基于Zigbee的地下停车场节能控制系统的设计

刘星亮

（安康学院电子与信息工程学院，陕西安康，725000）

0 引言

随着城市现代化进程的加速，地下停车场的数量日益增多。在各大公共场所能耗中，地下停车场的能耗一直占据着较大的比重。一般而言，层高在3-4米的地下停车场，通风次数平均要达到8次/小时，而层高3米以下的，通风次数平均要达到10次/小时。但为节省电费开支，很多地下停车场的灯光和通风设施通常都处于半关闭状态，不仅给停车场使用带来不便，还造成场内空气质量超标[1]。

目前，地下停车场的照明及通风设备的控制主要采取以下三种方式。一是采用类似于路灯所使用的定时开关。通过预设定时时间来实现定时开关设备，如遇现场突发情况则需要更改定时时间，控制管理不够灵活，节能效果一般。二是利用断路器进行直接控制。控制方式简单，成本低，通过人工手动方式进行控制，节能效果不理想。三是利用声控开关对一个或几个区域的照明设备进行开关控制。整体布线复杂，可靠性及耐用性不及前两种，且不支持对通风设备的控制。

无线传感器网络（WSN）综合了传感器技术、嵌入式技术以及无线通信技术，能够通过各类集成化传感器的协作方式对被控对象进行实时监测。就整体而言，无论国外还是国内，当前无线传感器网络的技术已经处于比较成熟的阶段。本文涉及利用无线传感器网络技术开发了一套基于Zigbee通信协议的地下停车场节能控制系统，能够更加高效的对地下停车场照明及通风设备进行智能控制，达到降低能耗的目的。

1 整体方案设计

整个系统主要由协调器、人体红外检测节点、空气质量检测节点、灯光开关控制节点和通风设备控制节点组成。其中，空气质量检测节点周期性采集当前的空气质量，根据国家对室内空气质量的要求，这里主要检查TVOC（总挥发性有机化合物）指数，该物质属于挥发性有机化合物，只要及时通风，就可以使其得到稀释和挥发。每次采集完空气质量后，该节点会将采集结果发送给协调器。与此同时，人体红外检测节点则持续判断停车场内有无人员活动迹象，每次判断结束后将结果发送给协调器。协调器在接收到前两个节点发送过来的数据后，和设置的阈值进行比较，综合判断地下停车场的情况：“有人且空气质量好”、“有人但空气质量不好”、“无人且空气质量好”、“无人但空气质量不好”。当空气质量不好且有人时，发送开灯和全速通风命令；否则，发送关灯和低速通风命令。系统整体结构如图1所示。

图1 节能控制系统整体结构

系统的工作过程：协调器通过广播通信方式进行组网，其余节点接收到信息后加入该Zigbee网络。其中，检测节点周期性采集人员和环境信息发送协调器，协调器将数据进行处理、判断后，通过单播的形式将灯光控制命令和通风设备控制命令转发给执行节点，实现对灯光和通风设备的控制。

2 系统硬件设计

硬件系统主要由协调器、检测节点和执行节点（设备控制节点）三部分组成。根据地下停车场的灯光和通风设备的位置特点及控制方式，建立起一个其他终端节点连接到网络时，直接以协调器作为父节点的星型网络拓扑结构。其中，检测节点由以CC2530芯片构成的通信模块、传感器模块和电源模块组成，执行节点由以 CC2530芯片构成的通信模块、开关控制模块和电源模块组成[2]。节点空间分布如图2所示。

图2 节点空间分布图

空气质量检测节点在启动后，加入由协调器创建的Zigbee网络，并添加周期性采集空气质量事件。该节点每隔5分钟采集一次地下停车场的空气质量，然后对采集的数据和设定的阀值进行比较，判断空气质量的优劣。随后向协调器发送一帧数据（共16字节），第14字节表示节点标签、第15和第16字节存放空气质量信息、其余字节存放地址信息。处理后的数据中，“0”代表TVOC值未超标，“1”代表TVOC值超标。空气质量检测节点工作流程如图3所示。

图3 空气质量检测节点工作流程

人体红外检测节点主要利用人体红外传感器检测区域内是否有人员出现。有人时，该模块输出高电平，返回值为“1”；否则输出低电平，返回值为“0”。根据返回的结果，检测节点向协调器发送一帧数据（共16字节），第14字节表示节点标签、第15和第16字节存放人员检测信息、其余字节存放地址信息。人体红外检测节点工作流程如图4所示。

图4 人体红外检测节点工作流程

3 系统软件设计

在本系统软件主要涉及到节点中Z-Stack协议栈应用层的设计。整个软件借助TI提供的协议栈SampleApp进行开发，基本思路如下：

首先，由协调器发起建立一个新Zigbee网络进程，并对指定的信道进行主动扫描。扫描到合适信道后，网络层将会选择一个PANID来配置网络参数，而这个参数在程序编写时已经进行了设置，对于每个监测区域，网络中的PANID值都是唯一的。与此同时，通过NLME_PERMIT_JOINING来设置使其处于允许其他节点加入该网络的状态。当有节点要加入该网络时，会利用NLME_NETWORK_DISCOVERY创建一个入网进程，网络层通过MLME_SCAN来发起新的扫描。终端节点在检测到信标后，会选择合适的协调器发起关联请求。当协调器接收到关联请求并同意后，会对终端节点发送连接响应，并分配一个16位的短地址，产生一个连接响应命令[3]。

图5 空气质量检测节点事件处理流程图

图6 协调器事件处理流程图

其次，终端节点成功加入网络后，设备的上层会请求MAC层对物理层的phyCurrentChannel、macPANID等PIB属性进行相应的设置，网络拓扑关系和地址也会保存在flash中，并通过分配的16位短地址与协调器进行数据的收发。此外，整个协议栈本身也是基于最基本的轮转查询式操作系统，这里主要在应用层进行相关代码的编写，利用初始化函数SampleApp_Init分别对I/O口输出电平和串口进行初始化，并利用事件处理函数SampleApp_ProcessEvent，处理与检测功能相关的事件。例如空气质量检测节点事件处理流程如图5所示。

最后，当协调器接收到人体红外传感器节点和空气质量检测节点发来的数据后，会对这些数据进行预处理，只保留其中两个字节的有效数据。通过综合判断空气质量和人员信息来得出打开灯光/通风设备或者关闭灯光/通风设备的控制命令，再发给执行节点[4]。其事件处理流程如图6所示。

4 结语

本文提出了一种基于Zigbee无线通信技术的地下停车场节能控制系统，以空气质量、人员状况作为传感器网络采集的对象，经数据中心处理后作为对灯光和通风智能控制的依据。系统实现了人走灯灭、智能通风的功能，消除了无人亮灯和通风设备无控制等现象，不仅提高了地下停车场灯光和通风设备的使用效率，还有效降低了能耗，具有一定的实用和推广价值。