基于ZigBee無線網絡技術的地下(xià)車庫照明節能控制系統研發
發布日期：2015-06-12 來源：《電氣&智能建築》 作者：楊超 魏東 莊俊華
核心提示：近年來随着城市地下(xià)車庫數量不斷增加，地下(xià)車庫照明系統能源浪費的現象越來越嚴重，針對這一(yī)問題提出了基于ZigBee無線網絡技術的地下(xià)車庫照明節能控制策略。研究了ZigBee無線網絡技術用于地下(xià)車庫照明控制的系統結構和組網方法；基于CC2530芯片設計開發了ZigBee無線網絡節點，所開發的檢測節點與動靜傳感器配合能夠檢測車的行進和人員活動情況，控制節點能夠根據車和人員活動情況控制相應車道照明燈的狀态，以實現在沒有車和人員行進時照明系統不工(gōng)作的功能，從而達到地下(xià)車庫照明系統節能控制的目的。
1 引言
随着城市居民擁有汽車的數量不斷增加，城市地下(xià)車庫建設數量也在逐年遞增，造成地下(xià)車庫照明系統能耗的不斷攀升，爲節約能源，需要研究地下(xià)車庫照明系統的節能控制策略。目前各大(dà)城市的地下(xià)車庫普遍存在“長明燈”現象，造成了大(dà)量能源的浪費[1]。地下(xià)車庫的電費和管理費已經成爲一(yī)項巨大(dà)的物(wù)業費用支出。傳統的地下(xià)車庫照明系統存在着智能化程度低、布線複雜、維護困難等問題[2]。
設計一(yī)種智能化程度高、節能效果顯著、設備布置靈活、維護方便的照明控制系統是城市地下(xià)車庫照明系統發展的必然方向。從地下(xià)車庫照明系統的成本、安全性、智能化、應用前景等方面考慮，本文采用無線網絡技術開發了地下(xià)車庫照明系統控制網絡，以充分(fēn)利用無線傳感器網自組織、廉價和靈活的技術優勢，使照明系統節約能源，且控制網絡組網和維護簡單易行。
2 基于CC2530芯片的無線網絡開發技術
無線網絡技術結合了嵌入式計算機技術、傳感器技術、通信技術以及分(fēn)布式信息處理技術，可對無線網絡分(fēn)布區域内環境或監測對象的各種信息進行實時監測、感知(zhī)和采集，并可通過無線多跳網絡将信息傳送到相關用戶終端實現設備控制[2]。将無線網絡技術引入到城市地下(xià)車庫照明系統中(zhōng)，可實現地下(xià)車庫照明系統的節能控制。CC2530芯片由無線收發器、增強型工(gōng)業标準的8051MCU以及相關存儲模塊，具有兼容IEEE802.15.4标準和内置Z-STACK棧等優點，廣泛應用于遠程控制、消費型電子、家庭控制、計量和智能能源、樓宇自動化和醫療等各個領域。本文結合CC2530芯片優良的RF收發功能、工(gōng)業級增強型的805MCU處理能力以及開發功能強大(dà)等特點，設計開發了基于ZigBee無線網絡技術的地下(xià)車庫照明節能控制系統。所開發的控制系統能實現車來燈亮、車去(qù)燈滅的功能，即當有車或人在地下(xià)車庫移動時，控制系統中(zhōng)的檢測節點将所感知(zhī)到的信号微波信号，并轉化成網絡信号，通過無線網絡發送給控制節點，此時控制節點在接收到相關信号後會控制相應照明回路點亮相應車道的照明燈，否則燈不開啓，從而達到節能的目的[3-6]。
3 系統結構以及軟硬件設計
3.1 系統結構
本文開發的地下(xià)車庫照明節能控制系統主要由傳感器終端節點（sensor end-device）、照明控制終端節點（lighting controlling end-device）、路由節點（router）以及協調器節點（coordinator）組成，其中(zhōng)傳感器終端節點負責采集人或者車的移動信号，并發送無線控制信号；照明控制終端節點負責接收無線控制信号，并控制照明回路燈的亮滅；路由節點則負責傳遞信息，并搜尋地下(xià)車庫應用無線網絡，可拓展網絡區域，以使更多的終端節點加入網絡；協調器節點負責建立和啓用無線網絡，同時負責傳輸無線網絡信号，管理無線網絡節點，并存儲無線網絡節點信息，此外(wài)還需承擔與上位機通信等功能；上位機軟件負責無線網絡系統的組網配置等任務，整個系統如圖1所示。
