吳志輝，劉麗玨，孫世穎，盧紅海，焦 桐

（中南大學 信息科學與工程學院，湖南 長沙 410083）

目前，在我國，資源消耗高、浪費大等問題很嚴重，隨著經(jīng)濟的快速增長和人口的不斷增加，資源不足的矛盾更加突出，建設節(jié)約型社會已刻不容緩。節(jié)約不僅要減少消費，而且要提高利用效率。建設節(jié)約型社會的最大動力在于科技創(chuàng)新。節(jié)能性產(chǎn)品成為社會追求的目標[1]。

ZigBee是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡以其自組網(wǎng)，體積小，低功耗的優(yōu)勢已在很多地方得到應用?；诖?，本文設計了一種基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡的智能燈光跟隨系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡和嵌入式控制器，實現(xiàn)了有人時，燈光緊隨人的移動而移動，無人時，燈自動熄滅。避免了長時間、大范圍不必要的照明造成的電能的浪費，達到節(jié)能的效果。

1 系統(tǒng)的總體構(gòu)架

整個系統(tǒng)的布署的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1，該系統(tǒng)基于Zigbee的WSN技術(shù)[2]，利用Zigbee的低耗能，低成本，高擴充性，免頻段使用費的優(yōu)點，構(gòu)建一個無線傳感器網(wǎng)絡。該系統(tǒng)可分為Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡，嵌入式控制機構(gòu)和執(zhí)行裝置，Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡是由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點和若干傳感器節(jié)點組成的星型網(wǎng)絡，負責采集環(huán)境中人員存在方位的信息；Zigbee網(wǎng)絡中傳感器節(jié)點分布在房間和走廊的各個角落，實時監(jiān)測特定區(qū)域的人員存在方位的信息。協(xié)調(diào)器節(jié)點負責建立并維護網(wǎng)絡，收集到傳感器節(jié)點采集到的信息，并通過UART方式傳給主控制器。主控制器分析采集的數(shù)據(jù)，判斷人員的方位，控制舵機的轉(zhuǎn)向和燈的亮和滅，實現(xiàn)燈光跟隨功能。

圖1 系統(tǒng)的總體部署Fig.1 The overall arrangement of the system

2 系統(tǒng)的硬件設計

本系統(tǒng)的硬件主要包括3部分：無線傳感器網(wǎng)絡，嵌入式器PXA270和舵機、照明設備執(zhí)行機構(gòu)。

2.1 Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡

本系統(tǒng)采用的無線傳感器網(wǎng)絡的核心是基于TI公司生產(chǎn)的CC2430開發(fā)的無線模塊，CC2430結(jié)合一個高性能2.4 GHz DSSS射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器，擁有 8～14位 ADC、DMA，定時、計數(shù)器、USART、AES-128協(xié)處理器、睡眠模式定時器、看門狗、上電復位和掉電檢測電路以及21個可編程引腳，是一顆真正的系統(tǒng)芯片（SoC）CMOS解決方案。

系統(tǒng)中的無線傳感器網(wǎng)絡由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點和若干傳感器節(jié)點組成，傳感器節(jié)點由數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，無線通信模塊，電源模塊組成，電路圖如圖2所示。

連接人體紅外模塊HC-SR501。HC-SR501是基于紅外線技術(shù)的自動控制模塊，采用德國原裝進口LHI778探頭設計，靈敏度高，可靠性強。人進入其感應范圍則輸出高電平，人離開感應范圍則自動延時關閉高電平，輸出低電平[3]。人體紅外傳感器的OUT輸出端口連接到CC2430的I/O口上，把I/O口設置為輸入模式，通過檢測I/O端口的高低電平就能得到人員是否存在的信息。協(xié)調(diào)器節(jié)點功能相當于網(wǎng)關節(jié)點，在本系統(tǒng)中充當與主控制器通信的硬件，其組成如圖3所示，包括CC2430射頻模塊，仿真下載模塊，UART，開關和LED指示燈。Zigbee節(jié)點組成星狀網(wǎng)絡，所有的傳感器節(jié)點都將采集到的信息實時發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點。

圖2 傳感器結(jié)點電路圖Fig.2 Circuit diagram of the sensor node

圖3 協(xié)調(diào)器結(jié)點的組成Fig.3 The composition of coordinator node

2.2 嵌入式控制平臺和執(zhí)行機構(gòu)

系統(tǒng)中采用的主控制器為Intel公司生產(chǎn)的PXA270，PXA270基于ARMv5E的Xscale核心，最高頻率可達624 MHz，是一款性能極其強勁的嵌入式處理器，系統(tǒng)的控制機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖4，PXA270通過串口連接Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點，通過PWM模塊堆垛機進行控制，I/O端口連接光耦芯片TPL521-4，利用I/O口的高低電平控制TPL521-4輸出的導通和截止，照明裝置的電源線連接到TPL521-4的輸出端口，并固定在在舵機上，隨舵機而轉(zhuǎn)動。

