基于ZigBee网络的图书馆智能照明系统设计

贾志城， 白建军

(1.甘肃政法学院图书馆，兰州 730070；2.甘肃警察职业学院实验实训部，兰州 730046)

基于ZigBee网络的图书馆智能照明系统设计

贾志城1， 白建军2

(1.甘肃政法学院图书馆，兰州 730070；2.甘肃警察职业学院实验实训部，兰州 730046)

智能照明控制系统实现是智能化图书馆建设的关键性问题之一。依据ZigBee近距无线网络的优势和智能化照明的设计理念，创建科学设计、实用效果俱佳的图书馆光照环境，在全面提升照明系统科学性、高效率的基础上，实现具有无需布线、节电和施工便捷等诸多特点的现代智能照明系统。

ZigBee网络；无线传感网络；智能照明

0 引言

图书馆是高校信息化应用最为广泛的场所，也是大学生课堂学习的伸延、扩展和深入的“知识宝库”和“科学殿堂”，图书馆起着不同于高校其他学习场所的独特作用。为适应数字化、自动化、智能化的信息时代脉搏，迫切需要建立管控有力、布线简洁、可扩展性强、移动性能好的覆盖广、立体化、高可靠、绿色环保、多时段定控的图书馆智能化照明系统，依靠良好的智能化技术支持，真正实现“人来灯亮，人走灯灭”功能，也能在灯光亮度满足预订舒适度数值时，做到“人来灯不亮”，把能耗降到最低，通过良好的馆所内温度、湿度、亮度等的调节控制为读者提供舒适的学习环境。

1 ZigBee协议在智能照明控制系统的应用

智能照明系统的首要基础是要实现其各类灯具的连网自主性和光照效果的控制规程化。Zig-Bee无线传感技术基于IEEE802.15.4协议标准[1]。ZigBee无线传感网络具有较强的自适应组网能力，以及短时延、高效费比、高可靠性等诸多优势。ZigBee联盟制定了基于无线传感网络的智能照明通用标准，能够满足遵循该标准的多个厂商照明系统设备之间的互联、互通，其集成系统易于扩展与推广。智能照明控制系统的实现理念就是要显著提升各类灯具的光照质量。智能照明控制系统应该具备照明、开关、调光等传统照明基本管控功能，能够自主完成绝大部分的照明设备智能化管控，同时兼备一定少量的人工控制功能，通常无需人工控制就能够实现照明现场环境参数采集与灯光自适应动态调节。

2 智能照明系统实现

2.1 硬件实现电路

2.1.1 系统结构

智能照明控制系统由4个基本模块构成，如图1所示。系统采用树型拓扑结构，具有实况监控、诸参巡测与回显、异常警示等基本运行机制，RS485是基本的通信链路，协调器节点通过终端节点实现与路由器的相连。

图1 智能照明控制系统结构示意图

2.1.2 系统网络节点

协调器、路由器和终端共同组成无线智能照明系统网络节点[2]。网络节点通过巴伦匹配优化天线的性能，使网络节点在空旷无障碍地域的最远传输距离可达200 m[3]。路由器用于完成网络路由的选择生成与建立任务，同事担负各个子节点的入网域退网的认证支持。路由器是网络各个节点间实现数据中转的纽带。协调器完成网络维护、数据上传、PC机(或遥控器)命令下达、系统管理和检测等功能，功耗较大，需要外接电源或大容量电池供电支持，协调器节点硬件结构示意如图2所示。

图2 协调器节点硬件结构示意图

协调器节点与终端节点的硬件控制核心是CC2530微处理器[4]。CC2530微处理器具有高集成度、低成本、低电压、低功耗等特点，只需极少外部元器件，内置数字直接序列扩频调制解调模块，提供扩频增益9 dB；数据通信速率250 kbps，内置CC2420RF收发器、增强工业标准8051MCU、Zig-Bee协议栈，以及32/64/128 kB闪存、8 kB SRAM等模块。CC2530的硬件接口示意如图3所示。协调器被定义为全功能设备，并集成ZigBee大部分协议栈内容共计32 kB，协调器可以作为网络任意分支节点；终端节点被定义为精简功能设备，并集成部分协议内容共计4 kB，终端节点只能作为网络末梢节点[5]。

图3 CC2530微处理器硬件接口示意图

馆所照明系统采用LED灯具。LED属于能够高频开启、无闪烁现象的二极管，其PWM (Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)调光无色谱偏移，调光精确度高于万分之一，PWM调光能够维持恒流源驱动而且无过热现象，因此，照明系统选用PWM调光方案。

2.1.3 楼层子系统结构

智能照明系统的馆内楼层子系统结构示意如图4所示，每个子系统分别对应一个全功能设备子网关节点以及若干终端节点终端设备节点。楼层入口位置设置路由节点A，实现照明系统的数据信息多跳中转，同时采集进入移动目标、温度、光照度等环境参数。天井、借阅处、书库和检索大厅分别放置驱动调光节点B、C、D等，调光节点均配置人体红外传感器、光照传感器、温度传感器和驱动调光器，共同实现室内照明现场的环境参数的采集工作，自动完成PWM线性智能调光。

