基于ZigBee的高校智能照明系统的设计与实现

刘小莉 杨稳 胡慧超 曾欣 凌志友 赵新宇

摘 要：提出一种基于ZigBee技术的无线智能照明系统的设计与实现。其主要由基于BISS0001芯片的信号处理模块、基于CC2530芯片的主控制单元、基于ZigBee技术的照明信息无线传输模块所构成的硬件部分和基于上位机的信息处理与显示模块构成的软件部分两部分组成，实现了实时监控和统计教室使用率的功能。软件设计包含了基于协议栈库函数编写的ZigBee无线通信部分和上位机系统软件设计部分。系统对教室使用率的统计和节能两方面效果显著。

关键词：智能照明；ZigBee；CC2530；BISS0001

中图分类号：TM923 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）02-0012-03

Abstract：The design and implementation of wireless intelligent lighting system based on ZigBee technology is discussed. The utility model mainly comprises a signal processing module based on the BISS0001 chip，a main control unit based on the CC2530 chip，a hardware component formed by the ZigBee technology-based illumination information wireless transmission module，and a software component formed by the information processing and display module based on the upper computer. Realizes the ability to monitor and count classroom usage in real time. The software design includes the ZigBee wireless communication part and the upper computer system software design part written based on the protocol stack library function. The system has significant effects on both classroom statistics and energy efficiency.

Keywords：intelligent lighting；ZigBee；CC2530；BISS0001

0 引 言

现如今人们已经进入了一个飞速发展的物联网时代。物联网是指由事物连接的互联网。通过智能感知、辨认技术和普适计算等通信感知技术，在网络融合中得到普遍应用。并且智能家居、智能电器等一系列物联网产物已经逐渐出现在人们的生活。在这样的大环境下，适用于高校的智能照明系统自然而然应运而生。而在物联网的底层，最主要的工具便是各种各样的无线通信手段。其中主要有WiFi、蓝牙以及ZigBee无线通信。基于WiFi的智能照明系统已经有了很不错的表现[1]，然而WiFi的功耗和复杂度也一直是困扰我们的地方[2]。基于蓝牙的智能照明系统同样有所进展[3]，但是蓝牙的传输距离就远不尽人意。而ZigBee无线通信则相对二者更适合于高校智能照明系统这种距离适中、多点传输的情况。本文所设计的高校智能照明系统一方面能延长灯的寿命，减少电量损耗，另一方面监控系统能便于想要自习的学生寻找适合学习的教室并且可以达到一定的安防效果，具有极高的环保价值和现实意义。

1 系统设计

本系统用于对高校教室的电灯实现智能控制与监控，所以在设计时将本系统主要分成硬件端设计和软件端设计两部分。硬件端通过传感器探测人体红外信号和光照强度信号，将获取到的信号通过BISS0001处理芯片进行处理来控制继电器开关，并将照明信息传输给CC2530芯片终端，同时通过ZigBee双向无线通信将信号传输给CC2530芯片协调器，并通过串口传输方式将信息传输给上位机，来实现对教室灯光使用情况的监控。总体设计的系统框图如图1所示。

2 硬件端设计

2.1 传感器设计

由于本系统要求教室灯具在感应到教室环境昏暗并且有人使用的情况下自动打开，所以在设计上使用红外光敏传感探头。该探头由热释电传感器和光敏电阻构成，热释电传感器可通过测量人体温度波长范围的红光来探测测量范围内是否有人；光敏电阻则通过电阻的变化来检测环境光照强度，在通过程序设计来判断是否达到需要开灯的光照强度。

2.2 基于BISS0001模块的信息处理单元

从传感器获取到信号后，将信号由信息处理单元BISS 0001芯片来进行处理。BISS0001是一種高性能、低成本、非常稳定的传感器信号处理IC芯片。通过由两个比较器构成的双向鉴幅器抑制了干扰信号，工作性能稳定可靠，有较宽的调节范围，通过少量的外围元器件搭建简单的外围电路就可以构成被动式的热释电红外传感模块，在安防和自动化领域有广泛的运用。

在本项目中，使用该芯片进行信号处理的模块。该电路将从14引脚获取由热释电红外传感器检测到的人体红外信号，经由BISS0001内部的OP1放大从16引脚输出，并经由C3耦合后，从13引脚输入再由BISS0001内部的OP2将信号再次放大，与此同时直流电压得到抬升，放大后的信号从OP2的输出端送到由两个比较器COP1和COP2组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号VS去启动延迟时间定时器。同时结合此时R3（R3为光敏电阻）检测到的环境照度情况。根据光敏电阻的特性，当环境明亮，光照度强时，电阻值会降低，使得VC引脚的输入保持在低电平，从而封锁触发信号VS，两者相结合控制有效输出信号VO。其中输出延迟时间：Tx≈24576*R9*C7；封锁时间：Ti≈24*R10*C6。

