一种基于ZigBee的办公楼宇智能照明系统

一种基于ZigBee的办公楼宇智能照明系统
苏英
【摘要】针对传统的办公楼宇各区域大多采用单一照明模式,照明节点一对一控制等特点,基于LED照明技术,完成了一种基于ZigBee的办公楼宇智能照明系统的设计.该系统能够实时监控办公楼内各照明节点的温湿度和照明情况,出现故障及时报警,并可利用手机或电脑终端进行远程控制,各个照明节点根据各个办公区域的性质、特点、规模以及主要使用功能、人员活动区域、工作情景等,在高效利用自然光的
同时,进行不同照明方案的选择和切换,真正意义上实现了"智慧照明""绿色照明".【期刊名称】《滨州学院学报》
【年(卷),期】2017(033)004
【总页数】4页(P74-77)
【关键词】ZigBee;无线传感器网络;CC2530;RSSI;WiFi
【作者】苏英
【作者单位】滨州学院信息工程学院;滨州市智能制造工程技术研究中心,山东滨
州 256603
【正文语种】中文
【中图分类】TP242.6
当前，物联网技术的飞速发展推进了智慧城市的建设进程，作为智慧城市的一部分，智慧建筑越来越被广泛关注，在此基础上，“智慧照明”应运而生。

传统照明方法一般采用开关控制白炽灯的方式，随着诸如LED、CCFL等新型照明技术的不断推
广，智能照明系统也蓬勃发展，不但高效、节能，同时也提高了人们的生活质量和生活体验。

在诸如办公楼等公共建筑场所，大多仍然延续传统的照明形式，照明效果单一，办公场所、会议室、多功能厅等均采用同一种照明方式；尽管很多如走廊等的公共照明场所采用了声控或光控方式，可以及时开灯或关灯，达到了节能的目的，但这些方法都是仅仅对各个节点的一对一的控制，全部的照明终端无法远程控制，且如果照明终端出现故障时无法自动报警，不能够第一时间处理，严重影响了人们的办公效率和工作体验。

基于此，本文设计了一种基于ZigBee和WiFi技术
的用于办公楼宇的智能照明系统，本系统应用ZigBee技术对照明终端进行组网，通过WiFi与手机端或PC端进行连接，从而达到实时监控办公楼内各照明节点、
出现故障及时报警、远程控制等功能；照明终端依据办公环境和办公需要的差异设计不同的照明模式，不但能满足各种工作状态的需要，而且符合绿色节能的理念。

如图1所示，系统包含多个照明终端，可按照具体环境设置相应的路由器，使整
栋办公楼宇均被ZigBee网络覆盖。

协调器负责采集各个终端节点的数据，并据此对各个节点做出相应的控制。

通过计算机对各个ZigBee模块进行配置，使其实现自组网并正常工作。

每个照明终端都包括光敏传感器、人体热释红外传感器、温湿度传感器等，终端节点能够通过检测到的信息控制相应区域的灯光效果，并把这些区域的信息通过协调器传送给电脑终端或者手机端，从而使工作人员简单清晰地掌握相应区域的照明状态并在有需要时实现远程控制。

照明终端采用LED照明技术，相对于传统的照明电光源，其在局部照明、重点照明和区域照明等方面的优势使其可以产生较高质量的光环境。

本系统网关由一个ZigBee节点和一个WiFi模块组成，两者之间通过串口连接，WiFi模块内置TCP/IP协议栈，手机、电脑等控制
终端可以直接连至WiFi，从而与ZigBee节点连接。

[1-2]
基于ZigBee的无线传感网络已普遍用于具备节点多、传输数据较少、功耗较小等特点的领域，如无线抄表系统、环境监测系统等，常用拓扑结构包括星形、树状、
网状3种结构。

无线传感网络中，协调器节点负责组建并维护网络，终端设备的
增加或删除均由协调器实现；路由器节点负责数据包的转发；终端节点负责采集现场数据、执行反馈控制命令[1]。

每个ZigBee节点均包含微控制器、无线收发、
电源、存储器及其他外设等功能模块。

微控制器是整个节点的控制中心，在无线收发模块的配合下完成WSN网络的组建、维护、数据的采集与处理、无线数据的传输、ZigBee协议栈的正常执行等功能。

[3]
本系统核心板如图2所示，选用cc2530f256芯片，该芯片集微控制器模块和无
线收发模块于一体，工作频段2.4 GHz，符合IEEE802.15.4标准，遵从
ZigBee2007pro协议，片内以增强型高速8051内核为中心，供电区间2～3.6V，具备唤醒模式、睡眠模式、中断模式3种电源管理方式[4-5]，内部集成温度传感器、AD、DA等多个外设模块，不仅简化了系统硬件电路的设计，还具有超低功
耗的特性。