圖中(zhōng)，傳感器終端節點主要由雙鑒傳感器和無線收發器組成，根據多普勒原理，雙鑒傳感器發出無線電波，當無線電波在傳輸過程中(zhōng)感知(zhī)到人或車時該電波會被反射，反射波的頻率會随所感知(zhī)的物(wù)體移動狀态變化而變化，此時傳感器終端節點中(zhōng)的無線發送器将以廣播發送方式，将車輛或者人的移動信息發送至相應的照明控制終端節點。
照明控制終端節點主要由繼電器和無線收發器組成，當該節點鍾的無線接收器接收到傳感器終端節點發來的車輛或者人移動的信息時，繼電器得電，并控制相應照明回路燈亮，否則不産生(shēng)反應。圖中(zhōng)的路由節點主要由無線收發器組成，負責轉發無線網絡信号，即傳遞無線網絡的組網信息和控制信号；協調器節點主要由無線收發器和EIA485模塊組成，負責發送無線網絡組網信息，承擔與上位機通信功能，并完成節點之間的綁定，以實現傳感器終端與控制終端的一(yī)對多、多對一(yī)、或者多對多控制關系的靈活配置。
3.2 系統的硬件設計與開發
要實現地下(xià)車庫無線控制網絡的功能，需要開發三種類型的節點，即協調器節點、路由器節點和終端節點。上述節點均采用CC2530作爲核心芯片進行開發。
3.2.1 協調器節點的硬件設計與開發
協調器節點是整個網絡部署的核心，主要負責啓動網絡、協助建立網絡中(zhōng)的安全層以及處理應用層信息，當整個網絡啓動和配置完成之後，它的功能就會退化成爲一(yī)個普通的路由器節點。将協調器節點放(fàng)置在地下(xià)車庫的控制中(zhōng)心，可以将地下(xià)車庫的信息上傳到上位機，方便地下(xià)車庫管理人員對地下(xià)車庫的管理和維護。本文利用EIA485串口實現協調器節點與上位機通信，協調器節點結構如圖2所示。
3.2.2 路由器節點的硬件設計與開發
路由節點的主要功能是提供接力作用，以擴展數據傳輸距離，它是ZigBee 網絡的樞紐。每個路由器可以無線連接6個路由器以及20個終端設備。在進行無線網絡設計時，需要根據地下(xià)車庫終端節點數量的不同合理分(fēn)布路由器位置，使地下(xià)車庫每個終端節點都位于無線網絡區域内，路由器節點結構如圖3所示。
3.2.3 終端節點的硬件設計與開發
終端節點分(fēn)爲傳感器終端節點和照明控制終端節點，其中(zhōng)傳感器終端節點負責采集人或者車的移動信号并将其發送給照明控制終端節點。傳感器終端節點主要由數據采集單元（雙鑒傳感器模塊）、通射頻模塊、電源模塊、地址模塊以及存儲模塊組成；照明控制終端節點主要由控制單元（繼電器模塊）、通射頻模塊、電源模塊、地址模塊以及存儲模塊組成，其結構如圖4所示。
圖4中(zhōng)的采集單元利用雙鑒傳感器檢測外(wài)部環境人或者車的移動狀态，然後輸出TTL電平，輸出高電平3.3V時表明有人員或者車輛在地下(xià)車庫移動；控制單元則利用繼電器模塊控制照明回路的開啓；圖4中(zhōng)的地址模塊利用采用撥碼開關來設置終端節點的物(wù)理地址，方便完成節點綁定和組網功能；存儲模塊采用C2401來存儲需要綁定節點的物(wù)理地址。終端節點中(zhōng)的電源模塊利用變壓器和整流電路将220V的交流電轉換成5VDC供繼電器使用，并通過LM1117-3.3穩壓芯片将5V電壓轉換成3.3VDC，供CC2530無線模塊和傳感器使用，其硬件如圖5所示。
3.3 系統的軟件設計與開發
