袁海朝 高宏宇 王青青

摘要：我國太陽傘僅僅是一個固定在地面或者指定位置的傘，并不能隨著太陽的照射角度來移動位置，完全靠人工移動位置來躲避太陽光的照射。如果太陽光很強(qiáng)，并且遮陽傘無法移動的話，強(qiáng)烈的太陽紫外線很容易把人的皮膚曬傷，并且有一系列不好的影響。這也是傳統(tǒng)太陽傘的弊端所在，功能少，不實用，所以綜合利用ZigBee技術(shù)復(fù)雜度低，功耗低、延時短、速率低、成本低的特點，設(shè)計一款智能的太陽傘為人們的生活提供了便利。

針對需要多個太陽傘的海邊、沙灘類似地區(qū)的太陽傘設(shè)計方案：在太陽傘的兩側(cè)安裝帶有光敏傳感器的終端節(jié)點，通過傳感器采集東西兩方向的光照度值，并將采集到的光照度發(fā)送到協(xié)調(diào)器端，協(xié)調(diào)器進(jìn)行接收并實時傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)實時監(jiān)控東西兩邊的光照強(qiáng)度，進(jìn)行光照度的比較和判斷并向電機(jī)發(fā)送相應(yīng)的指令，哪邊的光照度強(qiáng)就給電機(jī)發(fā)送往哪邊轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)整個智能太陽傘的設(shè)計。

針對路邊、咖啡館、校門口攤位需要單個太陽傘地區(qū)的設(shè)計方案：通過一個安裝有兩側(cè)的光敏傳感器的終端節(jié)點和電機(jī)設(shè)備的智能太陽傘，根據(jù)自身采集到的東西方向的光照值進(jìn)行電機(jī)運轉(zhuǎn)方向的判斷，進(jìn)而進(jìn)行單個太陽傘方向的調(diào)整。

關(guān)鍵詞：ZigBee；智能；光敏傳感器；終端節(jié)點；協(xié)調(diào)器

中圖分類號：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）20-0202-03

對太陽傘來說，不同行業(yè)的用戶對其要求也不盡相同。有的用戶是用于沙灘風(fēng)景區(qū)，有的用戶則是在學(xué)校門口擺攤賣水，還有的用戶則是在咖啡廳和西餐廳外面使用，方便顧客等待。但是不論哪一類的，它的作用都是遮防太陽光直接照射。當(dāng)太陽光的紫外線照射皮膚時，雖然有殺菌作用，但更多的是，對人類的皮表、毛發(fā)和生理環(huán)境等造成不可挽回的傷害。為了保護(hù)皮膚和眼睛，防止紫外線危害，買一把太陽傘是必不可少的。自從1890年以來，隨著大氣層的臭氧層被破壞。太陽光紫外線的輻射也就愈加厲害對人體的傷害則更強(qiáng)。所以太陽傘的作用對于人類有著不可替代的作用，無時無刻在奉獻(xiàn)著它們的作用。我們在海灘，路邊商販，街道隨處可以見到太陽傘的身影，它們在炎炎夏日發(fā)揮著巨大的作用。太陽傘為人們遮擋太陽帶來短暫的清涼，可是太陽傘是固定在地上或者某一個位置不動的，這往往就會帶來傳統(tǒng)太陽傘的局限性。所以說傳統(tǒng)太陽傘無法遮擋任何角度射來的陽光，人們不得不來回移動位置來躲避陽光。這樣極不方便也不省心。智能家居不斷創(chuàng)新于人類生活中各領(lǐng)域的應(yīng)用，比戶外智能來說，更多的我們會想到室內(nèi)智能家居的應(yīng)用。其實還有一種智能設(shè)備可以給我們帶來很大的幫助，那就是太陽傘。近些年，越來越多的科技公司在發(fā)展智能太陽傘。所以我們在想為什么不能發(fā)展智能太陽傘？可以根據(jù)陽光方向自動調(diào)整角度。在太陽傘的兩側(cè)放置光敏傳感器，通過傳感器搜集光敏值的訊息。將搜集到的訊息利用Zig Bee技術(shù)進(jìn)行無線實時發(fā)送。從而利用電機(jī)轉(zhuǎn)動傘體，從而達(dá)到遮擋陽光的作用，這樣就大大減少了對人體皮膚的傷害，提高太陽傘的銷量。

