基于无线传感网络的园区照明控制系统研究

杭州电子科技大学射频电路与系统教育部重点实验室　魏　巍　叶秀敏

基于无线传感网络的园区照明控制系统研究

杭州电子科技大学射频电路与系统教育部重点实验室魏巍叶秀敏

针对传统园区照明系统自动化控制程度弱、能源利用率低等问题，提出了一种借助传感器技术及ZigBee无线通信技术来进行自动化管理的照明控制系统，并达到了高效节能目的。采用多种传感器协调控制智能调整照明参数。通过ZigBee网络建立通信信道，实现无线传感器监测节点与监控中心之间的实时数据通信。基于ARM平台的监控中心实现了数据分析与人机交互功能。实验测试证明，这种以无线传感网络为主的监测控制系统能够实时采集环境参数，合理布局照明方案，实现按时照明、按需照明，有效提高了能源利用率。

园区照明系统；自动控制；ZigBee；传感器；ARM

0　引言

目前，灯光照明系统已经成为人们日常生活不可或缺的一部分，形形色色的照明设备遍布大街小巷、家居园林。在诸如校园、公园、小区等园区也存在各自独立的照明系统，需要照明控制系统来进行管理。然而大部分园区的照明控制系统较为简单，多采用定时器或光控器让照明设备在规定时间段内亮灭，存在较大的能源浪费，同时也不便于远程监控和管理。部分园区管理者为了节约能源，常常关闭部分区域照明，给行人带来不便和潜在的安全隐患。无线通信技术、传感器技术及嵌入式技术的发展为实现照明控制系统的自动化和智能化提供了有力的技术支撑［1-2］。本文介绍了一种基于无线传感网络的智能化园区照明管理控制系统，能够根据环境光线强弱自动调整照明强度，能够检测周围行人及车辆靠近自动开启照明，能够在控制终端远程监控各个照明设备状态（光照强度、电压电流、温度等），并可自定义节电照明方案（如间隔照明、弱光照明等），满足了园区照明智能化管理的要求。

1　系统组成

照明控制系统主要由无线传感器监测节点和监控中心组成，网络组成结构如图1所示。

图1　系统结构

监控中心包括ARM处理器为核心的控制终端和ZigBee协调器设备，ARM控制终端通过串行接口控制协调器，进而与整个ZigBee无线传感网络进行数据交换。图1给出了由监控中心和15个无线传感器监测节点组成的无线传感网络示意图，每个无线传感器监测节点均控制一台LED照明设备，部分监测节点如节点4、7、13、14，在有需要时还兼具路由功能。分布在园区各处照明设备上的无线传感器监测节点在协调器作用下能够以自组织方式形成无线mesh网络，各个传感器采集的光照、温度、电压等数据信息经协调器传递到ARM控制终端，然后对数据进行存储、分析及处理，而控制终端发出的控制指令也能通过协调器发送到指定监测节点，对照明设备进行控制。

本系统中，无线通信模块采用CC2530系列芯片，它是TI公司推出的用于2.4GHz IEEE 802.15.4/RF4CE/ZigBee的第二代片上系统解决方案，片内集成了增强型8051CPU内核和RF收发器，结合TI公司的ZStack 协议栈，大大简化了软件的开发流程，能够快捷方便地组建ZigBee无线网络，实现无线传感器监测节点间的数据传输。

2　系统硬件设计

2.1无线传感器监测节点硬件设计

无线传感器检测节点硬件结构如图2所示。

图2　无线传感器监测节点硬件结构框图

监测节点主要包括环境检测单元、控制单元、驱动单元、通信单元以及供电单元五部分。

MCU主控系统采用ATmega128单片机和CC2530的8051内核协同工作。其中ATmega128单片机主要负责传感器模块的数据处理及驱动电路的控制功能，CC2530的8051内核则主要负责节点与监控中心的数据通信协议，并由通信单元完成物理收发。ATmega128是ATMEL公司推出的一款低功耗、高性能的8位单片机，稳定型高，具有丰富的外设接口，如6路分辨率可编程（1 到16 位）的PWM、8路10 位ADC、SPI串行接口、两线制串行接口（I2C）等，方便了微处理器与传感器电路及驱动电路的连接。

