基于物联网的绿色照明控制系统*

王香云

(山西大学软件工程学院，山西 太原 030013)

目前高校教室照明的节能管理一直是高校节能方面一个比较突出的问题，许多高校通过各种方式来节能省电。人工管理、节能教育，这些措施在一定程度上可以起到一定的效果，但总是有不尽人意的地方。鉴于此，本文设计了基于物联网的智能绿色照明控制系统，并在此基础上实现了对教室环境参数的监控。

1 系统体系结构设计

1.1 系统功能设计

本系统设计的主题是绿色照明的智能控制以及对教室实时环境的监控。灯光的智能控制不仅保证了学生的绿色照明，而且以最小的投资获得最大化节能效果，并且通过网关实现对教室环境参数的监控。

1.2 系统整体方案设计

基于物联网的智能系统就是利用各种现代化技术实现对设备的智能控制。相关的技术有传感器数据采集技术、无线网络通信技术、自动控制技术等［1］。

本系统整体设计思路如下:每个教室作为一个终端节点，每个终端节点负责本区域的数据采集，并对采集的数据利用本节点的处理器进行分析处理，并控制外部设备。同时通过无线传感网络将采集的信息传到协调器，协调器通过串口将信息送到网关，网关进行信息的显示，并且提供WEB SERVER 功能，这样就可以通过网页的形式访问网关服务器从而做到对整个无线网络的监控。系统设计框图如图1 所示。

图1 系统设计框图

2 系统的硬件设计

本系统硬件设计包括以下几部分，终端节点也是本系统的智能节点、协调器、网关。

2.1 智能节点设计

在无线传感网络中，传感器节点主要负责数据的采集和处理。针对不同的应用，传感器节点的具体设计也不同。大致包括数据的采集、处理、传输以及供电部分［2］。在本系统中，终端节点负责数据的采集和分析处理控制外部设备。根据本系统要处理的数据量以及系统低成本、低功耗，并满足无线传输信息的要求，控制芯片采用了CC2430。该芯片是一颗高效的8051 控制器和2.4G 直接序列扩频射频收发器核心的结合。终端节点设计如图所2 示。

图2 智能节点设计框图

2.1.1 光电传感器

光电传感器是将待测量的信号变化通过光电元件转变成电信号变化的一种装置。本系统采用了微型封装的光电二极管BPW34S，它具有高速高灵敏度的优势。通过TLV2370 将采集的光电信号放大，再通过控制其内部精度为12 bits 的AD 进行数据采集。每秒中设置采集数据10 次。电路如图3 所示。

图3 光强采集电路图

2.1.2 温湿度传感器

室内的温湿度检测采用了SHT10 温湿度复合传感器，该款数字式传感器内有能隙式测温器件和电容式测湿元件，并且该传感器采用了和串口电路以及14 位A/D 转换器在同一芯片上无缝连接的技术。

2.1.3 红外传感器

本系统中对于人数的检测采用了红外传感器INFCAO-15。当人进入传感器的敏感区域时，发出的红外线通过菲尼尔滤光片，这样增强后的信号聚集到红外感应源上。采用热释电元件的红外感应源接收到红外辐射温度的变化就向外释放电荷，然后产生人体存在的信号。为了检测教室的人数，设置两个红外传感器，利用中断的先后次序来判断进出，从而统计教室内的人数。

2.2 电源设计

本系统供电有两种方式:一种是通过电源转接板把室内用电220 VAC 变成5 VDC，另一种是通过锂电池供电。采用侧控船型的电源开关既可以为电池充电又可以为系统供电。传感器部分有单独的软件断电控制。

2.3 协调器节点设计

协调器节点的主要功能是负责网络的启动和配置，在本系统中，通过协调器把终端节点无线发送的数据传送到网关。协调器节点设计也采用了CC2430 芯片。

2.4 网关节点设计

在本系统中，网关负责收集、显示全网的信息，并且通过内嵌的WINCE 操作系统提供Web server 功能，这样访问网关的计算机可以通过网页的形式监控整个无线网络［3］。嵌入式网关采用OURS-PXA270D 系统，处理器是Intel 公司的XScale PXA270，有64M 的SDRAM，32M 的FLASH。

3 系统的软件设计

3.1 室内的照明智能控制设计

照明软件设计分手动和自动两种情况，手动优先自动。自动控制采取光照强度控制优先的策略，即只有当光照强度不满足国标要求时，才根据强度和人数两个参数来集中控制需开启或关闭的灯数。对健康照度值设定一个范围，当需要开启灯时，将采集参数和下限阈值比较，当需要关闭灯时，将参数和上限阈值进行比较，避免出现灯的频繁开启，而造成对灯的损坏，对灯光的开启采用软件控制。

该子系统编译和调试环境采用IAR Embedded Workbench 软件，程序设计语言采用C 语言。对于数据的采集程序不仅要参考官方例程，更要仔细阅读传感器的使用手册，比如时序严格匹配的问题、数据类型转换的问题。

3.2 通信程序设计

无线通讯的设计是基于zigbee 技术建立的无线网络。整个无线通讯程序的编写设置是在IAR Embedded Workbench 平台下对z-stack 在系统中提供的子模块程序进行修改和编写完成的，在本系统中，网络的拓扑结构采用了星形网，如星形网的设置是通过z-stack 一系列的子目录中找见SimpleApp.eww 工程，然后打开终端节点在NWK 文件夹中找到nwk_globals.h 设置网络拓扑结构。网络组号和节点号的设置在ZDO 文件夹的SimpleApp.h 文件中。

协调器是无线网络的启动设备，分配网络地址，定时的将终端节点采集的数据传送给网关［4］，协调器向终端传送指令采用广播通信的方式，终端向协调器传送采集数据采用点对点的通信方式［5］。终端节点负责采集处理数据，流程图如图4 所示，协调器节点设计流程图如图5 所示。

图4 终端节点设计流程图

图5 协调器节点设计流程图

协调器和网关的通讯是通过串口进行通讯的，通信中的数据包大致包括以下内容，包头信息、网络组号、节点地址、节点状态、节点类型、传感器类型、数据、MAC 地址、蜂鸣器、包尾。网关开发在PC 机上的开发环境是VS 2005，网关的操作系统是WINCE6.0。

4 实验仿真

把程序下载到每个节点的目标板上，图6 中的左半部分是在网关目标板上对每一个节点的参数采集图示，右半部分是在PC 机上通过在浏览器的地址栏中输入网关的IP 地址得到的界面，这里要注意，PC 机和网关都必须在同一个网段内。

图6 仿真结果图

5 结束语

本文设计了一个基于多传感器和Zigbee 技术的教室节能控制系统，并通过网页的形式对教室的参数进行了监控。该设计硬件结构简单，性价比高，不仅通过采集参数能自动的控制照明系统，而且为学生上自习了解每个教室的人数等情况提供了一个途径，具有很好的实际意义。

［1］郭昱明.基于物联网的智能家居照明系统［J］.电子世界，2014(16):9.

［2］彭刚彬.基于物联网技术的光伏照明故障监测系统设计［J］.山西电子技术，2014(4):65－66.

［3］唐美化.基于城市照明的物联网综合解决方案［J］.移动通信，2014(21):43－44.

［4］刘谋黎.基于物联网的高校教室照明节能方案研究［J］.物联网技术，2014(12):77－78.

［5］Zhang Hui－ying.Design ofIntelligent Monitoring System in Greenhouse Based on IOT［J］.Hubei Agricultural-Sciences，2014(14):3404.