教室照明灯智能控制系统研究
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一、ZigBee与其他无线传输技术比较优势
随着无线技术的日益发展，无线传感器网络(wirelesssensornetwork,WSN)[4]已经成为重要的研究领域，无线传输技术应用越来越被各行各业所接受；国际上开展了大量的研究工作，取得了丰富的研究成果，其中短距离无线通信技术各具特色，无线通信短距离传输技术比较成熟完善、普遍接受的有Bluetooth、Wi-Fi、Infra-redData(IrDA)和ZigBee等。
1.BluetoothBluetooth是一种短距离无线通信技术，传输距离为10米之内，可以用在移动电话、无线耳机、PDA以及电脑等多种设备之间的无线信息之间的交换[5]。BluetoothTechnology技术的特点主要表现在三个方面：一是全球可免费使用，规格相同。BluetoothTechnology使用的2.4GHz的波段运行，频道采用23-79个频道间隔为1MHz的时分双工方式；使用BluetoothTechnology不需要支付任何费用，只需要向手机供应商注册使用的CDMA或GSM。二是BluetoothTechnology是低功耗、低成本及小体积的无线传输设备，可以应用到极微小的设备中。三是BluetoothTechnology易于安装和使用。BluetoothTechnology是一项即时技术，不要求固定设施，可以随身携带个人局域网，也可以连接其他网络。四是蓝牙设备组网灵活，提供点对点和点对多点的无线连接基于TDMA原理组网，它的数据速率可达到1Mbps。五是BluetoothTechnology系统具有很高的抗干扰能力。由于BluetoothTechnology采用跳频速率为1600跳/秒，使得蓝牙系统具有很高的抗干扰能力。
2.Wi-FiWi-Fi(Wireless-Fidelity)是一个高频无线电信号，具有无线保真技术的功能，可以将个人电脑、手机、PAD等终端以无线方式互相连接，其目的改善基于IEEE802.11标准的无线网路产品之间的互通性[6]。Wi-Fi的主要功能是使用IEEE802.11b或802.11a无线电技术提供安全、可靠、快速的无线连通性。Wi-Fi网络数据速率可达11Mbps-300Mbps，信号发射功率低于100mw，低于手机发射功率，信号传输范围100m。Wi-Fi最主要优势：不受有线线路的制约，使用范围广泛。厂商只要在公共场所人员比较密集的场所设置“热点”就可以，用户只要把支持无线保真的电脑、PDA、手机等带到“热点”区域，即可上网。Wi-Fi的弊端：Wi-Fi无线电波易受干扰，资料包被截取的可能性高。
3.Infra-redData(IrDA)IrDA是1993年由红外数据协会(Infra-redDataAssociation,IrDA)[7]研究的利用红外线进行点与点通信的短距离的无线传输技术，属于无线局域网传输方式之一。IrDA使用也不受国家无线管理委员会的限制，其硬件和软件技术比较成熟。现在的红外数据传输技术为IRDA1.0，简称SIR(SerialInfrared)[8]，它是基于HP-SIR开发出来的一种异步的、半双工的红外通信方式，它同其它无线传输技术一样省去了线路连接，主要用于手提电脑、无线遥控器、无线游戏终端、移动电话、计算器、无线工业仪表、无线数码播放器以及打印机之类的办公设备等等。Infra-redData技术的主要优势有三个方面：一是利用Infra-redData传输不需要申请特定频率使用执照。二是体积小、功率低、耗电量低。三是红外数据传输所受干扰较少，适合于家庭和办公室使用，传输速率较高，速率可以达到16mb/s。Infra-redData传输弊端：传输距离很短，传输的线路必须为直线，中间不能有阻挡物。