2.3 主控制单元CC2530

CC2530是基于2.4-GHz IEEE802.15.4国际标准和ZigBee无线通信而设计的使用增强型51处理器的单片机，其最大的特点是以较低成本建立十分强大的节点网络。在本系统中，选用两块CC2530芯片作为ZigBee无线通信的终端和协调器。CC2530芯片完美结合了ZigBee的协议栈Z-stack，对ZigBee的网络层、物理层、MAC的程序进行了封装，让使用者可以直接其提供的驱动程序。使用CC2530芯片作为主控制单元比其他ZigBee照明系统来说无线覆盖范围更广[4]，更适用于高校环境。

2.4 ZigBee无线传输

ZigBee是一种基于IEEE802.15.4标准的低成本、低功耗和低复杂度的双向无线通信技术，它主要用来实现自动控制和远程控制。

终端是ZigBee树状网络的叶子节点，负责对BISS0001输出的电平高低来判断灯光是否打开，将对应的灯光信息用字符串记录下来，再将这一信息传输给ZigBee协调器。协调器是整个网络的建立者，它的主要功能包括建立整个无线网络、初始化网络、确定网络标识、分配短地址，在本系统中将从终端收到的字符串信息通过串口通信传输给上位机，其中串口波特率配置为9600，8位数据和1位停止位。在ZigBee无线通信中，需要满足其协议栈函数进行程序设计。本系统首先关闭中断，再调用协议栈所提供的初始化函数对物理层、媒介层进行初始化，初始化完毕后重新打开中断，完成组网，并且在OSAL主循环中通过判断事件是否发生以及优先级来判别事件的执行顺序，主要程序设计流程图如图2所示。

3 软件端设计

由于本系统还需实现对教室灯光使用情况的监控，所以在上位机基于C#语言实现了一款窗体应用程序，在此程序中，“打开”和“关闭”这一对按钮用于控制是否打开串口通信来接收来自ZigBee协调器的信号；消息监控区则显示当前获取的信号内容以便于进行错误排查；教室照明使用情况区域是通过获取到的信号，直接以图形的形式显示出教室灯光使用情况；教室使用情况历史记录是通过计算教室灯光使用时间来展示在哪些日期教室使用灯光的时间较多或较少，判别标准是以每盏灯的照明时间相加是否超过一天的1/6来计算；教室当日情况以曲线图的形式显示教室内灯光的使用率，使用率为已打开的灯光数除以总灯光数。

4 结 论

本文介绍的基于ZigBee的高校教室智能照明系统主要是解决了高校教室出现“长明灯”的问题，并在此基础上通过智能感应装置达到了自动控制和节能的功能。该系统还具有监管功能，能有效的统计教室的使用情况，以便于学生从上位机的监控公共平台快速找到空教室进行自习，这样便能大大减少不必要的人力和时间上的浪费。但依然需要进行更深一步的研究和改善。在信息采集的模块里可以加入对人数的检测和视频监控器的控制等，集成多种方式对室内环境进行检测。在上位机的界面和功能设计都可以进一步优化。由此可见，该系统的实现具有一定的实用性和现实意义。

参考文献：

[1] 慎邦威，于德鲁，杨馥瑞，等.基于结型场效应管开关特性控制AC-LED晶粒分段导通的研究 [J].照明工程学报，2014，25（6）：105-111.

[2] 徐子强，吕卫文，祝超.高压LED球泡灯的设计与分段优化 [J].电子工艺技术，2013，34（6）：323-327.

[3] 李云霄，云永利.LED照明AC電源驱动 [C]//海峡两岸第十九届照明科技与营销研讨会.海峡两岸第十九届照明科技与营销研讨会专题报告暨论文集. 北京：中国照明会，2012：16-25.

[4] 李光耀，王利，易子川，等.基于Zigbee的智能照明系统研究与设计 [J].照明工程学报：2016，27（3）：61-65.

作者简介：刘小莉（1996-），女，汉族，湖南衡阳人，本科，主要研究方向：嵌入式系统开发；杨稳（1996-），男，汉族，湖南衡阳人，本科，电子工程师，主要研究方向：自动控制；通讯作者：赵新宇（1970-），男，汉族，湖南湘潭人，博士，副教授，课题指导老师，主要研究方向：信号处理，测控技术，微纳制造。