1項目服務(wù)及整體系統(tǒng)設(shè)計

1.1 ZigBee特征

1）低功率：在低功率待機(jī)模式，兩節(jié)普通的5號電池能夠支撐一個節(jié)點工作長達(dá)52年，可能會更持久，這就是ZigBee技術(shù)的突出優(yōu)勢。

2）低成本：經(jīng)過大規(guī)模精簡協(xié)議，對通訊控制器的條件進(jìn)行下調(diào)，分析預(yù)料，使用8051的微型控制器運算，實現(xiàn)主節(jié)點的全部功能只需要32KB，對于實現(xiàn)子功能節(jié)點起碼要4KB。而且每塊芯片的價格大約是$2。

3）低速率：ZigBee技術(shù)的工作在一個較低的速率：20250kbps的。封閉的國家俄羅斯供應(yīng)的250kbps的，40kbps的和起源數(shù)據(jù)吞吐量可達(dá)到20kbps，以適用于應(yīng)用需要的數(shù)據(jù)傳輸速率較低的情況。

4）附近的：傳輸范圍一般在10100m時，增大所述RF發(fā)送功率后，也可以提高到13公里，這里提到的是毗鄰節(jié)點的距離。要是中繼線路，并通過兩節(jié)點互相通信，傳輸?shù)木嚯x可以更長。

5）容量高：ZigBee可能是各種類型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有大量子主節(jié)點進(jìn)行管理其他節(jié)點，主節(jié)點的功能是能夠處理254個左右的子節(jié)點。不過在主節(jié)點上可對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行處理，更多的情況下能夠構(gòu)成一個由6.5萬節(jié)點的大型網(wǎng)絡(luò)。

6）延遲短：相對比，一個藍(lán)牙的延遲大大超過了ZigBee的延遲，需要310秒才能夠完成，可是無線網(wǎng)絡(luò)僅要3秒。

ZigBee同盟有望在以后的三到四年里，任何一個家庭可能會有達(dá)到50個各類型的ZigBee裝備，未來可能會實現(xiàn)任意一個家庭會到達(dá)150個左右的裝置，它的主要應(yīng)用范圍如下：

1）家庭范圍：智能家居包括智能電器，智能電燈，智能窗戶，智能樓道。

2）工業(yè)范圍：各種的監(jiān)視器，傳感器的制作與應(yīng)用。

3）經(jīng)營范圍：智能標(biāo)簽。

4）公共場所：煙霧探測器； 溫度，濕度檢測器。

5）農(nóng)業(yè)防治：收集各種土壤信息和氣候信息。

6）醫(yī)療：老年人和病人的緊急尋呼機(jī)和醫(yī)療傳感器的流動性。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計概述

我們設(shè)計的智能太陽傘就是可以通過光敏傳感器感知哪個角度的陽光更加強(qiáng)烈，傘就會轉(zhuǎn)動角度偏向陽光強(qiáng)烈的方向，從而合理的為人們遮住較強(qiáng)的紫外線，避免陽光過于強(qiáng)烈而曬傷皮膚，并且配備太陽能充電的功能，使系統(tǒng)更加節(jié)能環(huán)保。該系統(tǒng)主要采用ZigBee無線通信技術(shù)，通過兩側(cè)帶有光敏傳感器的終端節(jié)點進(jìn)行光照采集，協(xié)調(diào)器將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收并上傳到上位機(jī)實時監(jiān)控東西兩邊的光強(qiáng)數(shù)值。監(jiān)控界面實時顯示東西光照強(qiáng)度并進(jìn)行分析，遠(yuǎn)程控制太陽傘向光照強(qiáng)的一側(cè)轉(zhuǎn)動，云龍湖萬人浴場的游客也會得到更好的庇護(hù)。系統(tǒng)完成的主要任務(wù)是對傳統(tǒng)太陽傘進(jìn)行創(chuàng)新和改造，有效的為游客以及游泳愛好者遮擋陽光，避免不必要的人力損失。系統(tǒng)部署圖和整體流程圖如圖1和圖2所示：

