基于ZigBee技术的高校教室照明控制系统设计

江治国

(安徽国防科技职业学院 电气技术学院,安徽 六安 237011)

近年来随着高校的办学规模不断地扩大，教学场所也不断地进行扩建，其中教室、自习室、实验室等场所相对分散，教学场所的照明系统管理成为一大难题.通过调研发现，大多数高校都是采用人工管理为主，每栋教学楼安排值班人员对教室的照明进行手动控制，这样不仅成本较高，而且管理比较麻烦[1].我国当前正在加快推进节约型社会，提倡利用节能环保设备，但是现在多数高校的照明都是使用日光灯，日光灯不仅耗能大，而且使用寿命短，灯管需要经常更换，造成很大的能源与资源浪费.本文设计的教室照明系统中，照明设备使用LED,管理系统基于ZigBee技术，实现分散与集中管理相结合，本地与远程控制相结合，有效地降低了管理成本，提高了管理效率[2].

1 灯光控制系统总体设计方案

灯光控制系统以ARM嵌入式控制器为核心，由多个ZigBee终端节点通过ZigBee协调器组成ZigBee网络，终端节点主要连接照度传感器检测模块、人体红外传感器以及教室的LED照明灯光节点，传感器主要负责采集教室内的数据，将数据通过ZigBee协调器传输至ARM嵌入式控制器进行处理，处理后的数据送至LED驱动器，从而控制教室内的灯光照明系统；同时用户可以通过远程终端设备以及本地控制按钮实现对教室灯光的控制与管理.灯光控制系统总体设计方案如图1所示.

图1 灯光控制系统总体设计方案

2 灯光控制系统硬件设计

2.1 ARM嵌入式控制器系统

图2 ARM嵌入式控制器硬件结构图

本设计采用S3C2440A处理器作为核心控制器，通过串口与ZigBee协调器之间进行数据交换，从而实现对整个照明系统的控制.为确保系统的稳定性和安全性需求，系统采用C/S架构.采用这种架构可以并行处理多个控制终端的命令，其控制逻辑部分通过与嵌入式数据库进行交互，一方面负责接收ZigBee协调器传送过来的数据信息，通过解析与运算，将数据发送至服务器端，让用户实时查看家庭中各种终端设备的状态[3-4]；另一方面负责接收用户发送的指令，发送到家庭网关，网关解析指令后向ZigBee协调器发送指令，从而实现对家庭中各种终端设备的远程控制.ARM嵌入式控制器硬件结构图如图2所示.

2.2 ZigBee节点硬件系统

ZigBee节点硬件系统主要包括CC2530最小系统、串口电路、电源模块、LED灯、按键电路以及仿真调试接口等部分，ZigBee节点的硬件结构示意图如图3所示.ZigBee节点硬件系统的主要硬件为CC2530最小系统，CC2530是一款针对嵌入式ZigBee应用而推出的片上系统，其内部有8051CPU、RAM等部件，具有功耗小、成本低等特点[5-7].CC2530最小系统图如图3所示.

2.3 LED调光系统

LED灯一般都需要进行亮度控制与调整，当前采用的技术有模拟调光、可控硅调光以及PWM调光灯技术，模拟调光主要通过改变电阻值实现调光，虽然结构简单，但是调光效果不佳.可控硅调光主要通过导通角控制相位的变化来控制灯光，虽然效率比模拟调光技术高，但是当系统不稳定时，导通状态就难以维持，从而使LED灯产生闪烁现象.本文采用PWM数字调光技术，通过控制芯片产生的PWM信号来控制电流的开通与关断时间的比例，进而有效地提高了调光效率与灯光的稳定性，其中LED的驱动选择驱动芯片HV9910[8].PWM调光信号主要通过HV9910芯片的PWM_D管脚实现的.调光信号经过微控制器发出，微控制器可根据照明需求调节PWM信号的占空比，进而实现对LED路灯的调光作用,LED调光系统电路如图4所示.

图3 CC2530 最小系统图

图4 LED调光系统电路

2.4 电源与复位电路设计

ZigBee节点硬件系统主要以CC2530最小系统为核心[9-10]，该最小系统的供电电源为3.3 V，同时也可以满足S3C2440A的存储器的供电需求，所以在电源供电电路设计中，采用了具有低电压差、大电流输出的LT1084集成稳压芯片，S3C2440A内核供电电源则使用性价比较高的LM1117三端集成稳压芯片提供的1.2 V电压输出，CC2530最小系统供电电路如图5所示[11]，S3C2440A内核供电电路如图6所示，其中采用MAX811S芯片来监测处理器的复位信号，复位电路图如图7所示.

