智慧教室灯光控制系统设计

智慧教室灯光控制系统设计

作者：杨埙董灿谭锋

来源：《物联网技术》2014年第10期

摘要：给出一种基于ZigBee协议构建的智慧教室灯光控制系统的设计方法。该系统由信息感测节点、信息处理平台、继电器节点构成，从硬件、软件、通信协议及数据格式上分别对系统中的各组成部分进行了设计介绍。该系统在硬件、软件上均具有很高的灵活性和可扩展性。

关键词：智慧教室；灯光；ZigBee；CC2430

中图分类号：TP399 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2014）10-00-03

0 引言

智慧教室的灯光控制是物联网的一项重要应用。因此，从系统硬件、软件和协议数据格式上，对智慧教室的灯光控制系统进行全面的设计，对于物联网的应用推广和节能减排，都具有重要的应用示范价值与实用性意义。

1 总体架构

智慧教室灯光控制系统的基本架构如图1所示。该系统由信息感测节点（ZigBee无线传感器节点）、智能处理平台以及继电器节点组成。系统中的三种功能节点采用ZigBee协议构成无线传感器网络（WSN）。智能处理平台在WSN中担任ZigBee协调器节点，信息感测节点及继电器节点担任ZigBee终端节点。

图1 智慧教室灯光控制系统架构

信息感测节点主要通过传感器技术实现对环境信息的感知及采集，如光照强度、人体感应数据，并通过ZigBee协议将采集结果传至信息处理平台。

信息处理平台中，ZigBee协调器负责接收感知数据，并将接收到的数据通过RS232串口传送到应用开发平台，应用开发平台对收到的采集结果进行分析、决策后，将控制命令从

RS232发往ZigBee协调器，ZigBee协调器通过ZigBee无线通信协议将控制命令发送到继电器。

继电器节点通过ZigBee协议接收ZigBee协调器发来的控制命令，执行开或关灯的指令。

ZigBee无线通信协议不需要独立的硬件设备，而是以无线通信模块的形式，在信息感测节点、信息处理平台和继电器节点中均需要实现。

2 硬件设计

2.1 信息感测节点

信息感测节点硬件上由传感器、微处理器、无线通信模块、电池组成。图2所示是信息感测节点的组成图。在设计上，为了降低成本，并提高硬件的可扩展性和灵活性，信息感测节点的微处理器及无线通信模块可采用选用相同的ZB2430底板实现，其核心芯片是TI公司的

CC2430，ZB2430电路原理图如图3所示。传感器选用插件式的硬件设计，通过ZB2430的I/O 扩展口与ZB2430相连，信息感测节点只在传感器插件上不同。根据智慧教室灯光控制的实际需要，选用了光照、人体两类传感器，共两类信息感测节点。

图2 信息感测节点组成

2.2 信息处理平台硬件

信息处理平台硬件上采用DMATEK的DMA210XP整合平台，其集成了应用开发平台和ZigBee协调器端功能，ZigBee协调器端接收从感测节点采集到的数据，并通过串口传输到应用开放平台，由其对感测数据做进一步的分析、处理和显示，其组成图如图3所示。

ZigBee协调器端采用DAMTEK的ZB2430-03实现， ZB2430-03的硬件组成与信息感测节点的ZB2430完全一致，只在软件上不同，通过在软件上定义ZB2430为从模块（终端）、ZB2430-03为主模块（协调器），实现信息在两者间通信。

图3 信息处理平台组成

应用开发平台采用具有先进ARM Cortex A8核心的Samsung S5PV210处理器，该处理器采用ARM Cortex A8核心，DMA210XP应用平台结合ZigBee 无线感测，实现智慧教室灯光控制的应用。

2.3 继电器节点硬件

继电器节点硬件设计与信息感测节点硬件类似，但没有传感器模块。

3 软件设计

3.1 信息感测节点软件

信息感测节点的软件可采用嵌入式系统的开发方式与流程，开发工具为IAR。本系统共涉及光照、人体两类传感器，这两类传感器获取到的数据格式略有不同。具体如下：

相同部分：

#define MAX_SEND_BUF_LEN 128 //定义发送缓冲区长度上限

static uint8 pTxData[MAX_SEND_BUF_LEN]； //定义发送缓冲区的大小

/*填充发送缓冲区，对5类传感器均相同，开始*/

pTxData[0] = 0xFF；

pTxData[1] = 0xFD；

pTxData[3] = 4；

pTxData[8] = 0；

pTxData[9] = 0；

pTxData[10] = CheckSum（pTxData，10）； //校验和

/*填充发送缓冲区，对2类传感器均相同，结束*/

不同部分有光电传感器的数据获取与处理：

unsigned intADC_GetValue（void）// 获取传感器采样数据

{

unsigned intadcValue = 0；

adcValue = adcSampleSingle（ADC_REF_AVDD， ADC_12_BIT，

HAL_BOARD_IO_ADC_CH）；

return adcValue；

}

/*对采样数据的转换，开始*/

ADC_VALUE = ADC_GetValue（）*3.3/16384/2；

pTxData[4] = （uint8）ADC_VALUE%10 + 48；

pTxData[5] = （uint8）（ADC_VALUE*10）%10 + 48；

/*对采样数据的转换，结束*/

pTxData[6] = 0x00； //填充发送缓冲区

pTxData[7] = 0x00； //填充发送缓冲区

人体传感器的数据处理：

pTxData[4] = HAL_INT_VAL（）；

pTxData[5] = 0x00；

pTxData[6] = 0x00；

pTxData[7] = 0x00；

信息感测节点应用程序对传感器测量值的获取、转换、缓存及无线发送功能可采用如图4所示的程序流程来实现。

图4 信息感测节点数据处理流程图

3.2 信息处理平台软件

信息处理平台的ZigBee协调器模块通过ZigBee点对点无线通信协议，负责接收和汇聚各传感器采集到的感测信息，并将接收到感测数据通过RS 232串口传输到应用开发平台；同时，负责从RS 232串口接收从应用开发平台下达的控制命令，并通过ZigBee无线通信协议将控制命令发送到ZigBee继电器节点（电灯）。具体程序流程如图5所示。

图5 ZigBee协调器端程序流程图

3.3 继电器节点软件设计

在本系统中，用ZigBee继电器模拟教室电灯，ZigBee继电器通过ZigBee点对点无线通信协议接收ZigBee协调器发来的控制命令，实现对各继电器（电灯）的打开及关闭控制。其ZigBee继电器程序流程如图6所示。