基于ZigBee技术的楼道灯协调节能系统

段学涛 杨梓怡 成思雨 黄烽 许瀚予 于智强

摘要：通过实验设计了一款基于Zigbee技术的楼道灯协调节能系统。通过STM32模块、人体红外热释电模块、ZigBee模块、GPRS模块、电磁继电器模块，将原有的声控灯控制形式转变为自动控制。在光强低于一定值后系统开始工作。通过检测人体的进入与离开照明区域，自动开启照明。通过“人进灯亮，人走灯灭”的自动控制形式，减少了噪音的产生，并且节约了电能。

关键词：ZigBee技术;人体红外热释电;自动控制;低成本

0 引言

照明与人们的生活紧密联系，但也是造成电源浪费的不可忽视的一部分。在能源问题日益严重的今天，如何在不影响人们正常生活的前提下，减少照明电能消耗成为了人们关注的焦点。ZigBee技术是一种新兴的短距离、低效率、低成本的无线网络技术，信号具有很强的穿墙能力。只要布局合理，可使建筑物内没有无线通信盲区。

本文研究基于Zigbee技术的楼道灯协调节能系统，主要用STM32模块、人体红外热释电模块、ZigBee模块、GPRS模块、继电器模块组成。通过人体红外热释电模块、STM32模块、ZigBee模块的信息传递，可以实现对楼道灯的开关以及楼道灯与楼道灯之间的协调，使实现最优、最节电的照明方式。所有外围设备都围绕STM32，作为STM32的功能模块与单片机进行信息交换。本系统致力于实现不再需要手动开关或声源刺激，在满足人们照明需求的基础上实现自动控制的楼道灯系统。

1 整体方案设计

该系统总体主要以ZigBee节点，热释电模块，GPRS网络，ZigBee协调器，STM32模块以及电磁继电器等组成。

该结构单节点运行过程：

由光敏电阻来判断外界是否需要亮灯，当到黑夜时光敏电阻电阻变小，热释电模块可开始工作，通过感应当在节点范围内时人体发出的红外光波（人在进入节点区域受到的光波，以及人在离开节点区域时光波消失），传递信号给节点，再将节点信号传输给总节点（ZigBee协调器），总节点将所有信号汇总交由STM32模块处理信号，将反响传输回总结点，再由总结点把各节点应收到的信号传回原节点，继而控制通过电磁继电器来控制灯的明灭。

其工作流程为：第一个红外热释电得到人出现的红外波信号，节点一灯亮，人走入第二节点，红外热释电2得到感应，红外热释电1失去信号，节点一灯灭，节点二灯亮，由此类推，直至所有热释电失去感应，灯全灭。热释电通过感应人体发出红外波的出现与消失来传递信号，达到控制灯泡亮的时间，从而节省电能。

2 系统模块选择

2.1 人体红外热释电模块

HC-SR501是基于红外技术的自动控制模块，采用LHI778探头设计，灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式。实現全自动感应，人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。具有温度补偿、两种触发方式、感应封锁时间、微功耗，等特性，可输出高电平信号，方便与其他电路实现对接。

2.2 继电器模块

继电器线圈没有电压时，继电器没有吸合，公共端与常闭端接通，当有电压时，继电器吸合，公共端与常开端接通。接常开端时，当信号触发端有高或低电平信号时（按设置功能），继电器吸合，相当于开关闭合，此时电路接通，设备将有电正常工作。接常闭端，当信号触发端有高或低电平信号时（按设置功能），继电器吸合，相当于开关由原来接通变为断开，此时设备将断电停止工作。

2.3 GPRS模块

MC52iR3模块具备高性能GSM/GPRS网络通信的所有条件：芯片内部自带了TCP/IP协议栈，与服务器之间的通信变得简单，提供标准的AT指令接口，单片机控制GPRS模块也很方便，且内部包含了基带处理芯片、供电ASIC、功率放大器以及无线完整射频模块。

2.4 ZigBee模块

CC2530采用了增强型8051内核以及CC2520RF收发器。具有芯片小，便于微型化设计、Flash大，便于程序设计、输出功率大和接收灵敏等特点。CC2530需要的总功耗非常低，但是却能够建立起一个强大的网络。

3.理论设计计算

在一些居住楼房楼道走廊大部分是声控灯，然而声控灯在人走后仍然要亮一到两分钟这样就造成了电能的浪费。我们通过红外热释电采集信息，通过GPRS传输到ZigBee模块，STM32处理信息，STM32对ZigBee协调器发出指令，协调器对各ZigBee节点的灯做出调整进行断电，这样就节约了电灯在人走后的电量浪费或者因其他较大声音而引起的电量浪费。

在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。也就是说

干电池的功率计算为：

1.6Ah×1.5V×2=4.8W

ZigBee每小时的耗电情况为：

4.8W÷4320≈0.001W

因此ZigBee模块的耗电基本上可以忽略不计。

据调查一个声控灯亮三分钟消耗的电能2.5W

而由ZigBee控制后：

5/6（W/min）×1min≈1W

一盏灯每亮灯一次就可以节约1.5W左右，一层楼就至少节约10×1.5W=15W，一栋楼就至少节约60×1.5W=90W，依次类推本系统节约电能的效果非常可观。

参考文献

[1]陈晓艳，高伟，秦欢，房晓东，高娜娜.基于GPRS与ZigBee的LED路灯智能监控系统设计[J].电子测量技术，2013，36（10）：62-66

[2]金基宇，王虹元，金桂月，李鹏，牟俊，王智森.基于ZigBee的LED智能照明系统[J].国外电子测量技术，2016，35（10）：76-81+86.

[3]梁光胜，刘丹娟，郝福珍.基于CC2430的ZigBee无线网络节点设计[J].电子设计工程，2010，18（02）：15-18.