基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的校園戶外照明管理系統(tǒng)

曹佳維++杜榮旭++黃淵森++李德龍

照明光源的研究日益成熟，在智能化物聯(lián)網(wǎng)化的今天，照明的智能控制還是短板，尤其是照明需求量大的校園。ZigBee是一種雙向無(wú)線通訊技術(shù)，擁有低功耗、低成本、低復(fù)雜度、延時(shí)短和網(wǎng)絡(luò)容量大的特點(diǎn)，與藍(lán)牙、Wi—Fi相比更適用于校園戶外照明管理的數(shù)據(jù)傳輸。本文將重點(diǎn)介紹基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的校園戶外照明管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)想法，使校園照明戶外照明管理更加智能化。

ZigBee技術(shù)控制智能化

一、關(guān)于戶外照明與校園戶外照明的分析

1、戶外照明現(xiàn)狀分析

十三五規(guī)劃中，在各級(jí)政府的報(bào)告中多次出現(xiàn)了智能城市等相關(guān)的詞匯，智能照明作為智能化城市的一部分，則是扮演著其重要的作用，并且如今的戶外照明的增速已經(jīng)超過(guò)40%，市場(chǎng)的潛力巨大，如今的LED技術(shù)則是被廣大的應(yīng)用，先進(jìn)的光源技術(shù)更加需要的是先進(jìn)的控制技術(shù)。同時(shí)有相關(guān)的專家提出，智能化的照明不應(yīng)該是局部開(kāi)關(guān)控制，而應(yīng)該是真正意義上的實(shí)現(xiàn)智能化，真正的體現(xiàn)出它的智能化，由此可見(jiàn)，戶外照明的智能化已經(jīng)成為以后發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2、為何選擇校園的戶外照明

如今的校園戶外照明主要涉及路燈及部分指示性燈具，其中部分高校已經(jīng)安裝LED路燈，例如天津工業(yè)大學(xué)自制的LED路燈已經(jīng)運(yùn)行十余年，但智能的控制系統(tǒng)至今還不完善。所以此次的智能化設(shè)計(jì)針對(duì)于學(xué)校主要有以下幾點(diǎn)。第一，學(xué)校屬于國(guó)家教育的支柱，很多新生事物的興起與發(fā)展都在學(xué)校發(fā)起，具有領(lǐng)頭羊的作用；第二，學(xué)校的師生以及工作人員有著較為規(guī)律的作息時(shí)間，對(duì)于整體的人員的管理較為容易；第三，學(xué)校的戶外照明利用率低，尤其夜間休息后，學(xué)校封校，無(wú)人走動(dòng)，造成資源的大量浪費(fèi)。基于以上幾點(diǎn)，我們對(duì)學(xué)校的戶外照明進(jìn)行智能化控制。

二、ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee是一種雙向無(wú)線通訊技術(shù)，可工作在2.14GHz、868MHz和915 MHz頻段上，具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率。作為一種無(wú)線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

（1）低功耗：由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW，且采用了休眠模式，功耗低，因此該設(shè)備非常省電。

（2）成本低：由于該模塊的復(fù)雜度低，ZigBee協(xié)議免專利，且所使用的頻段無(wú)需付費(fèi)，故成本較低。

（3）時(shí)延短：通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設(shè)備時(shí)延為30ms，休眠激活的時(shí)延是15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms。

（4）網(wǎng)絡(luò)容量大：一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可容納一個(gè)主設(shè)備和254個(gè)從設(shè)備和，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。

（5）ZigBee、藍(lán)牙及Wi-Fi技術(shù)的對(duì)比

如今的無(wú)線傳輸技術(shù)主要有ZigBee、藍(lán)牙、Wi-Fi等，它們各有自身的獨(dú)特之處。下表詳細(xì)地列出了這三種技術(shù)在單點(diǎn)覆蓋距離、電池壽命、傳輸速率等方面的指標(biāo)。

對(duì)比上述三種技術(shù)不難發(fā)現(xiàn)，ZigBee技術(shù)在低功耗、低復(fù)雜度以及低成本方面都表現(xiàn)不俗。

三、校園戶外照明智能化的具體功能介紹

我們的主體設(shè)計(jì)是應(yīng)用ZigBee模塊將校園網(wǎng)絡(luò)中的燈具與傳感器等進(jìn)行連接，讓其具備自動(dòng)開(kāi)關(guān)、故障檢測(cè)、人員管理、數(shù)據(jù)分析等一系列的功能，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排加智能化校園的目的。

1、自動(dòng)開(kāi)關(guān)功能

我們?cè)诿總€(gè)燈上面加上了一個(gè)人體檢測(cè)模塊以及紅外模塊，當(dāng)有人或者車輛靠近的時(shí)候可以提前的開(kāi)啟路燈，同時(shí)將信息傳遞給下一個(gè)路燈，讓其提前到的打開(kāi)路燈，為體驗(yàn)者提供更好的照明效果，當(dāng)一段時(shí)間檢測(cè)不到人或者車輛的時(shí)候，降低燈具的光照強(qiáng)度，從而減小燈的耗能。

2、故障檢測(cè)功能

在燈具的底端，我們還裝有一個(gè)光強(qiáng)檢測(cè)模塊，讓其對(duì)光強(qiáng)有一個(gè)時(shí)實(shí)的檢測(cè)的功能，同時(shí)對(duì)于異常的數(shù)據(jù)，例如人體檢測(cè)模塊檢測(cè)到人，但整體的光強(qiáng)卻沒(méi)有明顯的變化，說(shuō)明燈具的某些部位產(chǎn)生了故障，這時(shí)候通過(guò)ZigBee的通訊傳輸給信息的終端，人們就可以進(jìn)行更快的維護(hù)，更加的節(jié)約了成本。

3、人員管理功能

通過(guò)人體檢測(cè)、紅外等的監(jiān)測(cè)，再者就是ZigBee通訊網(wǎng)絡(luò)的行成，信息的終端可以收到各個(gè)位置傳來(lái)的報(bào)告，路燈的亮與滅，其實(shí)就是人們活動(dòng)范圍以及頻率的體現(xiàn)，通過(guò)這種方式我們可以更加清楚的了解整個(gè)學(xué)校人員的流動(dòng)，并且對(duì)夜間的防盜提供了更有利的保障。

4、數(shù)據(jù)分析功能

每隔一定的區(qū)域，我們會(huì)設(shè)立一個(gè)小型的數(shù)據(jù)分析站，對(duì)整個(gè)的校園的戶外燈具的使用情況做一個(gè)整體的統(tǒng)計(jì)與分析，為未來(lái)更加節(jié)能及智能話的產(chǎn)生，做了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并對(duì)自己的產(chǎn)品的優(yōu)化做了良好的保障。

我們此次的想法已經(jīng)通過(guò)了實(shí)驗(yàn)室階段的驗(yàn)證，全部符合相應(yīng)的功能要求，軟件與硬件功能正常，且具有良好的穩(wěn)定性，但是距離成品的發(fā)布還需要一定的時(shí)間，今后的優(yōu)化與革新將是我們的發(fā)展新方向。

四、總結(jié)

在智能化物聯(lián)網(wǎng)化的今天，如何選擇合適的技術(shù)與日常使用巧妙的結(jié)合是很重要的。利用低功耗低成本的ZigBee技術(shù)與復(fù)雜的校園戶外照明控制系統(tǒng)相結(jié)合，讓校園戶外照明控制更加便利簡(jiǎn)潔，也節(jié)約了社會(huì)資源，起到了節(jié)能減排的作用。

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