4.ZigBee,Bluetooth,Wi-Fi,IrDA无线传输技术性能比较综上分析可知，无论是ZigBee、Bluethooth、Wi-Fi以及IrDA技术，它们都具有各自的特点，适用在不同的应用场合，它们之间存在着相互竞争、相互补充的关系，谁也不能完全替代另外一种。为了更加直观的表述和比较短距离无线通信技术的性能，作者整理了蓝牙、Wi-Fi、IrDA和ZigBee四种无线传输技术性能，见表1所示。表1显示，Bluetooth的工作频段最小(820nm)，其次是IrDA(980nm)。ZigBee传输速率高于Bluetooth和IrDA两种短距离传输速率，次于Wi-Fi的传输速率。ZigBee的通信距离最长(10m-300m)，IrDA通信距离最短(0.2m-10m)。功率消耗最小的是IrDA(低于10mW)，其次是ZigBee(最大功率消耗30mW)。连接设备数ZigBee最多，节点数目可以高达65536个，IrDA连接设备数只有2个，即点与点对接。设备安装成本IrDA最小，安装成本低于5$；其次是ZigBee的安装成本低于10$；Wi-Fi的安装成本最高，要求较高的安装成本可达600$。ZigBee、Wi-Fi和IrDA三种短距离无线局域网都属于数据传输类型，Bluetooth技术传输属于语音型。综上分析可知，ZigBee无线传输技术在传输速率、通信距离和连接设备数量上占据绝对优势，功率耗能和使用成本低于蓝牙和Wi-Fi设备，是建立学校教室和自习室照明灯节能智能控制系统理想的设备。
二、基于ZigBee无线传输技术建立教室照明节能智能控制系统
从表1可以看到，ZigBee无线传输技术具有低功耗、低成本、网络容量大、适宜安装使用场合的特性，建立学校教室照明灯智能控制系统，实施节能型校园是可行的。
（一）ZigBee无线传输教室照明节能智能控制系统设计ZigBee标准基于IEEE802.15.4协议而建立，具备了强大的设备联网功能。它支持三种主要的自组织无线网络类型：星型结构、网状结构和树状结构[9]。ZigBee网状结构，具有很强的网络健壮性和系统可靠性。ZigBee簇状结构则综合了以上两种网络类型的特点，这种组网通常会使Zigbee网络更加灵活、高效、可靠。而学校教室和自习室的照明灯设备的节能智能控制系统只能建立在ZigBee星型结构基础上。基于ZigBee设备多节点和星状结构连接技术，设想在每栋教学楼安装一台电脑控制中心，控制中心安装有协调器作为网络的指挥中枢，每层楼设定几个路由器作为数据的转发站，每个教室作为一个终端节点，ZigBee模块从协调器自动获得16位的地址信息，自行初始化并加入网络成为网络中的成员。见图1所示。
（二）ZigBee无线网络传输教室照明智能控制系统硬件设计实现教室照明节能智能控制可以从两个方面考虑：一是在不影响正常使用的前提下减少教室灯具的损耗；二是降低节能系统本身的功耗。ZigBee无线传输网络正好满足以上两个条件，具有低功耗和传输及时的功能。本系统选用超低功耗的单片机，电源电路使用LM2596开关电源模块[10]，灯光驱动器使用无线圈触点的固态继电器，激光传感器使教室照明灯实现智能化控制，使教室照明灯开启的数量随着人数的变化而变化。教室照明灯安装激光传感器的功能主要有三个方面：(1)当没有人在教室时，灯具全部关闭；(2)当教室有人时开启适当的灯数；(3)白天光照较强，无需亮灯，光敏传感器可以检测教室内的光亮强度，当光照充足时自动关闭教室内的照明灯具。基于上述分析，ZigBee无线网络传输教室照明节能智能控制系统硬件设计主要由协调器节点、路由结点和教室终端节点组成；ZigBee协调器自动获得16位的地址信息，自行初始化并加入网络成为网络中的成员。