武建平

摘要：為了提高校園用電效率，提出了一種基于ZigBee的校園路燈智能照明系統(tǒng)設(shè)計方案，主要對終端節(jié)點的硬件進行設(shè)計，詳細討論了各個模塊的元器件選擇，給出了匯聚節(jié)點的軟件設(shè)計流程，最終實現(xiàn)了由路燈、終端節(jié)點、匯聚節(jié)點及上位機等組成的智能照明系統(tǒng)。系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠，對校園實施智能照明具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：ZigBee 校園 照明系統(tǒng)

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0162-02

1 引言

校園道路照明是為了滿足校園內(nèi)行人、車輛的夜間通行安全的視覺要求，而進行的有主題的照明類型，具有營造寧靜淡雅的學府氣質(zhì)和預防夜間犯罪的作用[1]，是校園內(nèi)照明設(shè)施系統(tǒng)中不可或缺的一部分。但現(xiàn)有大部分路燈照明系統(tǒng)存在控制方式落后、電能損耗較大等問題，無法滿足建立“節(jié)約型校園”的目標。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低功耗、低復雜度、自組織、低成本、高數(shù)據(jù)速率的雙向無線通信技術(shù)，滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)要求[2]，可有效避免基于傳統(tǒng)控制方式的不足，適合“節(jié)約型校園”智能路燈照明系統(tǒng)設(shè)計。因此，本文利用ZigBee技術(shù)，提出了一種采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的校園路燈照明系統(tǒng)設(shè)計方案，首先介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，其次詳細討論了匯聚節(jié)點和終端節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)及各個模塊的元器件選擇，然后分析了匯聚節(jié)點的軟件實現(xiàn)流程，最終實現(xiàn)了由路燈、終端節(jié)點、匯聚節(jié)點、及上位機等組成的校園路燈照明系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

校園路燈照明系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由路燈、終端節(jié)點（群）、匯聚節(jié)點及上位機等組成。

終端節(jié)點合理布設(shè)于校園內(nèi)，實現(xiàn)校園環(huán)境參數(shù)的實時采集，所有終端節(jié)點通過自組網(wǎng)方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，以ZigBee方式將采集到的參數(shù)信息傳送到匯聚節(jié)點；匯聚節(jié)點通過RS232串口與上位機相連，將收集到的參數(shù)信息保存到上位機數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理；系統(tǒng)采用預設(shè)的控制算法，通過終端節(jié)點控制路燈的開啟或關(guān)閉，實現(xiàn)智能照明。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

路燈的開啟與閉合主要由終端節(jié)點采集到的校園環(huán)境參數(shù)控制，即終端節(jié)點采集的環(huán)境信息是否準確對整個照明系統(tǒng)的性能有極大影響，所以終端節(jié)點的設(shè)計非常重要。

3.1 終端節(jié)點硬件設(shè)計

終端節(jié)點主要包括微處理器模塊、射頻模塊、電源模塊及傳感器模塊（在采集不同環(huán)境參數(shù)時，傳感器模塊設(shè)計會不同）。匯聚節(jié)點與終端節(jié)點相比，不具有參數(shù)采集功能，所以不包括傳感器模塊。終端節(jié)點硬件框架如圖2所示。

3.2 終端節(jié)點各模塊元器件選擇

終端節(jié)點是構(gòu)成校園智能照明系統(tǒng)的基本組成單元，負責實時采集環(huán)境參數(shù)、數(shù)據(jù)預處理及發(fā)送功能。由于校園環(huán)境參數(shù)信息采集量較大、分布范圍較廣，且校園無線傳輸環(huán)境較復雜，這就要求終端節(jié)點不僅要成本低，并且應具有體積小、功耗低、適應性強等特點。根據(jù)校園智能照明系統(tǒng)的需要，終端節(jié)點各模塊選擇元器件如下：

