建筑電氣智能應(yīng)急照明系統(tǒng)設(shè)計研究

馮秀娟

摘?要：為了解決建筑常規(guī)應(yīng)急照明時常存在的浪費電源、電池壽命短的問題，基于ZigBee技術(shù)提出智能應(yīng)急照明系統(tǒng)，將光照及溫度傳感器與CC2430芯片作為核心，建立無線網(wǎng)絡(luò)以發(fā)送、接收數(shù)據(jù)。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可實時采集系統(tǒng)溫度，可智能化控制采集數(shù)據(jù)與收到的命令。

關(guān)鍵詞：智能應(yīng)急照明系統(tǒng);溫度傳感器;光強傳感器;路由器

建筑常規(guī)應(yīng)急照明系統(tǒng)存在能源浪費、電池過充過放等問題，對應(yīng)急燈使用壽命造成影響，不能實現(xiàn)遠程控制，不具備火災(zāi)預(yù)警功能。基于ZigBee技術(shù)建設(shè)智能應(yīng)急照明系統(tǒng)，可實現(xiàn)對建筑應(yīng)急照明系統(tǒng)的智能化控制，經(jīng)測試證實其具有一定可行性，具體如下。

一、總體方案設(shè)計

智能應(yīng)急照明系統(tǒng)的架構(gòu)見圖1。

光強采集芯片、溫度采集芯片及CC2430ZigBee芯片構(gòu)成核心控制板，將核心控制板嵌入照明燈。網(wǎng)絡(luò)可采集照明燈工作狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)等信息。區(qū)域路由節(jié)點支持數(shù)個照明燈節(jié)點加入并傳輸數(shù)據(jù)信息，協(xié)調(diào)器接入所有區(qū)域的路由器節(jié)點，匯總信息并簡單分析、總結(jié)，之后將信息傳輸至上位機，上位機系統(tǒng)對信息進行分析后即可掌握各區(qū)域的應(yīng)急照明燈節(jié)點位置、附近火災(zāi)情況等[1]。

二、系統(tǒng)實現(xiàn)

1.硬件設(shè)計

1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

無線收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊組成了該模塊。該模塊可以采集照明燈自身、環(huán)境信息，能實現(xiàn)對燈狀態(tài)的控制。

光強傳感器芯片為TSL2561，其特點在于可編程、配置靈活、功耗低、量程寬（0-40000lux），其對光照強度進行判斷控制應(yīng)急照明燈，當(dāng)正常供電或停電但外部光線條件較好的情況下不發(fā)光，只有在停電且外部光線條件較差的情況下發(fā)光，從而節(jié)省電能消耗。溫度傳感器可以通過數(shù)據(jù)線供電。兩個傳感器由于對工作電壓沒有特殊要求，電池、電源經(jīng)過相應(yīng)處理就可以使用。

電壓采集電路為CC2430芯片，可以實時采集電池的電壓，電壓采集電路的作用在于檢測有電、停電情況下的電池電壓，對電池充放電進行控制。

1.2 無線收發(fā)模塊

無線收發(fā)模塊由各種電路、存儲單元構(gòu)成。系統(tǒng)對數(shù)據(jù)量要求不高，因此不增加其他MCU，將CC2430芯片內(nèi)部的8051芯片作為節(jié)點控制器。結(jié)合應(yīng)急燈內(nèi)部特性及CC2430芯片的特點，無線收發(fā)模塊包括復(fù)位電路、狀態(tài)檢測電路、電容濾波電路、巴倫電路及晶振電路等[2]。

2.軟件設(shè)計

2.1 組建網(wǎng)絡(luò)

基于Z-Stack協(xié)議棧設(shè)計應(yīng)用程序、建立網(wǎng)絡(luò)并實現(xiàn)無線發(fā)送等。協(xié)調(diào)器節(jié)點供電后進行初始化，之后協(xié)調(diào)器節(jié)點對信道進行掃描，建立網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)終端節(jié)點加入后，由協(xié)調(diào)器判斷是否有足夠地址分配空間，當(dāng)足夠時，為終端節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址。路由器節(jié)點、應(yīng)急照明燈節(jié)點供電后初始化，之后尋找并請求加入網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)成功后可獲得全網(wǎng)唯一短地址。

成功入網(wǎng)后，節(jié)點請求綁定協(xié)調(diào)器。當(dāng)沒有發(fā)現(xiàn)收集節(jié)點時，一定時間后再次觸發(fā)函數(shù)以檢查、綁定節(jié)點。之后由節(jié)點對收集節(jié)點發(fā)送采集傳感參數(shù)。通過調(diào)用任務(wù)添加函數(shù)的方式來完成任務(wù)初始化及任務(wù)處理。