图5 CC2530最小系统供电电路

图6 S3C2440A内核供电电路

图7 复位电路

2.5 通信接口电路设计

在通信接口电路中，要将处理器的TTL电平转换为RS232总线电平，主要是通过SP3232芯片实现的.在该电路中，串口1(VB1)主要用于教学楼智能灯光控制网关与用户控制终端之间的通信，串口2(VB2)主要用于实现ARM处理器与教学楼内部ZigBee协调器之间的通信.通信接口电路如图8所示.

图8 通信接口电路

2.6 人体红外传感器模块电路设计

人体红外传感器模块主要以BISS0001红外信号处理芯片为核心元件，电路中BISS0001红外信号处理芯片的A引脚外接高电平，若人体红外传感器检测到教室有人持续存在时，则VO引脚持续输出高电平；只有当人体红外信号消失后VO引脚经过延时一段时间后才输出低电平.该电路不仅具有较高的感应灵敏度，而且抗干扰性能较强.人体红外传感器模块电路原理图如图9所示.

图9 人体红外传感器模块电路原理图

2.7 光强度检测模块电路设计

光强度检测模块以BH1750数字型光强度集成电路为核心元件，该集成电路模块可以根据光线强度的变化来调整灯光的亮度.利用该元件构成的电路，能够有效监测和控制教室内的光照强度，满足照明需求.光强度检测模块电路原理图如图10所示.

图10 光强度检测模块电路原理图

3 灯光控制系统软件设计

教室智能灯光控制系统软件设计主要包括ARM控制器控制程序设计、ZigBee协议栈的开发、ZigBee终端节点程序、ZigBee协调器节点程序以及调光系统程序等[12-13].本系统软件开发平台采用IAR软件进行开发，开发之前要完成软件的安装，并且还要安装仿真器驱动程序、串口驱动程序以及其他辅助软件.

图11 ARM控制器控制程序流程图

3.1 ARM控制器控制程序设计

本设计中ARM控制器核心采用C/S架构实现，能够使系统更加稳定、安全性更高.用户通过控制终端经网络接口向ARM控制器传输指令，ARM控制器通过串口电路经网关与ZigBee协调器连接，从而实现对终端节点的远程监测与控制.ARM控制器控制程序流程图如图11所示.

3.2 ZigBee协议栈的开发

ZigBee子网关软件程序主要基于ZigBee协议栈进行实现，ZigBee子网关软件设计主要在Z-Stack模板现有模板的基础上创建其自身的工程模板[14].ZigBee协议栈装载在IAR开发环境工程中，通过ZigBee协议规范进行分层处理，各层之间通过相应的接口进行交互.ZigBee协议栈的开发过程主要完成两项任务，第一项任务是通过启动代码来完成硬件系统的初始化和软件架构中的各硬件初始化，第二项任务就是ARM控制器的操作系统的相关执行程序.ZigBee协议栈执行的多项任务是在OSAL基础上运行的，通过调度协议栈中定义的各层任务，采用轮转查询以及优先级来执行相应的工作任务.

3.3 ZigBee协调器节点程序设计

ZigBee协调器完成硬件的初始化后，通过内部自组网，一方面接收从ARM处理器串口发来的数据，并对数据进行处理；另一方面接收来自终端节点的数据，并与教学楼智能灯光控制网关实现数据的交互.ZigBee协调器节点程序流程图如图12所示.

3.4 ZigBee终端节点程序设计

ZigBee终端节点程序设计包括人体红外传感器模块数据处理程序、光强度检测模块处理程序以及终端节点与协调器节点的处理程序等.ZigBee终端节点的主要功能是完成数据的采集，并与上级节点进行数据交互.首先，通过搜索并加入网络ZigBee，然后，采集教室的人体红外参数和光照强度参数，再向协调器发送命令，从而实现对灯光的有效控制[15].ZigBee终端节点程序设计流程图如图13所示.

图12 ZigBee协调器节点程序流程图

图13 ZigBee终端节点程序流程图

4 系统测试及结果分析

4.1 ZigBee网络传输距离测试

当ZigBee协调器节点完成自组网之后，按照系统设计要求网络覆盖整个教学楼区域，否则终端节点将无法加入到ZigBee网络，上位机通过串口分别与协调器以及终端节点连接，借助串口调试助手进行信息的发送与接收，统计丢包率与错误率，如表1所示.测试结果表明，随着通信距离的增加，通信的数据丢包率会上升.

表1 ZigBee网络传输距离测试结果

4.2 控制系统整体测试

系统整体测试包括终端节点信息采集测试、系统组网测试等.通过测试表明，该系统具有较强的稳定性，能够实现用户借助远程控制终端实现对教室灯光的远程管理，达到预期的设计效果.

5 结论

本文设计了基于ZigBee技术实现的教室照明系统的分散与集中管理相结合，本地与远程监控管理相结合的照明管理控制系统，基本实现了其控制功能，对于在同一幢教学楼内能够实现对灯光的有效控制.但是，随着通信距离的增加，丢包率也会随之提高，今后将在这些方面进行进一步地改进与完善.