基于ZigBee技術(shù)的樓道燈協(xié)調(diào)節(jié)能系統(tǒng)

段學(xué)濤 楊梓怡 成思雨 黃烽 許瀚予 于智強

摘要：通過實驗設(shè)計了一款基于Zigbee技術(shù)的樓道燈協(xié)調(diào)節(jié)能系統(tǒng)。通過STM32模塊、人體紅外熱釋電模塊、ZigBee模塊、GPRS模塊、電磁繼電器模塊，將原有的聲控?zé)艨刂菩问睫D(zhuǎn)變?yōu)樽詣涌刂?。在光強低于一定值后系統(tǒng)開始工作。通過檢測人體的進(jìn)入與離開照明區(qū)域，自動開啟照明。通過“人進(jìn)燈亮，人走燈滅”的自動控制形式，減少了噪音的產(chǎn)生，并且節(jié)約了電能。

關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù);人體紅外熱釋電;自動控制;低成本

0 引言

照明與人們的生活緊密聯(lián)系，但也是造成電源浪費的不可忽視的一部分。在能源問題日益嚴(yán)重的今天，如何在不影響人們正常生活的前提下，減少照明電能消耗成為了人們關(guān)注的焦點。ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離、低效率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，信號具有很強的穿墻能力。只要布局合理，可使建筑物內(nèi)沒有無線通信盲區(qū)。

本文研究基于Zigbee技術(shù)的樓道燈協(xié)調(diào)節(jié)能系統(tǒng)，主要用STM32模塊、人體紅外熱釋電模塊、ZigBee模塊、GPRS模塊、繼電器模塊組成。通過人體紅外熱釋電模塊、STM32模塊、ZigBee模塊的信息傳遞，可以實現(xiàn)對樓道燈的開關(guān)以及樓道燈與樓道燈之間的協(xié)調(diào)，使實現(xiàn)最優(yōu)、最節(jié)電的照明方式。所有外圍設(shè)備都圍繞STM32，作為STM32的功能模塊與單片機進(jìn)行信息交換。本系統(tǒng)致力于實現(xiàn)不再需要手動開關(guān)或聲源刺激，在滿足人們照明需求的基礎(chǔ)上實現(xiàn)自動控制的樓道燈系統(tǒng)。

1 整體方案設(shè)計

該系統(tǒng)總體主要以ZigBee節(jié)點，熱釋電模塊，GPRS網(wǎng)絡(luò)，ZigBee協(xié)調(diào)器，STM32模塊以及電磁繼電器等組成。

該結(jié)構(gòu)單節(jié)點運行過程：

由光敏電阻來判斷外界是否需要亮燈，當(dāng)?shù)胶谝箷r光敏電阻電阻變小，熱釋電模塊可開始工作，通過感應(yīng)當(dāng)在節(jié)點范圍內(nèi)時人體發(fā)出的紅外光波（人在進(jìn)入節(jié)點區(qū)域受到的光波，以及人在離開節(jié)點區(qū)域時光波消失），傳遞信號給節(jié)點，再將節(jié)點信號傳輸給總節(jié)點（ZigBee協(xié)調(diào)器），總節(jié)點將所有信號匯總交由STM32模塊處理信號，將反響傳輸回總結(jié)點，再由總結(jié)點把各節(jié)點應(yīng)收到的信號傳回原節(jié)點，繼而控制通過電磁繼電器來控制燈的明滅。

其工作流程為：第一個紅外熱釋電得到人出現(xiàn)的紅外波信號，節(jié)點一燈亮，人走入第二節(jié)點，紅外熱釋電2得到感應(yīng)，紅外熱釋電1失去信號，節(jié)點一燈滅，節(jié)點二燈亮，由此類推，直至所有熱釋電失去感應(yīng)，燈全滅。熱釋電通過感應(yīng)人體發(fā)出紅外波的出現(xiàn)與消失來傳遞信號，達(dá)到控制燈泡亮的時間，從而節(jié)省電能。

2 系統(tǒng)模塊選擇

2.1 人體紅外熱釋電模塊

HC-SR501是基于紅外技術(shù)的自動控制模塊，采用LHI778探頭設(shè)計，靈敏度高，可靠性強，超低電壓工作模式。實現(xiàn)全自動感應(yīng)，人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸出高電平，人離開感應(yīng)范圍則自動延時關(guān)閉高電平，輸出低電平。具有溫度補償、兩種觸發(fā)方式、感應(yīng)封鎖時間、微功耗，等特性，可輸出高電平信號，方便與其他電路實現(xiàn)對接。

2.2 繼電器模塊

繼電器線圈沒有電壓時，繼電器沒有吸合，公共端與常閉端接通，當(dāng)有電壓時，繼電器吸合，公共端與常開端接通。接常開端時，當(dāng)信號觸發(fā)端有高或低電平信號時（按設(shè)置功能），繼電器吸合，相當(dāng)于開關(guān)閉合，此時電路接通，設(shè)備將有電正常工作。接常閉端，當(dāng)信號觸發(fā)端有高或低電平信號時（按設(shè)置功能），繼電器吸合，相當(dāng)于開關(guān)由原來接通變?yōu)閿嚅_，此時設(shè)備將斷電停止工作。

2.3 GPRS模塊

MC52iR3模塊具備高性能GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)通信的所有條件：芯片內(nèi)部自帶了TCP/IP協(xié)議棧，與服務(wù)器之間的通信變得簡單，提供標(biāo)準(zhǔn)的AT指令接口，單片機控制GPRS模塊也很方便，且內(nèi)部包含了基帶處理芯片、供電ASIC、功率放大器以及無線完整射頻模塊。

2.4 ZigBee模塊

CC2530采用了增強型8051內(nèi)核以及CC2520RF收發(fā)器。具有芯片小，便于微型化設(shè)計、Flash大，便于程序設(shè)計、輸出功率大和接收靈敏等特點。CC2530需要的總功耗非常低，但是卻能夠建立起一個強大的網(wǎng)絡(luò)。

3.理論設(shè)計計算

在一些居住樓房樓道走廊大部分是聲控?zé)?，然而聲控?zé)粼谌俗吆笕匀灰烈坏絻煞昼娺@樣就造成了電能的浪費。我們通過紅外熱釋電采集信息，通過GPRS傳輸?shù)絑igBee模塊，STM32處理信息，STM32對ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)出指令，協(xié)調(diào)器對各ZigBee節(jié)點的燈做出調(diào)整進(jìn)行斷電，這樣就節(jié)約了電燈在人走后的電量浪費或者因其他較大聲音而引起的電量浪費。

在低耗電待機模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6～24個月，甚至更長。也就是說

干電池的功率計算為：

1.6Ah×1.5V×2=4.8W

ZigBee每小時的耗電情況為：

4.8W÷4320≈0.001W

因此ZigBee模塊的耗電基本上可以忽略不計。

據(jù)調(diào)查一個聲控?zé)袅寥昼娤牡碾娔?.5W

而由ZigBee控制后：

5/6（W/min）×1min≈1W

一盞燈每亮燈一次就可以節(jié)約1.5W左右，一層樓就至少節(jié)約10×1.5W=15W，一棟樓就至少節(jié)約60×1.5W=90W，依次類推本系統(tǒng)節(jié)約電能的效果非常可觀。

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