（1）微處理器模塊。以ATmega128單片機為核心，該單片機采用先進的RISC結(jié)構(gòu)，具有片內(nèi)128 K程序存儲器，與SPI總線兼容的編程接口，8個10位ADC通道和雙可編程串行USART接口，除正常操作模式外，還具有6種不同等級的低能耗操作模式[3]。該款單片機硬件結(jié)構(gòu)較簡單，體積小，可用軟件設(shè)計控制采用何種節(jié)能模式，方便實現(xiàn)節(jié)點的節(jié)能降耗要求。

（2）射頻模塊。選用TI公司的CC2530。該芯片能夠以非常低的材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，具有增強型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，僅需很少的外圍部件配合就能實現(xiàn)信號的收發(fā)功能，有效降低了系統(tǒng)的功耗[4]。

（3）傳感器模塊。該模塊主要采集路燈周邊光線強度、溫度和濕度等環(huán)境參數(shù)信息，因此，溫度傳感器選用具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強的DS18B20，光線強度采用光敏電阻GL4516和RE200B熱釋電紅外傳感器[5]。

（4）電源模塊。采用固定電源及電池供電，保證節(jié)點持續(xù)、有效運行。

4 匯聚節(jié)點軟件設(shè)計

匯聚節(jié)點主要負責建立無線網(wǎng)絡(luò)，對其進行維護，網(wǎng)絡(luò)建成后允許終端節(jié)點加入，并給加入網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址，接收終端節(jié)點傳送的數(shù)據(jù)，處理后發(fā)送給上位機。本文設(shè)計的匯聚節(jié)點軟件流程圖，如圖3所示。

5 結(jié)語

為了實現(xiàn)校園合理照明，有效節(jié)約電力資源，本文提出了一種基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)校園智能照明系統(tǒng)設(shè)計方案，選擇低能耗、低成本、適應性強的芯片完成了終端節(jié)點的硬件設(shè)計，給出了匯聚節(jié)點的軟件流程。經(jīng)過在某大學校園實地檢測，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠，滿足設(shè)計需求。

參考文獻

[1]黃強.基于Zigbee的校園照明監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].西南交通大學碩士學位論文，2014.

[2]O Green， E S Nadimi， V Blanes， et al. Monitoring and modeling temperature variations inside silage stacks using novel wireless sensor networks[J].Computers and Electronics in Agriculture，2009，69（1）：139-157.

[3]李貫峰，劉平.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計[J].節(jié)水灌溉，2013，（5）：54-57.

[4]CC2530芯片數(shù)據(jù)手冊[DB/OL].http：//www.ti.com.cn/product/cn/cc2530.

[5]賈志城，白建軍.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的圖書館智能照明系統(tǒng)設(shè)計[J].建筑設(shè)計管理，2014，（4）：76-79.endprint

摘要：為了提高校園用電效率，提出了一種基于ZigBee的校園路燈智能照明系統(tǒng)設(shè)計方案，主要對終端節(jié)點的硬件進行設(shè)計，詳細討論了各個模塊的元器件選擇，給出了匯聚節(jié)點的軟件設(shè)計流程，最終實現(xiàn)了由路燈、終端節(jié)點、匯聚節(jié)點及上位機等組成的智能照明系統(tǒng)。系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠，對校園實施智能照明具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：ZigBee 校園 照明系統(tǒng)

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0162-02

1 引言

校園道路照明是為了滿足校園內(nèi)行人、車輛的夜間通行安全的視覺要求，而進行的有主題的照明類型，具有營造寧靜淡雅的學府氣質(zhì)和預防夜間犯罪的作用[1]，是校園內(nèi)照明設(shè)施系統(tǒng)中不可或缺的一部分。但現(xiàn)有大部分路燈照明系統(tǒng)存在控制方式落后、電能損耗較大等問題，無法滿足建立“節(jié)約型校園”的目標。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低功耗、低復雜度、自組織、低成本、高數(shù)據(jù)速率的雙向無線通信技術(shù)，滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)要求[2]，可有效避免基于傳統(tǒng)控制方式的不足，適合“節(jié)約型校園”智能路燈照明系統(tǒng)設(shè)計。因此，本文利用ZigBee技術(shù)，提出了一種采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的校園路燈照明系統(tǒng)設(shè)計方案，首先介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，其次詳細討論了匯聚節(jié)點和終端節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)及各個模塊的元器件選擇，然后分析了匯聚節(jié)點的軟件實現(xiàn)流程，最終實現(xiàn)了由路燈、終端節(jié)點、匯聚節(jié)點、及上位機等組成的校園路燈照明系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