该芯片能够自动组网，上电即用，ZigBee协议的处理部分全部都在模块内部实现，使用者只需使用串口传输数据即可。

[6]其中，协调器节点的工作流程图如图3所示。

系统中各节点的定位采用基于RSSI的算法，无线信号传播模型为
其中Pr,dB(d)为以d0为参考点的信号的接收功率；∂为路径衰减常数；Xδ,dB为
以δ2为方差的正态分布，以说明障碍物的影响[7]。

该算法随着距离的变化而变化，节点间隔越远，RSSI值越低。

实验表明，在50 m的范围内，数据传输能力较强，系统可靠性较高。

照明终端节点包含光敏传感器、热释电红外传感器、灯光控制、故障报警等功能模块，可以实时监测室内温湿度，并且可以根据外界和周围环境的不同选择不同的照明方案，[8]例如办公室区域，按照外界自然光照强度和周围人员工作状态等状况
设计不同的照明强度；会议室区域分为普通照明模式和多媒体演示照明模式，正常
情况下默认普通照明模式，与办公室区域相同，但如果进行多媒体演示时，光照强度将自动切换为弱光照明以便于工作人员进行讲稿展示；多功能厅区域采用普通照明模式和彩灯变换等多种模式，在有娱乐活动时可开启彩灯变换等模式配合活动开展。

照明终端节点的热释电红外传感器、光敏传感器、温湿度传感器不断检测环境变化，通过ZigBee网络将数据传输给协调器，协调器将检测数据通过WiFi发送到手机端或利用串口发送至电脑端，以便于工作人员远程控制室内照明并及时发现故障。

照明终端采用PWM调光设计，cc2530 timer 1编程可实现PWM输出，根据检测到的光照强度调节脉冲的占空比从而控制LED灯的亮度，光照较强时可实现低亮度显示，反之则高亮度显示。

此种方法的调光范围较大，电源驱动的转换率较高，系统损耗小，便于控制，可较为连续地改变灯的亮度。

照明终端节点工作总流程见图4。

该系统上位机包含手机终端和电脑控制终端两种，其中手机终端采用基于Android的开发，电脑终端控制采用.net平台下的C#软件开发，结果如图5、图6所示。

将ZigBee技术与WiFi技术应用于办公楼宇的智能照明控制系统，不但能够实现实时监控并调节办公楼内各照明节点照明情况、出现故障及时报警、远程控制等功能；还可以根据各个办公区域的性质、特点、规模以及主要的使用功能等高效利用自然光，进行不同的照明方案选择。

该系统不但能够合理选择光源，而且能够根据光照强度及人员活动区域、工作情景等自动选择照明模式，调节照明亮度，真正意义上实现了“智慧照明”“绿色照明”；同时减轻了工作人员手动控制、现场检查等工作负担，提高了工作效率和工作体验，具有高效、节能、环保等特点。

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【相关文献】
[1] 陈章进，张建峰，李翰超.基于ZigBee与WiFi的无线智能照明系统设计[J].计算机测量与控制，2016，24(2)：228-231.
[2] 李少雷.基于ZigBee技术的无线智能照明控制系统[J].电子设计工程，2015，23(19)：125-126.
[3] 楼婷婷，潘晓峰.基于无线传感网络的智能LED灯控制系统设计[J].计算机测量与控制，2015，23(6)：1990-1992.
[4] 何永玲，吴耀龙.基于WIFI和移动终端的智能照明控制系统设计[J].物联网技术，2016(12)：102-104.
[5] 李明娟.基于单片机和手机WiFi的遥控电子时钟设计[J].滨州学院学报，2016,32(4)：84-87.
[6] 章伟聪，余新武，李忠成.基于CC2530及ZigBee协议栈设计无线网络传感器节点[J].计算机系统应用，2011,20(7)：184-188.
[7] 苟胜男.基于改进的RSSI无线传感器网络节点定位算法研究[J].计算机应用研究，2012,29(5)：1867-1869.
[8] 李光耀，王利，易子川，等.基于ZigBee的智能照明系统研究与设计[J].照明工程学报，2016,27(3)：1-6.。