蔡彬彬，胡方伟，宫梓瑞

（江苏工程职业技术学院，南通 226007）

0 引言

高层建筑的大规模出现使得地下汽车库成为常见的配套建筑之一。地下汽车库面积较大、层高较低、基本不能自然采光，需要大量的长期照明设备。一般地下汽车库都需要全天不间断照明，耗电量多，且灯具数量也多，维修工作量大，灯具更换成本高。传统的照明控制方式单一，灯具的开关控制不够便捷。有的停车场在某些特定区域采用红外开关或声控开关来控制照明，但不够节能。[1]为节约照明成本，有些停车场会减少照明路数，但又会导致照度降低，影响监控效果，停车风险加大，管理难度增加。存在设计缺陷的照明系统会影响行车安全，误导行车方向且浪费能源，因此，地下汽车库的照明设计应考虑多方面因素。ZigBee技术是一种近距离、低成本、低功耗、低速率的无线通信技术，[2]可以满足小型设备的无线连接和控制，适用于监控、工业应用、家庭自动控制（智能家居）以及设备远程控制。针对目前地下汽车库能源浪费严重、灯具损坏率高等问题，结合地下汽车库的结构特点，本文设计了一种基于ZigBee无线网络技术的地下汽车库智慧照明系统。系统布线简单，成本低，易于拓展和集成，能对地下汽车库的灯光进行智能化管理与控制，起到良好的节能效果，且能有效延长灯具的使用寿命，同时便于管理维护。

1 地下汽车库智慧照明系统设计

图1为该车库智慧照明系统示意图，系统由人脸抓拍摄像机、车牌识别摄像机、管理用计算机和无线ZigBee网络构成。[3-4]人脸抓拍摄像机布置在人行出入口处，用来获取车主身份信息（取车），车牌识别摄像机布置在车行出入口，用来获取车辆（入库）的车牌信息。管理用计算机安装在车库控制室，运行智慧照明管理软件，负责照明节能优化控制管理和组网配置等任务。ZigBee网络包括照明控制终端节点、路由节点和协调器节点。协调器节点安装在车库控制室，通过USB方式连接管理计算机，负责ZigBee网络的建立及初始化，同时承担网桥功能（USB协议和ZigBee协议的转换）；路由节点负责在线添加照明控制终端节点，承担网络路由功能，照明控制终端节点安装在车库荧光灯附近，根据控制室管理计算机的指令控制车库荧光灯。系统详细布置见地下汽车库智慧照明平面图（图2）。

图1 智慧照明系统示意图

图2 地下车库智慧照明平面图

1.1 协调器节点组成

协调器节点包括微控制器单元、无线ZigBee单元、USB单元、存储单元和电源。微控制器采用低功耗PIC系列单片机，PIC单片机具有独特的RISC结构，使指令具有单字长的特性，且允许指令码的位数多于8位。无线ZigBee单元采用性价比较高的MRF24J40芯片。该芯片是一个针对ZigBee协议及专有无线协议的2.4 GHz IEEE 802.15.4收发器，适用于要求低功耗和卓越射频性能的射频应用。基于上述特点，采用PIC单片机和MRF24J40组成协调器节点无线发射部分，MRF24J40与PIC单片机通过串口进行连接。系统采用一主一备两种电源供电，[5]从控制中心取一路市电通过电源适配器进行供电，备用电源选用轻薄可充电聚合物锂电池，容量设计为3 000 mA·h～4 000 mA·h，系统支持休眠模式、长待机模式。USB单元使用PDIUSBD12芯片。协调器节点组成如图3所示。

图3 协调器节点组成图

1.2 ZigBee路由节点设计

图4为车库智慧照明路由节点组成图，包括微控制器单元、无线ZigBee单元、存储单元和电源。同协调器节点，微控制器和无线ZigBee单元采用PIC单片机和MRF24J40组成协调器节点无线发射部分，也采用一主一备两种电源供电，在安装路由节点的地方就近取一路市电通过电源适配器对路由节点设备供电，备用电源选用轻薄可充电聚合物锂电池，容量设计为3 000 mA·h～4 000 mA·h。由于该系统ZigBee网络中的路由节点不承担网关功能，故无须配置USB单元。

图4 路由节点组成图

1.3 照明控制终端节点设计

图5所示为照明控制终端节点组成图，包括微控制器单元、无线ZigBee单元、存储单元、地库荧光灯驱动电路单元和电源。每个协调器节点的微控制器和无线ZigBee单元均采用PIC单片机和MRF24J40组成协调器节点的无线发射部分。由于终端节点不承担组网、路由等功能，并且数据传输量较少，因此正常使用时功耗低，电源采用普通3.3 V纽扣电池即可。[6]

图5 照明控制终端节点组成图

荧光灯驱动电路单元包括继电器模块和三极管。单片机通过驱动继电器模块控制荧光灯的开和关，但单片机本身的输出口驱动能力较弱，能提供的电流最多为20 mA，也不能直接推动继电器工作，故需要加入三极管来驱动继电器工作。

2 ZigBee节点硬件设计

2.1 微控制器单元硬件设计

图6所示是PIC单片机与ZigBee芯片连接示意图，PIC单片机通过SPI总线和一些离散控制信号与MRF24J40相连接。控制器充当SPI主器件，MRF24J40充当从器件。控制器实现了IEEE 802.15.4 MAC层和ZigBee协议层，使用SPI总线与MRF24J40收发器交互，通过较少的连线即可实现无线通信功能。

图6 微控制器与ZigBee芯片连接示意图

2.2 USB通信单元设计

如图7所示，PDIUSBD12(以下简称D12)的数据线DATA0～DATA8直接和单片机的P0.0～P0.8相连接；ALE脚接地电位，采用单独的数据和地址总线进行配置，片选信号脚CS_N可接单片机的P2.0，A0脚可接P2.2，该端口控制D12的命令和数据状态的切换；读写控制信号WR_N和RD_N直接和单片机的读写管脚相连。考虑到当USB与主机断开连接时，两根数据线D+和D-都处于悬浮状态，若有噪声干扰，则D+和D-的状态可能发生变化，故此处给D+和D-分别加一个下拉电阻和上拉电阻，以稳定状态。D12采用软件连接（SoftConnect）技术，允许微控制器在向主机通知其存在之前首先完成初始化程序，即在地址为0Xf3的SetMode寄存器有1个位直接和D+USB的上拉电阻相关，当该位为1时表示上拉电阻使能，这样主机将会检测到有物件插入。

图7 微控制器与USB连接示意图

3 总结

本文基于无线ZigBee技术设计了一种地下汽车库智慧照明控制系统。该系统包括微控制器单元、无线ZigBee单元、USB通信单元、荧光灯驱动电路等主要单元，能实现对地下汽车库灯光的智能化管理与控制，从而延长灯具使用寿命，方便管理维护，起到良好的节能效果。