朱曉君，申 昊，李沛熹，馮廣宇，李 權(quán)

（1.江西理工大學(xué) 軟件工程學(xué)院，江西 南昌 330013；2.江西理工大學(xué) 能源與機(jī)械工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

0 引 言

2016年，國務(wù)院印發(fā)了《全民健身計劃（2016—2020年）》[1]，該計劃明確提出以下三點(diǎn)：第一，統(tǒng)籌建設(shè)全民健身場地，方便群眾就近就便健身；第二，將青少年作為實(shí)施全民健身計劃重點(diǎn)人群，大力普及青少年體育活動；第三，強(qiáng)化全民健身科技創(chuàng)新，推進(jìn)全民健身場地設(shè)施創(chuàng)新，促進(jìn)全民建設(shè)場地設(shè)施升級換代?！?018中國籃球產(chǎn)業(yè)白皮書》[2]則指出：第一，在中國體育產(chǎn)業(yè)中籃球已成為第一運(yùn)動，籃球愛好者主要為35歲以下年輕人；第二，中國籃球場地數(shù)量已接近60萬個，73.6%受訪者主要在室外打籃球，而常在室內(nèi)打球者僅為11.5%?；@球作為我國最流行的體育運(yùn)動之一，深受年輕人喜愛并對刺激體育相關(guān)消費(fèi)貢獻(xiàn)突出。當(dāng)前我國室內(nèi)籃球場場地固定、數(shù)量較少且需要付費(fèi)，因此位置便利、數(shù)量眾多且免費(fèi)使用的室外籃球場便成為大多數(shù)籃球愛好者的主要運(yùn)動場所。對于大多數(shù)年輕人而言，只有在放學(xué)或下班之后才有空開展籃球運(yùn)動。然而，在夜幕降臨之后，大多數(shù)室外籃球場因?yàn)槿狈φ彰飨到y(tǒng)而無法進(jìn)行籃球訓(xùn)練或比賽，而對于安裝有球場燈光的室外籃球場往往因?yàn)槿狈ｉT管理人員而導(dǎo)致大多數(shù)晚上不會啟用照明系統(tǒng)。因此，設(shè)計一種“有人打球時自動開燈、無人打球時自動關(guān)燈”的室外籃球場智能照明控制系統(tǒng)對于推進(jìn)全民健身國家戰(zhàn)略、提升青少年身體素質(zhì)、構(gòu)建籃球運(yùn)動氛圍、促進(jìn)體育產(chǎn)業(yè)消費(fèi)等具有重要作用。

本設(shè)計采用的室外籃球場照明布燈的方案為6套分別立在場地兩側(cè)的LED燈[3]，如圖1所示。其中，1，2號燈和籃板1對應(yīng)左半球場；5，6號燈和籃板2分布在右半球場；3，4號燈則立在球場兩側(cè)的中間位置。筆者擬設(shè)計一套基于ZigBee的室外籃球場智能照明控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將光照傳感節(jié)點(diǎn)（根據(jù)外界光照度決定是否需要開啟照明）、壓力傳感節(jié)點(diǎn)（根據(jù)籃板上是否有籃球撞擊決定是否開啟照明）和濕度傳感節(jié)點(diǎn)（根據(jù)空氣濕度判斷是否為晴天以決定是否開啟照明，同時也能避免較大雨滴對籃板產(chǎn)生壓力干擾）嵌入籃板背面采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過ZigBee無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式采集至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器基于預(yù)設(shè)規(guī)則處理數(shù)據(jù)并輸出控制信號至照明開關(guān)，照明開關(guān)做出對應(yīng)打開或關(guān)閉燈光的動作，最終實(shí)現(xiàn)對球場照明系統(tǒng)的智能控制。

