宋昆

摘 要：针对建东学院经常出现的“教室无人灯常亮”以及“教室人少灯大亮”的严重浪费现象，提出一种基于Zigbee的无线智能灯光控制节能方案，即采用Zigbee功能板光敏传感器采集光照强度，并通过红外开关传感器记录教室人数，综合判断教室状态，利用继电器模块控制灯光亮灭。

关键词：Zigbee；节能；光敏传感器；红外开关

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.057

随着建东学院的不断发展，教室不断扩建，教室的用电负荷不断加大。我们发现学校教学楼的灯光管理存在这样的问题：有的教室在自习时间空无一人却开着“长明灯”，寥寥三五人却将整个教室的日光灯全部开启，造成巨大的浪费。目前对灯光的智能控制，国内外已经开始采用，但对教室灯光的控制，大部分仍然采用传统式的人工管理。针对这些问题，我们在Zigbee基础上提出了关于设计无线智能灯光控制系统方案。

1 关于Zigbee技术

所谓Zigbee技术就是一种双向无线网络通信技术，具有距离短、功耗低、复杂度低、数据速率低、成本低等特点。目前主要是用于工业之中，在工业自动化的无线数据传输模块中起到了相当重要的作用。由于在工业现场中使用，无线数据传输网络具有安装简单，使用方便，可靠性高，低成本等特点。每个ZigBee网络节点本身就可以作为感应终端，在感应终端上安装传感器来实现检测数据的无线传输，还可以成为协调器来接收并转发别的网络节点传过来的数据。除此之外，每一个Zigbee节点还可在其信号所及的范围内，和其他不需进行数据中转工作的单独网络节点进行无线对接。

目前Zigbee主要是在2.4GHz和868/915MHz频段上工作，其中2.4GHz频段为工业、医学和科学频段，可在全球范围通用。由Jennic、TI、Freescale等芯片公司相继推出的单片机系列芯片和无线收发芯片集成的片上系统（SOC）来支持硬件需求。这其中最为成熟的是芯片巨头TI公司设计的CC2430、CC2530集成片上系统，其应用也最为广泛。在软件方面的设计是要在硬件前提下完成的，诸如TI、AirBee、Ember、AirBee、Freescale等公司都提供了Zigbee协议栈，但目前技术最成熟使用最广泛的是TI设计的Z-Stack协议栈，在技术层面上实现了完全开源的解决方案。

2 本系统总设计方案

基于zigbee技术的教室灯光控制系统总体结构如图1所示，该系统由单片机控制、协调器节点和传感器节点三部分组成，整个系统呈现星型拓扑结构。其中传感器节点有光敏传感器，负责采集光照，将结果发送到协调器节点。而协调器节点是负责建立和维护整个监测网络，并通过串口将接收到的传感节点的光照信息的强弱反馈到单片机。两个红外开关传感器和单片机中断接口相连。当有人经过时，红外开关动作，触发断开。单片机再通过两个开关的先后感应顺序，判断来人的进出方向，从而记录教室人数，再综合光照信息控制继电器模块开关灯。

3 系统的硬件组成

本设计采用了由网蜂科技公司设计的Zigbee开发套件，由TI公司设计的CC2530作为本套件的主控芯片。除了拥有RF收发器外，CC2530还有众多优点，包括集成具有2/64/128/256kB可编程闪存及8kB的RAM的加强型8051单片机、ADC及看门狗等。CC2530使用低电压（2.0～3.6V）供电，其工作频段为2.4GHz，电流消耗较低，待机时仅为0.2μA，但灵敏度却高达-91dBm、能达到的最大输出为+0.6dBm、传送速率最大为250 kbps。所以要完成ZIGBEE通信功能，只需采用CC2530为主控芯片再添加少许的外围元件就可以达到。

本系统由单片机控制模块、协调器节点和传感器节点三部分组成，单元处理器、射频及电源模块三部分是Zigbee节点的基本功能，它是利用网蜂科技公司的CC2530核心板和功能底板组合而成。光照传感器采用光敏电阻。单片机控制模块接有一对红外开关传感器，LCD1602液晶显示屏以及八继电器模块。红外开关接在单片机的外部中断接口P3.2，P3.3。

4 系统软件设计

程序设计是基于TI公司设计的协议栈ZStack，本设计采用的是ZStack-CC2530-2.4.0版本。用户根据实际需要，在终端节点和协调器项目创建的同时在App用户应用层创建源文件程序的编写，由ZStack来完成其他功能。

系统的软件设计主要由单片机控制程序设计、传感器节点软件设计及协调器节点软件设计三部分组成。其中传感器节点的作用主要是完成光照强弱的采集和发送，网络的管理和维护由协调器节点负责，同时它也是传感器节点与单片机之间传输通信数据的媒介。单片机负责判断红外开关的状态，记录人员的进出并显示在液晶屏上，根据教室人数及光照强弱，分组控制继电器工作，从而控制教室开灯数量。

（1）传感器模块。传感器节点只与协调器之间通过点对点的模式来通信，所以在程序中需要设置点对点通信，传感器模块的CC2530通过光敏传感器来获取光照信息，然后调用发送函数用点播的将形式将光照信息发送给协调器。

（2）协调器模块。协调器和传感器控制模块之间采用广播形式。有无线信号接收时，调用处理信息函数，ClassAppCoorder_MessageMSGCB，提取光照强弱数据。

由于协调器与单片机利用串口通信，所以在CC2530模块中还需要有串口功能，将MT头文件添加在程序中，并在初始化程序中调用串口登记任务号。OSAL操作系统osal_start_timerEx定时运行事件，串口定时发送光强信息。

（3）单片机控制模块。工作时，两个红外检测开关安装在同一高度相距不远处。当有人通过时必先有一个红外开关触发中断，在中断处理中关闭所有中断，另一中断暂时不起作用。待一定时间后人员全部通过，全部中断重新再打开。人在不同的方向经过，引发中断不同，进而判断是该加计数还是减计数，将计数结果显示在液晶屏上。

参考文献：

[1]高守玮，吴灿阳.zigbee技术实践教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[2]王小强，欧阳骏，黄宁淋.zigbee无线传感器网络设计与实现[M].北京：化学工业出版社，2012.

[3]杨居义.单片机课程设计实例教程[M].北京：清华大学出版社，2010.