校園路燈照明系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由路燈、終端節(jié)點（群）、匯聚節(jié)點及上位機等組成。

終端節(jié)點合理布設(shè)于校園內(nèi)，實現(xiàn)校園環(huán)境參數(shù)的實時采集，所有終端節(jié)點通過自組網(wǎng)方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，以ZigBee方式將采集到的參數(shù)信息傳送到匯聚節(jié)點；匯聚節(jié)點通過RS232串口與上位機相連，將收集到的參數(shù)信息保存到上位機數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理；系統(tǒng)采用預設(shè)的控制算法，通過終端節(jié)點控制路燈的開啟或關(guān)閉，實現(xiàn)智能照明。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

路燈的開啟與閉合主要由終端節(jié)點采集到的校園環(huán)境參數(shù)控制，即終端節(jié)點采集的環(huán)境信息是否準確對整個照明系統(tǒng)的性能有極大影響，所以終端節(jié)點的設(shè)計非常重要。

3.1 終端節(jié)點硬件設(shè)計

終端節(jié)點主要包括微處理器模塊、射頻模塊、電源模塊及傳感器模塊（在采集不同環(huán)境參數(shù)時，傳感器模塊設(shè)計會不同）。匯聚節(jié)點與終端節(jié)點相比，不具有參數(shù)采集功能，所以不包括傳感器模塊。終端節(jié)點硬件框架如圖2所示。

3.2 終端節(jié)點各模塊元器件選擇

終端節(jié)點是構(gòu)成校園智能照明系統(tǒng)的基本組成單元，負責實時采集環(huán)境參數(shù)、數(shù)據(jù)預處理及發(fā)送功能。由于校園環(huán)境參數(shù)信息采集量較大、分布范圍較廣，且校園無線傳輸環(huán)境較復雜，這就要求終端節(jié)點不僅要成本低，并且應具有體積小、功耗低、適應性強等特點。根據(jù)校園智能照明系統(tǒng)的需要，終端節(jié)點各模塊選擇元器件如下：

（1）微處理器模塊。以ATmega128單片機為核心，該單片機采用先進的RISC結(jié)構(gòu)，具有片內(nèi)128 K程序存儲器，與SPI總線兼容的編程接口，8個10位ADC通道和雙可編程串行USART接口，除正常操作模式外，還具有6種不同等級的低能耗操作模式[3]。該款單片機硬件結(jié)構(gòu)較簡單，體積小，可用軟件設(shè)計控制采用何種節(jié)能模式，方便實現(xiàn)節(jié)點的節(jié)能降耗要求。

（2）射頻模塊。選用TI公司的CC2530。該芯片能夠以非常低的材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，具有增強型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，僅需很少的外圍部件配合就能實現(xiàn)信號的收發(fā)功能，有效降低了系統(tǒng)的功耗[4]。

（3）傳感器模塊。該模塊主要采集路燈周邊光線強度、溫度和濕度等環(huán)境參數(shù)信息，因此，溫度傳感器選用具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強的DS18B20，光線強度采用光敏電阻GL4516和RE200B熱釋電紅外傳感器[5]。

（4）電源模塊。采用固定電源及電池供電，保證節(jié)點持續(xù)、有效運行。

4 匯聚節(jié)點軟件設(shè)計

匯聚節(jié)點主要負責建立無線網(wǎng)絡(luò)，對其進行維護，網(wǎng)絡(luò)建成后允許終端節(jié)點加入，并給加入網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址，接收終端節(jié)點傳送的數(shù)據(jù)，處理后發(fā)送給上位機。本文設(shè)計的匯聚節(jié)點軟件流程圖，如圖3所示。