环境检测部分主要通过传感器采集当前环境参数（光照强度、行人接近、声音等）。光照强度检测采用BH1750VI型环境光照度传感器，该传感器具有分辨率高、光谱灵敏度接近人眼视觉、光源依赖性弱、受红外线影响小等特点。传感器无需其他外设，直接输出16位数字信号，可通过I2C总线与微处理器相连。行人接近检测采用RE200B人体热释电红外传感器，结合高性能的传感信号处理集成电路芯片BISS0001，配以少量外围电路，即可组成热释电红外感应开关，结果以数字信号输出，当有人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则输出低电平，可直接与微处理器通用I/O接口连接。声音检测采用声音传感器模块，传感器由一个对声音敏感的电容式驻极体话筒和运算放大器构成。声波使话筒内的驻极体薄膜振动，导致电容的变化，而产生与之对应变化的微小电压。这一电压经运算放大器作用被转化成0-5V的电压，可通过微处理器的AD采集功能获得该电压值，进而判断声音强弱，当电压值超过设定阈值时可判断附近有声源存在。

驱动电路包括光照调节、状态检测及温度反馈调节电路。光照调节电路通过单片机产生PWM波形，根据PWM信号允许或禁止电流通过LED灯，调节PWM波形占空比能够调节一个周期内流过LED的有效电流的时间，进而达到调光效果。状态检测电路通过检测LED灯具工作时的电压、电流来判断灯具的好坏。当LED灯具内部温度过高时，会引起LED灯出现严重的光衰，降低LED的使用寿命，过温保护电路通过温度传感器检测内部温度，当内部温度过高时自动减小输出电流以降低灯具内部温度［3-4］。

2.2监控中心硬件设计

监控中心分为ARM控制终端和协调器两个部分，二者通过串行接口相连。ARM控制终端采用三星公司的ARM9微处理器S3C2440AL作为主控芯片，通过LCD触摸屏接口实现人机交互。硬件结构如图3所示。

图3　监控中心硬件结构框图

图4　监测节点主控程序软件流程

3　系统软件设计

3.1无线传感器监测节点软件设计

ATmega128单片机需要完成传感器的数据检测及LED照明驱动电路的控制功能，主控流程图如图4所示。首先系统上电，完成硬件初始化，包括各种环境监测传感器初始化及与CC2530通讯接口的初始化，然后读取寄存器设置判断是否处于人工控制状态，如果是人工控制状态，则依照人工配置开启照明，通过PWM信号控制照明亮度。如果是自动控制，则读取光线传感器数据，当外部光强较弱时打开照明，接下来开启定时照明至午夜，进入弱光照明或关闭状态。这时根据声音传感器及红外感应传感器检测到行人经过来控制照明开启。当环境光强较强时，进入彻底关闭照明状态。

CC2530的8051内核需要实现ZigBee网络的加入和数据通信，该功能基于TI公司的ZStack-2007协议栈来完成［5］。协议栈采用结构分层的方式实现了大部分无线组网的工作，用户只需调用OSAL提供的相关API进行多任务编程，将自己的应用程序作为一个独立的任务来实现，这里主要实现ATmega128单片机与监控中心的无线管道通信。

3.2嵌入式控制平台软件设计

嵌入式监控平台控制软件基于嵌入式Linux平台，采用Qt完成人机界面与功能设计［6］。各传感器监测节点将照明设备状态数据通过ZigBee网络汇总到监控平台后，进行分析与处理，通过照明节点的电压与电流状况判断设备工作是否正常。系统能够通过全局设置调节照明开关阈值，照明工作时长等，还可以自定义节电模式，如提供部分灯开启照明，部分灯开启感应照明等。此外，亦可单独针对某个节点进行照明模式及状态调节，所有设备的工作状态均可显示在用户操作界面上，可通过查询设置快速查询。

4　结论

鉴于目前传统园区照明系统智能监控方面的不足，不利于节能化布局管理，本文采用环境传感器及ZigBee无线通信网络设计了智能无线传感网络监控系统，实现了园区照明的智能化统一布局管理。经过实验测试，该系统性能可靠，监测准确，控制响应快捷灵敏，无线传感器监测节点独立设计，安装灵活方便，免除了布线烦扰，降低了系统使用成本，具有一定的推广意义。

［1］李继豪，赵瑞峰，李爱莉.基于GSM/GPRS网络的路灯监控系统［J］.计算机工程与设计，2005（7）：1889-1890.

［2］翟萍，张春玲.城市路灯控制系统的无线解决方案［J］.微计算机信息，2008，24（1）：8-9.

［3］宋鹏程，文尚胜，尚俊，史晨阳，陈颖聪.基于PWM的三基色LED的调光调色方法［J］.光学学报，2015（2）：1-8.

［4］李涛.基于无线传感器网络的室内灯光控制系统［J］.新型工业化，2011（9）：16-21.

［5］崔霞，魏鲁原.基于ZigBee的园林生态监测系统［J］.电子世界，2015（14）：64-65.

［6］张积红，吴强.嵌入式Linux研究及其在ARM上的移植［J］.电脑知识与技术，2005（8）：45-48.