王香云

(山西大學(xué)軟件工程學(xué)院，山西 太原 030013)

目前高校教室照明的節(jié)能管理一直是高校節(jié)能方面一個(gè)比較突出的問題，許多高校通過各種方式來節(jié)能省電。人工管理、節(jié)能教育，這些措施在一定程度上可以起到一定的效果，但總是有不盡人意的地方。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能綠色照明控制系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對教室環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控。

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主題是綠色照明的智能控制以及對教室實(shí)時(shí)環(huán)境的監(jiān)控。燈光的智能控制不僅保證了學(xué)生的綠色照明，而且以最小的投資獲得最大化節(jié)能效果，并且通過網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)對教室環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控。

1.2 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能系統(tǒng)就是利用各種現(xiàn)代化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的智能控制。相關(guān)的技術(shù)有傳感器數(shù)據(jù)采集技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等［1］。

本系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路如下:每個(gè)教室作為一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)本區(qū)域的數(shù)據(jù)采集，并對采集的數(shù)據(jù)利用本節(jié)點(diǎn)的處理器進(jìn)行分析處理，并控制外部設(shè)備。同時(shí)通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)將采集的信息傳到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口將信息送到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)進(jìn)行信息的顯示，并且提供WEB SERVER 功能，這樣就可以通過網(wǎng)頁的形式訪問網(wǎng)關(guān)服務(wù)器從而做到對整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括以下幾部分，終端節(jié)點(diǎn)也是本系統(tǒng)的智能節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器、網(wǎng)關(guān)。

2.1 智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和處理。針對不同的應(yīng)用，傳感器節(jié)點(diǎn)的具體設(shè)計(jì)也不同。大致包括數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸以及供電部分［2］。在本系統(tǒng)中，終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和分析處理控制外部設(shè)備。根據(jù)本系統(tǒng)要處理的數(shù)據(jù)量以及系統(tǒng)低成本、低功耗，并滿足無線傳輸信息的要求，控制芯片采用了CC2430。該芯片是一顆高效的8051 控制器和2.4G 直接序列擴(kuò)頻射頻收發(fā)器核心的結(jié)合。終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖所2 示。

圖2 智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)框圖

2.1.1 光電傳感器

光電傳感器是將待測量的信號(hào)變化通過光電元件轉(zhuǎn)變成電信號(hào)變化的一種裝置。本系統(tǒng)采用了微型封裝的光電二極管BPW34S，它具有高速高靈敏度的優(yōu)勢。通過TLV2370 將采集的光電信號(hào)放大，再通過控制其內(nèi)部精度為12 bits 的AD 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。每秒中設(shè)置采集數(shù)據(jù)10 次。電路如圖3 所示。

圖3 光強(qiáng)采集電路圖

2.1.2 溫濕度傳感器

室內(nèi)的溫濕度檢測采用了SHT10 溫濕度復(fù)合傳感器，該款數(shù)字式傳感器內(nèi)有能隙式測溫器件和電容式測濕元件，并且該傳感器采用了和串口電路以及14 位A/D 轉(zhuǎn)換器在同一芯片上無縫連接的技術(shù)。

2.1.3 紅外傳感器

本系統(tǒng)中對于人數(shù)的檢測采用了紅外傳感器INFCAO-15。當(dāng)人進(jìn)入傳感器的敏感區(qū)域時(shí)，發(fā)出的紅外線通過菲尼爾濾光片，這樣增強(qiáng)后的信號(hào)聚集到紅外感應(yīng)源上。采用熱釋電元件的紅外感應(yīng)源接收到紅外輻射溫度的變化就向外釋放電荷，然后產(chǎn)生人體存在的信號(hào)。為了檢測教室的人數(shù)，設(shè)置兩個(gè)紅外傳感器，利用中斷的先后次序來判斷進(jìn)出，從而統(tǒng)計(jì)教室內(nèi)的人數(shù)。

2.2 電源設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)供電有兩種方式:一種是通過電源轉(zhuǎn)接板把室內(nèi)用電220 VAC 變成5 VDC，另一種是通過鋰電池供電。采用側(cè)控船型的電源開關(guān)既可以為電池充電又可以為系統(tǒng)供電。傳感器部分有單獨(dú)的軟件斷電控制。

2.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的主要功能是負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)和配置，在本系統(tǒng)中，通過協(xié)調(diào)器把終端節(jié)點(diǎn)無線發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)也采用了CC2430 芯片。

2.4 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)收集、顯示全網(wǎng)的信息，并且通過內(nèi)嵌的WINCE 操作系統(tǒng)提供Web server 功能，這樣訪問網(wǎng)關(guān)的計(jì)算機(jī)可以通過網(wǎng)頁的形式監(jiān)控整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)［3］。嵌入式網(wǎng)關(guān)采用OURS-PXA270D 系統(tǒng)，處理器是Intel 公司的XScale PXA270，有64M 的SDRAM，32M 的FLASH。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 室內(nèi)的照明智能控制設(shè)計(jì)