5 結(jié)語

為了實現(xiàn)校園合理照明，有效節(jié)約電力資源，本文提出了一種基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)校園智能照明系統(tǒng)設(shè)計方案，選擇低能耗、低成本、適應性強的芯片完成了終端節(jié)點的硬件設(shè)計，給出了匯聚節(jié)點的軟件流程。經(jīng)過在某大學校園實地檢測，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠，滿足設(shè)計需求。

參考文獻

[1]黃強.基于Zigbee的校園照明監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].西南交通大學碩士學位論文，2014.

[2]O Green， E S Nadimi， V Blanes， et al. Monitoring and modeling temperature variations inside silage stacks using novel wireless sensor networks[J].Computers and Electronics in Agriculture，2009，69（1）：139-157.

[3]李貫峰，劉平.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計[J].節(jié)水灌溉，2013，（5）：54-57.

[4]CC2530芯片數(shù)據(jù)手冊[DB/OL].http：//www.ti.com.cn/product/cn/cc2530.

[5]賈志城，白建軍.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的圖書館智能照明系統(tǒng)設(shè)計[J].建筑設(shè)計管理，2014，（4）：76-79.endprint

摘要：為了提高校園用電效率，提出了一種基于ZigBee的校園路燈智能照明系統(tǒng)設(shè)計方案，主要對終端節(jié)點的硬件進行設(shè)計，詳細討論了各個模塊的元器件選擇，給出了匯聚節(jié)點的軟件設(shè)計流程，最終實現(xiàn)了由路燈、終端節(jié)點、匯聚節(jié)點及上位機等組成的智能照明系統(tǒng)。系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠，對校園實施智能照明具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：ZigBee 校園 照明系統(tǒng)

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0162-02

1 引言

校園道路照明是為了滿足校園內(nèi)行人、車輛的夜間通行安全的視覺要求，而進行的有主題的照明類型，具有營造寧靜淡雅的學府氣質(zhì)和預防夜間犯罪的作用[1]，是校園內(nèi)照明設(shè)施系統(tǒng)中不可或缺的一部分。但現(xiàn)有大部分路燈照明系統(tǒng)存在控制方式落后、電能損耗較大等問題，無法滿足建立“節(jié)約型校園”的目標。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低功耗、低復雜度、自組織、低成本、高數(shù)據(jù)速率的雙向無線通信技術(shù)，滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)要求[2]，可有效避免基于傳統(tǒng)控制方式的不足，適合“節(jié)約型校園”智能路燈照明系統(tǒng)設(shè)計。因此，本文利用ZigBee技術(shù)，提出了一種采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的校園路燈照明系統(tǒng)設(shè)計方案，首先介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，其次詳細討論了匯聚節(jié)點和終端節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)及各個模塊的元器件選擇，然后分析了匯聚節(jié)點的軟件實現(xiàn)流程，最終實現(xiàn)了由路燈、終端節(jié)點、匯聚節(jié)點、及上位機等組成的校園路燈照明系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

校園路燈照明系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由路燈、終端節(jié)點（群）、匯聚節(jié)點及上位機等組成。

終端節(jié)點合理布設(shè)于校園內(nèi)，實現(xiàn)校園環(huán)境參數(shù)的實時采集，所有終端節(jié)點通過自組網(wǎng)方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，以ZigBee方式將采集到的參數(shù)信息傳送到匯聚節(jié)點；匯聚節(jié)點通過RS232串口與上位機相連，將收集到的參數(shù)信息保存到上位機數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理；系統(tǒng)采用預設(shè)的控制算法，通過終端節(jié)點控制路燈的開啟或關(guān)閉，實現(xiàn)智能照明。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

路燈的開啟與閉合主要由終端節(jié)點采集到的校園環(huán)境參數(shù)控制，即終端節(jié)點采集的環(huán)境信息是否準確對整個照明系統(tǒng)的性能有極大影響，所以終端節(jié)點的設(shè)計非常重要。