通过光电传感器判断教室内是否有人，通过对光强度的检测判断教室内的缺光程度，通过ZigBee网络将这些信息发送到协调器节点，协调器节点依据设定算法采取适当的决策控制教室内的灯具，从而实现室内灯具的智能控制。图2显示，教室照明节能智能控制硬件主要由LPC2103微处理器、LCD液晶显示器、可中断键盘、ZigBee无线传输模块、MSP430单片机、人数采集器、光敏传感器和灯光驱动器八个部分组成。其中，由于协调器节点的工作量较大，可以选择嵌入式LPC2103微处理器作为主控制器。LPC2103是NXP公司基于ARM7TDMI-S的微处理器推出的新产品，特别适用于低功耗控制场合[11]。其工作程序是：终端结点、路由结点通过人数采集器检测教室内是否有人以及人数，光电传感器判断检测教室内的光线强弱，通过ZigBee网络将这些信息发送到协调器节点，协调器节点依据设定好的算法采取适当的决策控制教室内照明灯开启盏数，实现了教室内照明灯的智能控制。
（三）ZigBee无线网络教室照明智能控制系统软件设计基于ZigBee无线传输教室照明灯智能控制系统软件设计主要考虑的是教室人数统计、教室光线强度测量、节点之间传输和教室照明灯开启、关闭的数量智能控制。与传统的教室照明设备相比较，ZigBee系统主要使用了低功耗单片机，控制系统自身的功耗可大幅降低;实现了CRC算法，提供了数据的错误检查，并提高了系统的可靠性;同时还使用了无线传感网络，CC2530内嵌的协议栈使得路由数据包成为了可能[12]，为学校教学楼群的统一联网创造了条件。其程序流程见图3所示。图3显示，当系统上电时，系统进行初始化，ZigBee协调器节点在完成硬件初始化后，进入轮询状态，当收到数据时，先做CRC校验，若校验正确则解析相应的命令：一是到了关灯时间，系统将自动关灯。二是不到关灯时间，光敏传感器将通过智能控制器发送指令开启教室照明灯；如果人数采集器没有采集到人数，时钟控制器将延迟5分钟关闭教室内照明灯开关；如果教室内有人，人数采集器和光敏传感器同时工作：光敏传感器检测教室内光的强度、人数采集器采集教室内的人数，通过单片机MSP430控制继电器打开教室照明灯设备，使电磁铁工作，ZigBee路由节点和教室终端节点发送控制信号，依据指令开启或关闭教室内照明灯盏数。
（四）教室照明灯智能控制系统安装一般学校标准教室80平方米左右，78-80个座位，21根40瓦的照明灯管(其中，讲台3根灯管，学生座位18根灯管：两两并联，三三串联)。讲台3根灯管各自有独自的开关，教师根据上课需要开启讲台照明灯盏数。学生座位上的18根9组灯管开启采用ZigBee无线网络传输智能控制系统：将教室分为9个区域，每个区都安装人数采集器；一个教室安装一个光敏传感器，一个照明系统和一个单片机，通过单片机实现教室照明灯智能控制系统，安装系统布局见图4所示。四、结论本文设计的以ZigBee无线传输网络控制的教室照明灯智能系统，通过人数采集器统计教室内区域的人数，利用光敏传感器模块实现了对教室光照亮度的检测调节，满足了教室内照明灯需求的前提下成功地避免了不必要的照明灯电能的损耗。经测试，ZigBee无线传输教室照明灯智能控制系统很大程度上节约电源，提高了系统的稳定性、可靠性、节能性，实现了学校教室内照明灯控制系统的信息化、智能化。随着学校招生人数的不断扩展，各个学校的教学楼、自习室、实验室、图书馆不断增加，电费支出逐年增长，节约能源减少电费支出已经列上学校的议事日程；随着ZigBee技术的广泛应用，建立以ZigBee无线传输教室照明智能控制系统的成本也会因ZigBee技术的日趋成熟而不断降低。
作者：刘博达 单位：河南郑州科学大道100号郑州大学后勤集团