圖1 室外籃球場布燈圖

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

如圖2所示，室外籃球場智能照明控制系統(tǒng)由終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器、照明開關(guān)、上位機(jī)和電源等組成。終端節(jié)點(diǎn)內(nèi)嵌于籃板，并根據(jù)球場的兩個籃板進(jìn)行編號，分別為光照節(jié)點(diǎn)1，2，壓力節(jié)點(diǎn)1，2和濕度節(jié)點(diǎn)1，2。終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器通過ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，協(xié)調(diào)器輸出控制信號至照明開關(guān)，協(xié)調(diào)器與上位機(jī)通過串口通信?？刂葡到y(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）內(nèi)嵌于籃板的光照節(jié)點(diǎn)、濕度節(jié)點(diǎn)和壓力節(jié)點(diǎn)分別用于感應(yīng)當(dāng)前外界光照度、空氣濕度以及籃板所受壓力，并將上述采集數(shù)據(jù)輸出至協(xié)調(diào)器；

（2）協(xié)調(diào)器根據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，依據(jù)處理結(jié)果輸出控制信號至照明開關(guān)，控制球場為無照明、半場照明或全場照明狀態(tài)；

（3）協(xié)調(diào)器將相關(guān)數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至上位機(jī)；

（4）上位機(jī)查看相關(guān)數(shù)據(jù)，或向協(xié)調(diào)器發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

圖2 室外籃球場智能照明控制系統(tǒng)的整體設(shè)計

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括傳感器模塊、無線通信模塊、照明開關(guān)模塊、上位機(jī)和電源模塊。

2.1 傳感器模塊

傳感器模塊包括光照傳感器、壓力傳感器和濕度傳感器。

BH1750是一款數(shù)字型光照度傳感器集成芯片，由光敏二極管、運(yùn)算放大器、ADC采集、晶振等組成。光敏二極管通過光生伏特效應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)運(yùn)算放大器放大后，由ADC和數(shù)字邏輯電路將采集的電壓轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。BH1750提供I2C總線接口與單片機(jī)通信[4]，如圖3所示，BH1750通過SCL、SDA兩個端口與CC2530的GPIO口連接。

圖3 BH1750電路連接圖

FSR402是一款電阻式力敏傳感器，傳感器感應(yīng)面積的直徑為12.7 mm，使用壽命大于100萬次擠壓。如圖4所示，該傳感器的工作原理是將施加在力敏傳感器薄膜區(qū)域的壓力變換為電阻值，壓力與電阻成反比，根據(jù)電阻值的大小獲取壓力信息[5]。該傳感器具備測量精度高、重量輕體積小、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

DHT11是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的數(shù)字溫濕度傳感器，包括一個電阻式感濕元件和一個負(fù)溫度系數(shù)測溫元件[6]。專用的溫濕度傳感技術(shù)和數(shù)字模塊采集技術(shù)保證該傳感器具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。體積小、功耗低、傳輸距離長（可達(dá)20 m以上），使DHT11成為各類應(yīng)用場合的最佳選擇。DHT11電路連接如圖5所示。

圖4 FSR402電路連接圖

圖5 DHT11電路連接圖

2.2 無線通信模塊

本設(shè)計采用的無線通信網(wǎng)絡(luò)為ZigBee網(wǎng)絡(luò)。ZigBee具有小功耗、低成本、慢速率、自配置和靈活化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等特征，并被廣泛應(yīng)用于智能家居、智慧城市、工業(yè)控制等智能化自動化領(lǐng)域[7]。無線通信模塊采用支持Z-Stack協(xié)議棧的CC2530芯片來實(shí)現(xiàn)。CC2530是TI公司經(jīng)過ZigBee認(rèn)證的網(wǎng)絡(luò)處理器，支持IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)/ZigBee/ ZigBee RF4CE。CC2530結(jié)合了8051微處理器、RF收發(fā)器、8 KB RAM以及其他強(qiáng)大的外設(shè)與支持功能。另外，該芯片還具有3種電源管理模式：中斷模式、睡眠模式和喚醒模式，3種模式相互切換，從而大幅降低功耗[8]。