3 系統(tǒng)的軟件設計

3.1 無線傳感器網(wǎng)絡的設計

圖4 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure of control system

系統(tǒng)中Zigbee節(jié)點的軟件設計移植了Z-stack協(xié)議棧[4]，該協(xié)議棧提供了完整的路由協(xié)議，并對應用層是完全透明的，只需將數(shù)據(jù)下發(fā)至協(xié)議棧，協(xié)議棧便會自動尋找路徑，因此在程序開發(fā)上，主要是在Z-stack協(xié)議棧的基礎上，完成協(xié)調(diào)器節(jié)點和傳感器節(jié)點的程序設計。

1）協(xié)調(diào)器節(jié)點的軟件設計

協(xié)調(diào)器節(jié)點是整個網(wǎng)絡的核心，負責網(wǎng)絡的建立和管理，工作流程圖如圖5所示。系統(tǒng)上電后，首先初始化硬件和協(xié)議棧，初始化完成后，協(xié)議棧掃描出一個合適的信道建立一個網(wǎng)絡[5]。當有設備請求加入時，協(xié)調(diào)器負責分配它一個16位的短地址，并允許加入網(wǎng)絡，組網(wǎng)完成后，協(xié)調(diào)器節(jié)點開始接受從傳感器節(jié)點傳送過來的數(shù)據(jù)并通過串口傳至嵌入式控制器。

2）傳感器節(jié)點的設計

圖5 協(xié)調(diào)器節(jié)點工作流程圖Fig.5 The work flowchart of coordinator node

傳感器節(jié)點工作流程圖如圖6，其主要通過無線傳輸?shù)姆绞?，將采集到的人員信息送至協(xié)調(diào)器節(jié)點[6]。完成CC2430的初始化后，開始掃瞄信道，尋找到合適的網(wǎng)絡，發(fā)送加入網(wǎng)絡信息，得到確認后，開始進入休眠狀態(tài)，等待定時器喚醒，收到喚醒指令后，開始通過傳感器采集信息，并發(fā)至其父節(jié)點。

圖6 傳感器節(jié)點工作流程圖Fig.6 The work flowchart of sensor node

3.2 嵌入式控制器的軟件設計

PXA270通過串口接收Zigbee節(jié)點采集到的信息，根據(jù)Zigee的16位物理地址和相應采集到人是否存在的信息來確定人員的方位，工作流程如圖7所示，首先，檢測是否有節(jié)點返回有人存在的信息，如果無人存在，則把I/O口的輸出設置為低電平，使燈熄滅，否則，I/O設置為高電平，燈亮起，然后根據(jù)返回的Zigbee的物理地址，判斷是哪個節(jié)點返回的信息，從而確定人員存在的大致方位，進而控制舵機轉(zhuǎn)動，使燈光照向這個方位。

圖7 PXA270工作流程圖Fig.7 The work flowchart of PXA270

4 系統(tǒng)測試

實驗時，在實驗室搭建了1個小的模型，其中的無線傳感器網(wǎng)絡包含1個協(xié)調(diào)器節(jié)點和3個傳感器節(jié)點 （Zigee節(jié)點實物如圖8），傳感器節(jié)點均勻地分布在走廊的兩側(cè)，PXA270和照明裝置（實物如圖9）放在了較高的柜子上。

Zigbee節(jié)點上電后，過了大約5 s，開發(fā)板上的led顯示網(wǎng)絡建立完成，當人走過時，燈自動的開啟，舵機轉(zhuǎn)動，照向人存在的方位，當人走動的時候，舵機隨之轉(zhuǎn)動。當人離開檢測區(qū)域時，照明裝置自動熄滅，實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以正常工作。

圖8 Zigbee節(jié)點實物Fig.8 Zigbee node physical

圖9 PXA270和照明裝置Fig.9 PXA270 and lighting devise

5 結(jié)束語

文中采用無線傳感器技術(shù)、Zigbee技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)和計算機技術(shù)構(gòu)建智能燈光跟隨系統(tǒng)，實現(xiàn)對人體的檢測并使燈光跟隨人體移動，從而達到節(jié)能環(huán)保的效果。本系統(tǒng)具有成本低、低功耗、檢測準確、實用性強等特點，非常適合在走廊、道路等場所使用，具有很好的經(jīng)濟效益和社會價值。目前，我們尚處在實驗階段，正在進行產(chǎn)品化過渡。

參考資料：

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JI Qing，DUAN Pei-yong，LI Lian-fang，et al.Research and implementation of intelligent home based on ZigBee wireless sensor network[J].Computer Engineering and Design，2008，6（12）:2064-3067.

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