1.3 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

系統(tǒng)由ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)和C#上位機(jī)實時顯示判斷并啟動步進(jìn)電機(jī)組成。我們設(shè)計通過放置在傘兩側(cè)的光敏傳感器實時監(jiān)測光源射進(jìn)采集數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器進(jìn)行接收并傳輸?shù)缴衔粰C(jī)并且實時監(jiān)控東西兩邊的光照強(qiáng)度，上位機(jī)分析、處理數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器發(fā)送啟動電機(jī)的指令，實現(xiàn)整個智能太陽傘的的設(shè)計。系統(tǒng)整體框圖如圖3所示：

2 系統(tǒng)下位機(jī)的功能實現(xiàn)

2.1 ZigBee無線芯片的選擇

CC2530是Chipon公司的第一款單芯片2.4GHz的無線電系統(tǒng)符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)。它具有CC2530無線芯片所特有的 RF收發(fā)器的高等功用組件以及行業(yè)準(zhǔn)則要求的增強(qiáng)級別的8051類型的微控制器，具有的效用的SoC低難度的發(fā)展空間， 同時也適用于zigBee 2.4GHz主頻以外的其他裝置。

2.2 ZigBee無線通信模塊設(shè)計

終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點是基于ZigBee無線通信模塊。這兩種類型的節(jié)點僅在功能上不同，類似的硬件結(jié)構(gòu)。在無線通信模塊中通過串行端口的壓力傳感器連接的終端節(jié)點，信號處理電路后收集的傳感器數(shù)據(jù)連接到針CC2530的硬件配置，CC2530經(jīng)由射頻天線發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點。

2.3 Stack協(xié)議棧

協(xié)議棧簡介：

Z-Stack 是Open式協(xié)議棧，此協(xié)議棧適用于 ZigBee 2006規(guī)則，此篇論文所寫的軟件代碼被保存在應(yīng)用層目次里，其主要實現(xiàn)的性能包括 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的建立、數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的傳輸以及數(shù)據(jù)的接收等模塊。

從適用于ZigBee協(xié)議原則的Z-Stack協(xié)議棧軟件生產(chǎn)工廠推出了TI的軟件平臺所使用的體系，協(xié)議棧經(jīng)過認(rèn)證的ZigBee同盟的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化平臺。本研究使用ZStack-CC2530-2.5.0堆棧版本，程序編譯調(diào)試環(huán)境選擇IAR EW8051-8.10.1軟件，ZStack配合，CC2530-2.5.0棧文件包含了整個的ZigBee2007 / PRO協(xié)議棧結(jié)構(gòu)，在本文中，網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計工作主要是協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的被修改，通過編譯調(diào)試設(shè)計和開發(fā)能力，以適應(yīng)各層次的節(jié)點的程序。

協(xié)議棧是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層的總和，在整個協(xié)議棧包括物理層，媒體訪問層，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的四個基本級別，ZigBee協(xié)議有許多協(xié)議層，每層中含有多種功能，用數(shù)據(jù)和管理兩種接口來為上層供給相匹配的服務(wù)。

