樓宇智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

樓宇智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1節(jié)能型室內(nèi)照明智能控制系統(tǒng)現(xiàn)在，許多建筑仍然采用傳統(tǒng)的照明控制方法。傳統(tǒng)照明控制系統(tǒng)控制方式單一,只有開和關(guān)兩種狀態(tài);管理方式落后,需要人為管理。這樣不僅不能滿足人們對照明模式多樣的追求,而且更容易造成能源浪費(fèi)。例如,當(dāng)人離開房間忘記關(guān)燈時,就會出現(xiàn)“長明燈”現(xiàn)象。因此,隨著社會的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)照明控制系統(tǒng)越來越難以滿足人們的需求。近年來,國內(nèi)外許多研究人員對室內(nèi)照明智能控制系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)做了很多工作。目前主流的節(jié)能型照明智能控制系統(tǒng)主要是有線控制,也有采用射頻和藍(lán)牙技術(shù)的無線照明控制系統(tǒng)。然而,專門針對ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的節(jié)能型室內(nèi)照明智能控制的研究工作卻很少。在此背景下,本文結(jié)合近來在國內(nèi)發(fā)展迅猛的ZigBee及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),提出了一種新型的智能照明控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由若干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成,各節(jié)點(diǎn)通過ZigBee協(xié)議進(jìn)行通信。整個系統(tǒng)工作于全自動狀態(tài),通過采集外界環(huán)境信息,并根據(jù)這些信息的變化來自動切換和設(shè)置相應(yīng)的照明模式。例如,當(dāng)人員全部離開房間時,系統(tǒng)自動調(diào)整房間照明模式為關(guān)閉室內(nèi)所有照明燈,從而避免了“長明燈”現(xiàn)象。2照明控制子系統(tǒng)本系統(tǒng)的實現(xiàn)采用由終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成的Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)通過ZigBee協(xié)議進(jìn)行通信,通信距離為30米~70米,可以覆蓋整幢大樓。樓宇中每個房間對應(yīng)一個路由節(jié)點(diǎn)和若干終端節(jié)點(diǎn),這些節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了本房間內(nèi)的照明自主控制子系統(tǒng)。為了實現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的交互,引入一臺PC機(jī)。該P(yáng)C機(jī)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)直接相連,組成系統(tǒng)的基站節(jié)點(diǎn)。整個系統(tǒng)由基站節(jié)點(diǎn)與各房間自主控制子系統(tǒng)組成,在ZigBee協(xié)議有效通信距離內(nèi),各子系統(tǒng)通過各自的路由節(jié)點(diǎn)相互轉(zhuǎn)發(fā)信息,進(jìn)而形成到基站節(jié)點(diǎn)的多跳網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)與基站節(jié)點(diǎn)的信息交互。2.1pc機(jī)終端界面基站節(jié)點(diǎn)位于系統(tǒng)的頂層,主要用來監(jiān)控整個網(wǎng)絡(luò)。它既可以在PC機(jī)終端界面上顯示網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖及各節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)信息,也可以向路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令,預(yù)設(shè)對應(yīng)房間的照明模式。2.2區(qū)分控制子系統(tǒng)設(shè)計房間自主控制子系統(tǒng)對應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的星型網(wǎng)絡(luò),一般由一個路由節(jié)點(diǎn)和若干終端節(jié)點(diǎn)組成,各終端節(jié)點(diǎn)不能相互通信,只能與本房間對應(yīng)的路由節(jié)點(diǎn)交互信息。