測LED燈具工作時的電壓、電流來判斷燈具的好壞。當LED燈具內部溫度過高時，會引起LED燈出現嚴重的光衰，降低LED的使用壽命，過溫保護電路通過溫度傳感器檢測內部溫度，當內部溫度過高時自動減小輸出電流以降低燈具內部溫度［3-4］。

2.2監控中心硬件設計

監控中心分為ARM控制終端和協調器兩個部分，二者通過串行接口相連。ARM控制終端采用三星公司的ARM9微處理器S3C2440AL作為主控芯片，通過LCD觸摸屏接口實現人機交互。硬件結構如圖3所示。

圖3　監控中心硬件結構框圖

圖4　監測節點主控程序軟件流程

3　系統軟件設計

3.1無線傳感器監測節點軟件設計

ATmega128單片機需要完成傳感器的數據檢測及LED照明驅動電路的控制功能，主控流程圖如圖4所示。首先系統上電，完成硬件初始化，包括各種環境監測傳感器初始化及與CC2530通訊接口的初始化，然后讀取寄存器設置判斷是否處于人工控制狀態，如果是人工控制狀態，則依照人工配置開啟照明，通過PWM信號控制照明亮度。如果是自動控制，則讀取光線傳感器數據，當外部光強較弱時打開照明，接下來開啟定時照明至午夜，進入弱光照明或關閉狀態。這時根據聲音傳感器及紅外感應傳感器檢測到行人經過來控制照明開啟。當環境光強較強時，進入徹底關閉照明狀態。

CC2530的8051內核需要實現ZigBee網絡的加入和數據通信，該功能基于TI公司的ZStack-2007協議棧來完成［5］。協議棧采用結構分層的方式實現了大部分無線組網的工作，用戶只需調用OSAL提供的相關API進行多任務編程，將自己的應用程序作為一個獨立的任務來實現，這里主要實現ATmega128單片機與監控中心的無線管道通信。

3.2嵌入式控制平臺軟件設計

嵌入式監控平臺控制軟件基于嵌入式Linux平臺，采用Qt完成人機界面與功能設計［6］。各傳感器監測節點將照明設備狀態數據通過ZigBee網絡匯總到監控平臺后，進行分析與處理，通過照明節點的電壓與電流狀況判斷設備工作是否正常。系統能夠通過全局設置調節照明開關閾值，照明工作時長等，還可以自定義節電模式，如提供部分燈開啟照明，部分燈開啟感應照明等。此外，亦可單獨針對某個節點進行照明模式及狀態調節，所有設備的工作狀態均可顯示在用戶操作界面上，可通過查詢設置快速查詢。

4　結論

鑒于目前傳統園區照明系統智能監控方面的不足，不利于節能化布局管理，本文采用環境傳感器及ZigBee無線通信網絡設計了智能無線傳感網絡監控系統，實現了園區照明的智能化統一布局管理。經過實驗測試，該系統性能可靠，監測準確，控制響應快捷靈敏，無線傳感器監測節點獨立設計，安裝靈活方便，免除了布線煩擾，降低了系統使用成本，具有一定的推廣意義。

［1］李繼豪，趙瑞峰，李愛莉.基于GSM/GPRS網絡的路燈監控系統［J］.計算機工程與設計，2005（7）：1889-1890.

［2］翟萍，張春玲.城市路燈控制系統的無線解決方案［J］.微計算機信息，2008，24（1）：8-9.

［3］宋鵬程，文尚勝，尚俊，史晨陽，陳穎聰.基于PWM的三基色LED的調光調色方法［J］.光學學報，2015（2）：1-8.

［4］李濤.基于無線傳感器網絡的室內燈光控制系統［J］.新型工業化，2011（9）：16-21.

［5］崔霞，魏魯原.基于ZigBee的園林生態監測系統［J］.電子世界，2015（14）：64-65.

［6］張積紅，吳強.嵌入式Linux研究及其在ARM上的移植［J］.電腦知識與技術，2005（8）：45-48.