2.1.4 网络传感器

ZigBee网络传感器采集馆内不同场所的环境参数，并通过RF无线射频模块发送至协调器节点，协调器MCU微处理器进行数据处理、逻辑分析与智能判断，实现LED的PWM线性无极智能调光、智能调色温、分组群控、情景模式等复杂功能，以及实现光照补偿后的现场光照度保持，改善照明质量。传感器采集模块主要有采集自然光照度的光敏电阻GL4516，检测人体移动目标的热释电红外探头LHI787，釆集环境温度的温度传感器DS18B20等。终端节点和协调器节点还预置有热释电传感器和光照传感器，这两类传感器分别探测馆内是否有人以及光照的强弱。当热释电传感器发现自检结果为无人在场状态时，系统将自行关闭照明设备；当光照传感器自检测得光线太亮，系统则自行调低亮度；当光照传感器自检测得光线太暗，系统则自行调高亮度。系统依据已获取的热释电传感器和光照传感器巡检参数，通过网络向各LED节点传输符合预订控制策略管控信息，完成照明系统的既定多层协议的协同策略实现。

图4 照明系统楼层子系统结构图

2.1.5 ZigBee RF4CE遥控器

采用ZigBee网络RF4CE智能遥控器实现照明系统的遥控操作。由于RF4CE技术内置IEEE 802.15.4协议、兼容传统的红外遥控器，具有智能化、低功耗的特点，具有较高的控制信号传输距离与抗干扰性能力，其频率选择性衰落较低，传输过程不受障碍物影响，完全能够保证遥控操作的可靠性。

2.2 软件设计

照明系统软件依据软件工程的通用实施要求进行，软件以模块化形式体现，由此简化程序调试、维护过程，增强程序的鲁棒性，有效降低程序的复杂度，全面提升系统程序的执行效率和实时能力。软件主要包括PC机主模块、协调器模块、终端模块、A/D转换模块和调光模块等，除主模块以外，其他各类程序均采用中断方式进行。此处仅对部分软件结构予以描述。

2.2.1 协调器、终端程序流程图

建立并管理网络是协调器的主要功能[6]。协调器主要任务是担负自适应组网、动态私网硬件位址划分以及在网节点列表维护。协调器在遍历非忙信道后刷新ZigBee网络节点组网序列，赋予各节点持续在网能力。协调器组网程序流程图如图5所示。协调器程序流程图如图6所示[7]。

图5 协调器组网程序流程图

图6 协调器程序流程图

终端节点执行协调器指令并实施灯具的开关操作，并回馈协调器节点完成控制指令以后的光照效果状态。终端节点在系统加电后遍历信道搜寻最适宜的协调器，以便参与组网，当组网成功后则周期性的将采集到的数据信息发送给协调器。终端节点的程序流程图如图7所示。

图7 终端节点的程序流程图

2.2.2 PC机软件管理平台架构

软件管理平台设计结构如图8所示。软件管理平台是图书馆作为运营方而与照明控制系统进行信息交互的媒介。软件管理平台主要分为基于C/S架构的照明状态字收发系统程序以及基于B/S架构的照明管理web平台，前者是客户端软件，依靠多线程组建ZigBee网络连接并将各楼层照明设备状态字汇聚到PC机数据库；后者是简约网站系统，各楼层管理人员通过登陆PC机网站实施集中化管理和控制任意照明现场，PC机网站也能分析数据库照明状况数据，并及时反馈给各级管理人员。

图8 软件管理平台设计结构

软件管理平台服务器采用SOCKET接口与网关通信，接收程序将监听到的照明设备状态字数据净荷分类写入MySQL数据库，Web应用程序从该共享数据库获得光强值、照明开关状态等信息，并显示于可视化界面。管理人员通过身份登录服务器，完成相关任务的设定照明亮度阈值净荷由数据发送模块组包后，以SOCKET方式从固定端口传送给网关。

3 结语

本文利用ZigBee无线通信技术实现了依据环境光线强弱变化实施灯具的智能控制，能够实现“人来灯亮，人走灯灭”的灯控预想，能够完成多时段定时灯具控制，也能够完成灯具远程控制。利用ZigBee无线传感技术的智能照明系统具有能耗低、节约运营成本、施工容线量少而便捷等本色表现，革新了传统的照明控制方式，应用前景良好。作为一个简约型的智能照明系统，该系统的智能控制算法及软件结构仍需进一步优化。

[1]徐尉,孙力娟,王汝传.基于物联网/传感网的智能节能系统[J].计算机研究与发展,2010,S2(47):366-371.

[2]刘琼,周志光,朱志伟.基于CC2430的低功耗Zigbee无线传感器网络节点的设计[J].湖南工业职业技术学院学报,2009,3(5):15-16.

[3]张永梅,杨冲,马礼.一种低功耗的无线传感器网络节点设计方法[J].计算机工程,2012,38(3):71-73.

[4]武仁杰.基于ZigBee的矿井监测节能系统设计[J].计算机测量与控制,2012,20(7):1818-1820.

[5]张虹.室内照明监控系统的智能控制算法研究[D].广州:华南理工大学,2012.

[6]俞建.基于ZigBee无线传感网络的LED智能照明控制系统的研究[D].杭州:浙江工业大学,2012.

[7]周登龙,陈硕.基于ZigBee无线通信技术的智能照明系统[J].现代电子技术,2012,35(17):192-194.

TN925-34；TP393

A

1673-1093(2014)04-0076-04

贾志城(1969)，男，河北正定人，毕业于兰州大学，副教授，专业：信息与自动控制、刑法学，研究方向：嵌入式系统、图像处理、信息安全防范。

10.3969/j.issn.1673-1093.2014.04.019

2013-12-10；

2014-01-07