如圖1所示,終端節(jié)點(diǎn)處于網(wǎng)絡(luò)的最下層,它們的主要作用是采集當(dāng)前房間內(nèi)的人員個數(shù)、位置及光線強(qiáng)度信息,并將這些信息發(fā)給相應(yīng)的路由節(jié)點(diǎn);另一方面,終端節(jié)點(diǎn)還根據(jù)接收到的路由節(jié)點(diǎn)的指令來設(shè)置房間的照明模式。圖2為房間自主控制子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)布置的一個實例。房間入口處上側(cè)為0號路由節(jié)點(diǎn),編號為○Ⅰ、○Ⅱ的兩個節(jié)點(diǎn)為終端節(jié)點(diǎn),用于采集進(jìn)入房間內(nèi)人員個數(shù)?？看暗摹餉、○B(yǎng)兩終端節(jié)點(diǎn)用于采集當(dāng)前房間內(nèi)的光線強(qiáng)度信息。負(fù)責(zé)采集人員在房間內(nèi)位置信息的節(jié)點(diǎn)為⑤、⑥、⑦、⑧號終端節(jié)點(diǎn)。剩余的○X、○Y、○Z三個終端節(jié)點(diǎn)用來控制房間照明模式的設(shè)置,其中○X節(jié)點(diǎn)控制室頂四盞下照燈,○Y節(jié)點(diǎn)控制矩形桌旁的兩盞壁燈,○Z節(jié)點(diǎn)控制書桌上的臺燈。3基于無界面顯示控制器的自主控制設(shè)計在系統(tǒng)體系架構(gòu)的指導(dǎo)下,首先實現(xiàn)基站節(jié)點(diǎn)的控制設(shè)計,然后在各房間自主控制子系統(tǒng)的實現(xiàn)過程中,即可利用基站節(jié)點(diǎn)PC機(jī)界面顯示控件適時顯示系統(tǒng)狀態(tài),便于系統(tǒng)整體測試。3.1系統(tǒng)整體設(shè)計系統(tǒng)共用到三種類型的節(jié)點(diǎn):終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。每種節(jié)點(diǎn)在硬件層次上都必須包括一個主控模塊(單片機(jī))和一個無線收發(fā)模塊,如本系統(tǒng)選用PIC18F4620單片機(jī)為主控模塊,CC2420芯片為無線收發(fā)模塊。終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集外部環(huán)境信息,還應(yīng)搭載相應(yīng)的傳感器(光敏和紅外傳感器)。為了實現(xiàn)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與PC機(jī)的通信,本系統(tǒng)為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)配置了一個RS232接口(還可以采用其它方法,如無線通信方法)。3.2節(jié)點(diǎn)地址及工作狀態(tài)信息的發(fā)送協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與PC機(jī)通過RS232總線相連接,組成系統(tǒng)的基站節(jié)點(diǎn)?；竟?jié)點(diǎn)的控制實現(xiàn)主要包括兩部分內(nèi)容:協(xié)調(diào)器自身程序設(shè)計與PC機(jī)界面顯示控件的設(shè)計。協(xié)調(diào)器程序要處理接收到的各終端節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)的地址及工作狀態(tài)信息,然后再將這些信息通過RS232串行總線發(fā)送給PC機(jī),如圖3上半部分所示。另一方面,協(xié)調(diào)器程序還要能夠響應(yīng)用戶通過PC機(jī)界面顯示控件發(fā)送來的指令,適時轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的路由或終端節(jié)點(diǎn)。PC機(jī)界面顯示控件實現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的交互。它主要用來將各節(jié)點(diǎn)的地址及工作狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖輸出,以更直觀的方式顯示系統(tǒng)的狀態(tài)信息,當(dāng)用戶發(fā)現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)工作不正常時,便可以及時對相應(yīng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行維修。