蔡彬彬，胡方偉，宮梓瑞

（江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南通 226007）

0 引言

高層建筑的大規(guī)模出現(xiàn)使得地下汽車庫成為常見的配套建筑之一。地下汽車庫面積較大、層高較低、基本不能自然采光，需要大量的長期照明設(shè)備。一般地下汽車庫都需要全天不間斷照明，耗電量多，且燈具數(shù)量也多，維修工作量大，燈具更換成本高。傳統(tǒng)的照明控制方式單一，燈具的開關(guān)控制不夠便捷。有的停車場在某些特定區(qū)域采用紅外開關(guān)或聲控開關(guān)來控制照明，但不夠節(jié)能。[1]為節(jié)約照明成本，有些停車場會(huì)減少照明路數(shù)，但又會(huì)導(dǎo)致照度降低，影響監(jiān)控效果，停車風(fēng)險(xiǎn)加大，管理難度增加。存在設(shè)計(jì)缺陷的照明系統(tǒng)會(huì)影響行車安全，誤導(dǎo)行車方向且浪費(fèi)能源，因此，地下汽車庫的照明設(shè)計(jì)應(yīng)考慮多方面因素。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低成本、低功耗、低速率的無線通信技術(shù)，[2]可以滿足小型設(shè)備的無線連接和控制，適用于監(jiān)控、工業(yè)應(yīng)用、家庭自動(dòng)控制（智能家居）以及設(shè)備遠(yuǎn)程控制。針對目前地下汽車庫能源浪費(fèi)嚴(yán)重、燈具損壞率高等問題，結(jié)合地下汽車庫的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的地下汽車庫智慧照明系統(tǒng)。系統(tǒng)布線簡單，成本低，易于拓展和集成，能對地下汽車庫的燈光進(jìn)行智能化管理與控制，起到良好的節(jié)能效果，且能有效延長燈具的使用壽命，同時(shí)便于管理維護(hù)。

1 地下汽車庫智慧照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1為該車庫智慧照明系統(tǒng)示意圖，系統(tǒng)由人臉抓拍攝像機(jī)、車牌識別攝像機(jī)、管理用計(jì)算機(jī)和無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。[3-4]人臉抓拍攝像機(jī)布置在人行出入口處，用來獲取車主身份信息（取車），車牌識別攝像機(jī)布置在車行出入口，用來獲取車輛（入庫）的車牌信息。管理用計(jì)算機(jī)安裝在車庫控制室，運(yùn)行智慧照明管理軟件，負(fù)責(zé)照明節(jié)能優(yōu)化控制管理和組網(wǎng)配置等任務(wù)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)包括照明控制終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)安裝在車庫控制室，通過USB方式連接管理計(jì)算機(jī)，負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立及初始化，同時(shí)承擔(dān)網(wǎng)橋功能（USB協(xié)議和ZigBee協(xié)議的轉(zhuǎn)換）；路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)在線添加照明控制終端節(jié)點(diǎn)，承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)路由功能，照明控制終端節(jié)點(diǎn)安裝在車庫熒光燈附近，根據(jù)控制室管理計(jì)算機(jī)的指令控制車庫熒光燈。系統(tǒng)詳細(xì)布置見地下汽車庫智慧照明平面圖（圖2）。

圖1 智慧照明系統(tǒng)示意圖

圖2 地下車庫智慧照明平面圖

1.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)包括微控制器單元、無線ZigBee單元、USB單元、存儲單元和電源。微控制器采用低功耗PIC系列單片機(jī)，PIC單片機(jī)具有獨(dú)特的RISC結(jié)構(gòu)，使指令具有單字長的特性，且允許指令碼的位數(shù)多于8位。無線ZigBee單元采用性價(jià)比較高的MRF24J40芯片。該芯片是一個(gè)針對ZigBee協(xié)議及專有無線協(xié)議的2.4 GHz IEEE 802.15.4收發(fā)器，適用于要求低功耗和卓越射頻性能的射頻應(yīng)用。基于上述特點(diǎn)，采用PIC單片機(jī)和MRF24J40組成協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)無線發(fā)射部分，MRF24J40與PIC單片機(jī)通過串口進(jìn)行連接。系統(tǒng)采用一主一備兩種電源供電，[5]從控制中心取一路市電通過電源適配器進(jìn)行供電，備用電源選用輕薄可充電聚合物鋰電池，容量設(shè)計(jì)為3 000 mA·h～4 000 mA·h，系統(tǒng)支持休眠模式、長待機(jī)模式。USB單元使用PDIUSBD12芯片。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成如圖3所示。

圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成圖

1.2 ZigBee路由節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

圖4為車庫智慧照明路由節(jié)點(diǎn)組成圖，包括微控制器單元、無線ZigBee單元、存儲單元和電源。同協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，微控制器和無線ZigBee單元采用PIC單片機(jī)和MRF24J40組成協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)無線發(fā)射部分，也采用一主一備兩種電源供電，在安裝路由節(jié)點(diǎn)的地方就近取一路市電通過電源適配器對路由節(jié)點(diǎn)設(shè)備供電，備用電源選用輕薄可充電聚合物鋰電池，容量設(shè)計(jì)為3 000 mA·h～4 000 mA·h。由于該系統(tǒng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)不承擔(dān)網(wǎng)關(guān)功能，故無須配置USB單元。

圖4 路由節(jié)點(diǎn)組成圖

1.3 照明控制終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

圖5所示為照明控制終端節(jié)點(diǎn)組成圖，包括微控制器單元、無線ZigBee單元、存儲單元、地庫熒光燈驅(qū)動(dòng)電路單元和電源。每個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的微控制器和無線ZigBee單元均采用PIC單片機(jī)和MRF24J40組成協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的無線發(fā)射部分。由于終端節(jié)點(diǎn)不承擔(dān)組網(wǎng)、路由等功能，并且數(shù)據(jù)傳輸量較少，因此正常使用時(shí)功耗低，電源采用普通3.3 V紐扣電池即可。[6]

圖5 照明控制終端節(jié)點(diǎn)組成圖

熒光燈驅(qū)動(dòng)電路單元包括繼電器模塊和三極管。單片機(jī)通過驅(qū)動(dòng)繼電器模塊控制熒光燈的開和關(guān)，但單片機(jī)本身的輸出口驅(qū)動(dòng)能力較弱，能提供的電流最多為20 mA，也不能直接推動(dòng)繼電器工作，故需要加入三極管來驅(qū)動(dòng)繼電器工作。

2 ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

2.1 微控制器單元硬件設(shè)計(jì)

圖6所示是PIC單片機(jī)與ZigBee芯片連接示意圖，PIC單片機(jī)通過SPI總線和一些離散控制信號與MRF24J40相連接?？刂破鞒洚?dāng)SPI主器件，MRF24J40充當(dāng)從器件?？刂破鲗?shí)現(xiàn)了IEEE 802.15.4 MAC層和ZigBee協(xié)議層，使用SPI總線與MRF24J40收發(fā)器交互，通過較少的連線即可實(shí)現(xiàn)無線通信功能。

圖6 微控制器與ZigBee芯片連接示意圖

2.2 USB通信單元設(shè)計(jì)

如圖7所示，PDIUSBD12(以下簡稱D12)的數(shù)據(jù)線DATA0～DATA8直接和單片機(jī)的P0.0～P0.8相連接；ALE腳接地電位，采用單獨(dú)的數(shù)據(jù)和地址總線進(jìn)行配置，片選信號腳CS_N可接單片機(jī)的P2.0，A0腳可接P2.2，該端口控制D12的命令和數(shù)據(jù)狀態(tài)的切換；讀寫控制信號WR_N和RD_N直接和單片機(jī)的讀寫管腳相連。考慮到當(dāng)USB與主機(jī)斷開連接時(shí)，兩根數(shù)據(jù)線D+和D-都處于懸浮狀態(tài)，若有噪聲干擾，則D+和D-的狀態(tài)可能發(fā)生變化，故此處給D+和D-分別加一個(gè)下拉電阻和上拉電阻，以穩(wěn)定狀態(tài)。D12采用軟件連接（SoftConnect）技術(shù)，允許微控制器在向主機(jī)通知其存在之前首先完成初始化程序，即在地址為0Xf3的SetMode寄存器有1個(gè)位直接和D+USB的上拉電阻相關(guān)，當(dāng)該位為1時(shí)表示上拉電阻使能，這樣主機(jī)將會(huì)檢測到有物件插入。

圖7 微控制器與USB連接示意圖

3 總結(jié)

本文基于無線ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)了一種地下汽車庫智慧照明控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括微控制器單元、無線ZigBee單元、USB通信單元、熒光燈驅(qū)動(dòng)電路等主要單元，能實(shí)現(xiàn)對地下汽車庫燈光的智能化管理與控制，從而延長燈具使用壽命，方便管理維護(hù)，起到良好的節(jié)能效果。