2.4 光敏傳感器

全球市場上光敏傳感器的品種層出不窮，豐富多彩，它具有各種各樣的品種。光敏傳感器和二極管相比，光敏傳感器則擁有比較大的光電流擴(kuò)大效用，也就是具有很強(qiáng)的靈活性。光敏傳感器擁有了光敏電阻的特征，可以頂替光敏電阻實現(xiàn)作用，其優(yōu)點就是綠色保護(hù)環(huán)境、統(tǒng)一性好。光敏傳感器的選型智能太陽傘在策劃制作的過程中，我們選用的光敏傳感器型號是GL5516光敏傳感器。

2.5 光敏傳感器的信息采集

光敏傳感器的信息采集主要是通過協(xié)調(diào)器以廣播的形式進(jìn)行組網(wǎng)，終端以單播的形式加入網(wǎng)絡(luò)，向協(xié)調(diào)器發(fā)送光強(qiáng)數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器接收通過串口送給電腦。在電腦串口助手中打開。

2.6 單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)的選型

本次設(shè)計單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)的選擇大體上使用的是ULN2003步進(jìn)電機(jī)。配有步進(jìn)電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)接口。uln2003電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是達(dá)林頓管，擴(kuò)展了很多倍的級別較高的三極管，用戶所使用到的管控極也就是它的基礎(chǔ)極，因此僅需要0.7V便可以啟動了，啟動時還是要保證2V以上的電壓，以避免不穩(wěn)定運行。

2.7 系統(tǒng)電源的選擇

系統(tǒng)電源的選擇，我們首先考慮的是新能源的代表，太陽能進(jìn)行供電。因此我們選用硅太陽能板，硅太陽能電板分為單晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜太陽能電池板三種。單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于單晶硅成本價格高，單晶硅較為普及，各類電壓型號多，選擇多樣性，而且在陰天或弱光發(fā)電時效率較高，缺點是面積稍大了一點。但是光電轉(zhuǎn)換率大，即使20多把太陽傘設(shè)備的功率也不超過50W，因此缺點根本不會影響其在智能太陽傘技術(shù)中的應(yīng)用。

3 系統(tǒng)上位機(jī)的功能實現(xiàn)

3.1 VS2013 C#簡介

本次項目對于上位機(jī)的設(shè)計是基于VS2013 C#來制作的。該軟件是2013年發(fā)布的，功能十分強(qiáng)大。內(nèi)置asp.net，語言c#，c++，vb，可開發(fā)桌面應(yīng)用，手機(jī)應(yīng)用，網(wǎng)站應(yīng)用。應(yīng)用范圍特別廣泛，深受編程人士的喜愛。界面簡潔，操作簡單，運行平穩(wěn)。

3.2 程序系統(tǒng)燒錄

系統(tǒng)程序在硬件部分已經(jīng)燒錄進(jìn)去的情況下，可以進(jìn)入C#界面進(jìn)行調(diào)試。選擇合適的串口，點擊啟動，可以看到上位機(jī)界面實時顯示出了光照強(qiáng)度：西邊光強(qiáng)>東邊光強(qiáng)。并無異常情況，程序運行一切正常。

4 結(jié)論

項目目標(biāo)是為云龍湖的萬人浴場或其他需求地區(qū)，基于向日葵的追光系統(tǒng)建立一個實用高效、智能的太陽傘，主要由光敏傳感器采集到光敏信息值，然后通過zigbee射頻模塊發(fā)送，利用異步電機(jī)轉(zhuǎn)動傘體，從而實現(xiàn)根據(jù)陽光方向自動調(diào)整角度的目的。此處僅以云龍湖地域做相關(guān)概述。云龍湖是夏天游泳愛好者聚集的地方，但是岸上的太陽傘由于數(shù)量的原因難以支撐強(qiáng)大的人流量，從而致使部分游泳愛好者上岸休息時不能得到有利的庇護(hù)從而曬傷。通過此系統(tǒng)可以有效減少人力成本、避免太陽光對人類造成的傷害，使得用戶得到有效的庇護(hù)。

參考文獻(xiàn)：

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