2.3 照明開關(guān)模塊

照明開關(guān)模塊根據(jù)協(xié)調(diào)器發(fā)出的控制信號來控制籃球場照明燈光的開關(guān)狀態(tài)。照明開關(guān)模塊主要包括光耦合器和繼電器，光耦合器與繼電器相連[9]。光耦合器從輸入端到輸出端實(shí)現(xiàn)了“電—光—電”的轉(zhuǎn)換，抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了單向傳輸信號。繼電器是具有隔離功能的自動開關(guān)元件，具有控制、保護(hù)、調(diào)節(jié)和傳遞信息的作用。協(xié)調(diào)器通過光耦合器向繼電器發(fā)出控制信號，從而控制照明燈光的開關(guān)狀態(tài)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要包括終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計和協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計。

3.1 終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計

ZigBee網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器確定個域網(wǎng)ID、無線射頻通信信道和收發(fā)地址等參數(shù)后發(fā)起創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)請求加入并被判斷基本參數(shù)是否與協(xié)調(diào)器一致，一致則成功地加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。如圖6所示，終端節(jié)點(diǎn)的程序流程為：終端節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行系統(tǒng)初始化后請求加入ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)；加入成功后，啟動定時器，等待定時器時間到達(dá)后，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至協(xié)調(diào)器。

3.2 協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計

室外籃球場的布燈方案為6套LED燈分布在球場的兩側(cè)。1，2號，3，4號和5，6號照明燈分別分布在左半球場、中間球場和右半球場。左半場被使用時，1，2號照明燈亮，其余燈光滅；右半場被使用時，5，6號照明燈亮，1～4號燈光滅；全場被使用時，1～6號照明燈全亮。如圖7所示，籃球場全場燈光控制單元實(shí)時地讀取半場亮燈情況，并對此做出相應(yīng)操作。當(dāng)1，2號，5，6號燈同時啟用時，3，4號燈自動開啟；否則，3，4號燈一直處于關(guān)閉狀態(tài)。其中，半場燈光控制程序的具體流程如圖8所示。

圖6 終端節(jié)點(diǎn)程序流程

圖7 籃球場全場燈光控制程序流程

籃球場半場燈光控制程序流程為：協(xié)調(diào)器創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，等待并接收終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)；終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)后，協(xié)調(diào)器接收終端節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)；判斷上述數(shù)據(jù)是否滿足開燈條件，若滿足則打開節(jié)點(diǎn)對應(yīng)燈并且持續(xù)亮燈15 min，否則判斷節(jié)點(diǎn)對應(yīng)燈是否已持續(xù)亮燈15 min，若是，執(zhí)行關(guān)閉燈操作。其中，終端節(jié)點(diǎn)由終端節(jié)點(diǎn)1和2組成，節(jié)點(diǎn)1（包括光照節(jié)點(diǎn)1、壓力節(jié)點(diǎn)1和濕度節(jié)點(diǎn)1）對應(yīng)1，2號燈，節(jié)點(diǎn)2（包括光照節(jié)點(diǎn)2、壓力節(jié)點(diǎn)2和濕度節(jié)點(diǎn)2）對應(yīng)5，6號燈。開燈條件是指球場附近的光線不足且有人在打球?qū)@板有一定撞擊壓力且籃板較為干燥，具體為傳感器采集到光照度、濕度低于閾值，并且壓力大于一定數(shù)值。

圖8 籃球場半場燈光控制程序流程

4 結(jié) 語

夜幕降臨后，照明問題是室外籃球場的一大痛點(diǎn)，無燈會嚴(yán)重影響籃球運(yùn)動的開展，即使有燈往往因?yàn)槿狈芾砣藛T而不會經(jīng)常開啟使用。針對上述問題，本文設(shè)計一套基于ZigBee的室外籃球場智能照明控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采集當(dāng)前外界光照度、空氣濕度和籃板所受壓力并將其輸出至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器根據(jù)設(shè)定規(guī)則對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，依據(jù)處理結(jié)果輸出控制信號至照明開關(guān)，控制球場實(shí)現(xiàn)無照明、半場照明和全場照明三種照明狀態(tài)，從而在晴天夜晚做到“有人打球時自動亮燈、無人打球時自動關(guān)燈”的室外球場燈光智能控制，并能改善城市公共運(yùn)動設(shè)施條件，提高群眾體育運(yùn)動參與度，促進(jìn)青少年“五育一體”全面發(fā)展。