若界面控件顯示各節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)正常,用戶還可以通過在控件上輸入相應(yīng)命令來預(yù)設(shè)某一房間的照明模式,如果不使用預(yù)設(shè)照明模式,系統(tǒng)將進(jìn)入各房間子系統(tǒng)自主控制模式,如圖3中間部分所示。3.3對并進(jìn)行信息轉(zhuǎn)換,把本樓上的各個環(huán)節(jié)房間自主控制子系統(tǒng)由一個路由節(jié)點(diǎn)和若干終端節(jié)點(diǎn)組成。載有傳感器(紅外傳感器或光敏傳感器)的終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集進(jìn)入房間的人員個數(shù)、人員在室內(nèi)的位置信息以及當(dāng)前房間內(nèi)的光線強(qiáng)度,并將這些信息轉(zhuǎn)發(fā)給本房間對應(yīng)的路由節(jié)點(diǎn);然后,由路由節(jié)點(diǎn)對這些信息進(jìn)行綜合處理,并從預(yù)先設(shè)計好的照明模式中選擇一種和當(dāng)前房間場景相對應(yīng)的模式發(fā)送給控制照明模式的終端節(jié)點(diǎn);最后,由該終端節(jié)點(diǎn)設(shè)置相應(yīng)的照明模式,如圖3下半部分所示。(1)雙邊觸發(fā)中斷人員進(jìn)出房間的判斷由兩個載有紅外傳感器的終端節(jié)點(diǎn)來實現(xiàn),如圖2中編號為○Ⅰ、○Ⅱ的兩個節(jié)點(diǎn)。將與傳感器相連的單片機(jī)引腳配置為雙邊沿觸發(fā)中斷,這樣只有當(dāng)○Ⅰ、○Ⅱ先后產(chǎn)生上升沿中斷,接著又先后產(chǎn)生下降沿中斷時,才認(rèn)為有人進(jìn)入了房間;同樣,只有○Ⅱ、○Ⅰ先后產(chǎn)生上升沿中斷,接著又先后產(chǎn)生下降沿中斷,才認(rèn)為有人離開房間。對于其它的中斷觸發(fā)情況,均不認(rèn)為當(dāng)前房間內(nèi)人員個數(shù)有變化。(2)對照明模式的設(shè)定光線強(qiáng)度判斷模塊由載有光敏傳感器的終端節(jié)點(diǎn)實現(xiàn)。本系統(tǒng)使用兩個載有光敏傳感器的終端節(jié)點(diǎn),對應(yīng)圖2中靠窗的○A、○B(yǎng)節(jié)點(diǎn)?？紤]到光敏傳感器自身的特性與人們的具體需求,將兩個載有光敏傳感器的終端節(jié)點(diǎn)一個置于室外,一個置于室內(nèi)人們拉上窗簾可以遮擋住的地方。將一個節(jié)點(diǎn)置于室外,主要原因是光敏傳感器能感測到室內(nèi)照明燈自身的亮度。因此,如果將光敏傳感器都安裝在室內(nèi)能感測到照明燈光線的地方,當(dāng)照明燈點(diǎn)亮?xí)r,光敏傳感器就會得到光線強(qiáng)度較亮的結(jié)果,從而引起路由節(jié)點(diǎn)關(guān)閉照明燈,接著又會感測到黑暗的結(jié)果,再次設(shè)置照明燈亮起,從而造成室內(nèi)照明模式在亮暗間循環(huán)設(shè)置。將一個載有光敏傳感器的終端節(jié)點(diǎn)置于室內(nèi)窗簾可以遮擋住的地方,則是為了滿足人們需求。當(dāng)白天室內(nèi)人員拉上窗簾時,室內(nèi)光敏傳感器感測到陰暗的結(jié)果,進(jìn)而觸發(fā)設(shè)置照明燈點(diǎn)亮的照明模式,從而避免白天拉上窗簾時室內(nèi)漆黑的結(jié)果。最后,對兩個光敏傳感器感測到的結(jié)果,總是選擇最為漆黑的值作為有效值。(3)合理安排紅外終端節(jié)點(diǎn)室內(nèi)人員位置信息的判別由載有紅外傳感的終端節(jié)點(diǎn)來實現(xiàn)。根據(jù)紅外傳感的探測距離及室內(nèi)空間的大小,可以合理安排紅外終端節(jié)點(diǎn)的個數(shù)及具體位置。如圖2中,編號為⑤、⑥、⑦、⑧的節(jié)點(diǎn)即為室內(nèi)定位的紅外終端節(jié)點(diǎn)。(4)路由節(jié)點(diǎn)的確定照明模式的判斷由路由節(jié)點(diǎn)根據(jù)當(dāng)前室內(nèi)人員個數(shù)、光線強(qiáng)度以及室內(nèi)人員位置信息來實現(xiàn)。路由節(jié)點(diǎn)首先判斷房間內(nèi)有沒有人,若沒人,則設(shè)置關(guān)閉室內(nèi)所有照明燈(若干照明模式之一)。若有人,再判斷室內(nèi)光線強(qiáng)度級別,如果室內(nèi)光線較亮,仍設(shè)置關(guān)閉所有照明燈;否則,再根據(jù)室內(nèi)人員的位置信息來確定相應(yīng)的照明模式。其控制流程如圖4所示。4基于z空間的自動切換照明系統(tǒng)本文介紹了一個基于ZigBee傳感網(wǎng)的樓宇智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方法,在系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)剖析了系統(tǒng)的具體實