2.2 功能實現(xiàn)

節(jié)點供電且完成初始化后，通過對相關(guān)函數(shù)的處理來完成數(shù)據(jù)的收集以及數(shù)據(jù)的上傳于下達。節(jié)點判斷參數(shù)后按照相關(guān)參數(shù)來決定照明燈是亮還是滅，數(shù)據(jù)傳輸?shù)较嚓P(guān)節(jié)點。為了確保隨時能動態(tài)掌握參數(shù)變化，任務(wù)處理函數(shù)采用時間觸發(fā)的方式。

當(dāng)操作人員的指令下發(fā)到協(xié)調(diào)器時，這時后者從指令進行分析，對函數(shù)進行調(diào)用，判斷需要控制節(jié)點的所在位置，之后將指令傳輸給目標(biāo)節(jié)點，節(jié)點接收指令后進行判斷，執(zhí)行相應(yīng)操作，例如控制燈的狀態(tài)、檢測相關(guān)參數(shù)等。

2.3 上位機軟件設(shè)計

基于RS-232實現(xiàn)上位機與協(xié)調(diào)器節(jié)點的通信。上位機軟件的作用包括火災(zāi)預(yù)警、對相應(yīng)節(jié)點發(fā)送命令、儲存節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)等。其工作流程如下：開始后進行初始化，將檢測軟件打開，對端口進行掃描，分析是否有數(shù)據(jù)包到來，當(dāng)沒有數(shù)據(jù)包到來時，返回端口掃描繼續(xù)檢測;當(dāng)有數(shù)據(jù)包到來時，判斷數(shù)據(jù)或顯示節(jié)點狀態(tài)，判斷是否有火災(zāi)險情，當(dāng)沒有火災(zāi)險情時返回掃描端口并繼續(xù)檢測;當(dāng)有火災(zāi)險情時，驅(qū)動警報器。

三、測試及結(jié)果分析

采用協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點及應(yīng)急照明節(jié)點建網(wǎng)，選擇某高層建筑進行測試。將協(xié)調(diào)器節(jié)點與上位機連接進行檢測，主要檢測正常及異常情況下節(jié)點的工作狀態(tài)、節(jié)點干擾的影響因素。

1.抗干擾能力

干擾主要來源于節(jié)點發(fā)射頻率、節(jié)點通信距離、墻阻（鋼筋混凝土墻）等。對節(jié)點與路由器的距離對丟包率的影響進行測試，結(jié)果顯示當(dāng)節(jié)點與路由器的距離為50m，無墻阻時，丟包率為0%;當(dāng)存在1個墻阻時，丟包率0%;當(dāng)存在2個墻阻時，丟包率2%。當(dāng)節(jié)點與路由器的距離為75m，無墻阻時，丟包率為0%;當(dāng)存在1個墻阻時，丟包率3%;當(dāng)存在2個墻阻時，丟包率7%。當(dāng)節(jié)點與路由器的距離為90m，無墻阻時，丟包率為3%;當(dāng)存在1個墻阻時，丟包率9%;當(dāng)存在2個墻阻時，丟包率21%。

通過對實驗結(jié)果的分析，我們可以知道墻阻、節(jié)點與路由器距離都會影響到丟包率。為了最大程度地對丟包率進行控制，當(dāng)建筑層數(shù)比較多時，要把路由器節(jié)點設(shè)置在建筑的每一層;除此之外需要對墻阻進行控制。

2.工作狀態(tài)

隨機選擇路由器、照明燈節(jié)點，通過電暖氣烘烤的方法來提高環(huán)境溫度，對監(jiān)視界面進行觀察。通過上位機能觀察到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點的相關(guān)情況，紅色節(jié)點共計2個代表有險情，其余節(jié)點均為綠色代表正常，通過上位機可以監(jiān)視故障節(jié)點的相關(guān)情況。

結(jié)束語

基于ZigBee技術(shù)的建筑電氣智能應(yīng)急照明系統(tǒng)可節(jié)省電源，延長應(yīng)急燈的使用壽命，可加入無線網(wǎng)絡(luò)，采集參數(shù)并經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸至上位機，可由上位機實現(xiàn)遠程控制，具有一定可行性。

參考文獻

[1]麻瀠心，韓飛.建筑電氣智能應(yīng)急照明系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用[J].河北農(nóng)機，2020（02）：65.

[2]鄧朝明.智能消防應(yīng)急照明系統(tǒng)在民用建筑電氣設(shè)計中的應(yīng)用研究[J].居舍，2019（19）：153.