照明軟件設(shè)計(jì)分手動(dòng)和自動(dòng)兩種情況，手動(dòng)優(yōu)先自動(dòng)。自動(dòng)控制采取光照強(qiáng)度控制優(yōu)先的策略，即只有當(dāng)光照強(qiáng)度不滿足國標(biāo)要求時(shí)，才根據(jù)強(qiáng)度和人數(shù)兩個(gè)參數(shù)來集中控制需開啟或關(guān)閉的燈數(shù)。對健康照度值設(shè)定一個(gè)范圍，當(dāng)需要開啟燈時(shí)，將采集參數(shù)和下限閾值比較，當(dāng)需要關(guān)閉燈時(shí)，將參數(shù)和上限閾值進(jìn)行比較，避免出現(xiàn)燈的頻繁開啟，而造成對燈的損壞，對燈光的開啟采用軟件控制。

該子系統(tǒng)編譯和調(diào)試環(huán)境采用IAR Embedded Workbench 軟件，程序設(shè)計(jì)語言采用C 語言。對于數(shù)據(jù)的采集程序不僅要參考官方例程，更要仔細(xì)閱讀傳感器的使用手冊，比如時(shí)序嚴(yán)格匹配的問題、數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換的問題。

3.2 通信程序設(shè)計(jì)

無線通訊的設(shè)計(jì)是基于zigbee 技術(shù)建立的無線網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)無線通訊程序的編寫設(shè)置是在IAR Embedded Workbench 平臺(tái)下對z-stack 在系統(tǒng)中提供的子模塊程序進(jìn)行修改和編寫完成的，在本系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用了星形網(wǎng)，如星形網(wǎng)的設(shè)置是通過z-stack 一系列的子目錄中找見SimpleApp.eww 工程，然后打開終端節(jié)點(diǎn)在NWK 文件夾中找到nwk_globals.h 設(shè)置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)組號(hào)和節(jié)點(diǎn)號(hào)的設(shè)置在ZDO 文件夾的SimpleApp.h 文件中。

協(xié)調(diào)器是無線網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)設(shè)備，分配網(wǎng)絡(luò)地址，定時(shí)的將終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)關(guān)［4］，協(xié)調(diào)器向終端傳送指令采用廣播通信的方式，終端向協(xié)調(diào)器傳送采集數(shù)據(jù)采用點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式［5］。終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集處理數(shù)據(jù)，流程圖如圖4 所示，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)流程圖如圖5 所示。

圖4 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)流程圖

圖5 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)流程圖

協(xié)調(diào)器和網(wǎng)關(guān)的通訊是通過串口進(jìn)行通訊的，通信中的數(shù)據(jù)包大致包括以下內(nèi)容，包頭信息、網(wǎng)絡(luò)組號(hào)、節(jié)點(diǎn)地址、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)類型、傳感器類型、數(shù)據(jù)、MAC 地址、蜂鳴器、包尾。網(wǎng)關(guān)開發(fā)在PC 機(jī)上的開發(fā)環(huán)境是VS 2005，網(wǎng)關(guān)的操作系統(tǒng)是WINCE6.0。

4 實(shí)驗(yàn)仿真

把程序下載到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)板上，圖6 中的左半部分是在網(wǎng)關(guān)目標(biāo)板上對每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的參數(shù)采集圖示，右半部分是在PC 機(jī)上通過在瀏覽器的地址欄中輸入網(wǎng)關(guān)的IP 地址得到的界面，這里要注意，PC 機(jī)和網(wǎng)關(guān)都必須在同一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)。

圖6 仿真結(jié)果圖

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于多傳感器和Zigbee 技術(shù)的教室節(jié)能控制系統(tǒng)，并通過網(wǎng)頁的形式對教室的參數(shù)進(jìn)行了監(jiān)控。該設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)簡單，性價(jià)比高，不僅通過采集參數(shù)能自動(dòng)的控制照明系統(tǒng)，而且為學(xué)生上自習(xí)了解每個(gè)教室的人數(shù)等情況提供了一個(gè)途徑，具有很好的實(shí)際意義。

［1］郭昱明.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居照明系統(tǒng)［J］.電子世界，2014(16):9.

［2］彭剛彬.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的光伏照明故障監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.山西電子技術(shù)，2014(4):65－66.

［3］唐美化.基于城市照明的物聯(lián)網(wǎng)綜合解決方案［J］.移動(dòng)通信，2014(21):43－44.

［4］劉謀黎.基于物聯(lián)網(wǎng)的高校教室照明節(jié)能方案研究［J］.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2014(12):77－78.

［5］Zhang Hui－ying.Design ofIntelligent Monitoring System in Greenhouse Based on IOT［J］.Hubei Agricultural-Sciences，2014(14):3404.