3.1 終端節(jié)點硬件設(shè)計

終端節(jié)點主要包括微處理器模塊、射頻模塊、電源模塊及傳感器模塊（在采集不同環(huán)境參數(shù)時，傳感器模塊設(shè)計會不同）。匯聚節(jié)點與終端節(jié)點相比，不具有參數(shù)采集功能，所以不包括傳感器模塊。終端節(jié)點硬件框架如圖2所示。

3.2 終端節(jié)點各模塊元器件選擇

終端節(jié)點是構(gòu)成校園智能照明系統(tǒng)的基本組成單元，負責實時采集環(huán)境參數(shù)、數(shù)據(jù)預處理及發(fā)送功能。由于校園環(huán)境參數(shù)信息采集量較大、分布范圍較廣，且校園無線傳輸環(huán)境較復雜，這就要求終端節(jié)點不僅要成本低，并且應具有體積小、功耗低、適應性強等特點。根據(jù)校園智能照明系統(tǒng)的需要，終端節(jié)點各模塊選擇元器件如下：

（1）微處理器模塊。以ATmega128單片機為核心，該單片機采用先進的RISC結(jié)構(gòu)，具有片內(nèi)128 K程序存儲器，與SPI總線兼容的編程接口，8個10位ADC通道和雙可編程串行USART接口，除正常操作模式外，還具有6種不同等級的低能耗操作模式[3]。該款單片機硬件結(jié)構(gòu)較簡單，體積小，可用軟件設(shè)計控制采用何種節(jié)能模式，方便實現(xiàn)節(jié)點的節(jié)能降耗要求。

（2）射頻模塊。選用TI公司的CC2530。該芯片能夠以非常低的材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，具有增強型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，僅需很少的外圍部件配合就能實現(xiàn)信號的收發(fā)功能，有效降低了系統(tǒng)的功耗[4]。

（3）傳感器模塊。該模塊主要采集路燈周邊光線強度、溫度和濕度等環(huán)境參數(shù)信息，因此，溫度傳感器選用具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強的DS18B20，光線強度采用光敏電阻GL4516和RE200B熱釋電紅外傳感器[5]。

（4）電源模塊。采用固定電源及電池供電，保證節(jié)點持續(xù)、有效運行。

4 匯聚節(jié)點軟件設(shè)計

匯聚節(jié)點主要負責建立無線網(wǎng)絡(luò)，對其進行維護，網(wǎng)絡(luò)建成后允許終端節(jié)點加入，并給加入網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址，接收終端節(jié)點傳送的數(shù)據(jù)，處理后發(fā)送給上位機。本文設(shè)計的匯聚節(jié)點軟件流程圖，如圖3所示。

5 結(jié)語

為了實現(xiàn)校園合理照明，有效節(jié)約電力資源，本文提出了一種基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)校園智能照明系統(tǒng)設(shè)計方案，選擇低能耗、低成本、適應性強的芯片完成了終端節(jié)點的硬件設(shè)計，給出了匯聚節(jié)點的軟件流程。經(jīng)過在某大學校園實地檢測，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠，滿足設(shè)計需求。

參考文獻

[1]黃強.基于Zigbee的校園照明監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].西南交通大學碩士學位論文，2014.

[2]O Green， E S Nadimi， V Blanes， et al. Monitoring and modeling temperature variations inside silage stacks using novel wireless sensor networks[J].Computers and Electronics in Agriculture，2009，69（1）：139-157.

[3]李貫峰，劉平.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計[J].節(jié)水灌溉，2013，（5）：54-57.

[4]CC2530芯片數(shù)據(jù)手冊[DB/OL].http：//www.ti.com.cn/product/cn/cc2530.

[5]賈志城，白建軍.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的圖書館智能照明系統(tǒng)設(shè)計[J].建筑設(shè)計管理，2014，（4）：76-79.endprint