系統中(zhōng)需要開發的軟件包括ZigBee節點軟件和上位機軟件。其中(zhōng)節點軟件程序直接利用Z-STACK協議棧提供的函數進行開發，即直接使用協議棧提供的API函數來開發地下(xià)車庫無線節點的應用程序。爲了方便管理API函數，Z-STACK采用了實時操作系統（Operating System Abstraction Layer ,OSAL），通過OSAL使Z-STACK支持多任務運行的系統資源分(fēn)配，從而節省任務處理時間。在節點程序開發時首先調用Z-STACK提供的組網函數和加入網絡函數，實現無線網絡的建立以及路由節點和終端節點的加入。在此基礎上，傳感器終端節點還需調用Z-STACK提供的無線數據發送函數afStatus_tAF_DataRequest()，以便能夠廣播發送雙鑒傳感器檢測的地下(xià)車庫人或者車輛的移動信息。繼電器終端節點需調用Z-STACK提供的無線數據發送函數ControlApp_MessageMSGCB()，以便能夠接收傳感器終端節點發來的控制信息，進而控制繼電器的開關狀态，實現車來燈亮，車去(qù)燈滅。
3.3.1 ZigBee節點軟件設計與開發
要完成照明控制和網絡信息傳輸功能，需要分(fēn)别開發終端節點、協調器節點和路由器節點的應用程序。
協調器節點上電後，首先采用osalInitTasks()函數對Z-STACK初始化，然後掃描信道以及評估空閑信道，并從中(zhōng)選擇合适的工(gōng)作信道和網絡标識符，啓動ZigBee網絡發送超幀，然後等待ZigBee呼叫終端節點的連接請求，并對終端節點發來的信息進行認證，以确認是否是合法節點發來的信息，待确認無誤後，協調器節點将發出連接命令，實現終端節點與協調器的連接，從而組成ZigBee網絡。當上位機向協調器節點發送綁定請求時，協調器節點首先對綁定命令進行判斷，确認是綁定命令後，協調器節點将廣播發送目标節點的地址，并等待目标節點的應答，此時再廣播發送需要綁定的節點地址，最後發送結束命令。協調器節點程序流程如圖6所示。
路由器節點上電後，首先初始化Z-STACK，然後開始掃描信道，尋找可加入的網絡。當路由器節點檢測到ZigBee網絡協調器節點發來的超幀信号時，該路由器節點向協調器或者路由器發送建立連接的請求，建立路由器與協調器的連接，此時路由器節點将獲得協調器節點的标識号，從而成功加入網絡。當路由器節點接收到終端節點發來的連接請求，路由器節點将會對終端節點發來的信息進行認證，在确定是合法節點發來的信息後，路由器節點将發送連接命令，以實現終端節點與路由器的連接，從而使終端節點加入網絡。
終端節點上電後，首先初始化Z-STACK，然後開始掃描信道，尋找可加入的網絡。當終端節點檢測到協調器節點發送的超幀信号時，将向協調器或者路由器發送建立連接的請求，在獲得協調節點的标識号後，終端節點即完成了加入網絡操作。當終端節點接收到綁定命令時，需要将目标地址與本節點地址進行對比，當目标地址與本節點地址相同時，終端節點将存儲所接收到的綁定信息，否則終端節點不産生(shēng)動作。當傳感器終端節點檢測到雷達信号時，将通過ZigBee網絡向照明控制終端節點廣播發送繼電器觸發信号，同時發送該傳感器終端節點的地址；當照明控制終端節點檢測到繼電器觸發信息時，将所存儲的地址與接收到的傳感器終端節點廣播發送過來的地址進行對比，當兩者相同時觸發繼電器控制相應照明回路燈點亮，并延時5分(fēn)鍾将照明燈關閉，否則不産生(shēng)反應。傳感器終端節點程序流程如圖7所示。
其中(zhōng)，Sensor End-device的接收函數的部分(fēn)程序代碼如下(xià)：
afStatus_t_AF_DataRequest(afAddrType_t*destAddr, //定義了目的節點的網絡地址以及發送數據的格式
endPointDesc_t*srcEP, //定義了目的節點的端口信息
uint16 cID, //描述命令号
unit16 len, //發送數據的長度
uint8 *buf, //發送數據緩沖區的指針
unit8*transID, //發送序号指針
unit8 options, //默認值
uint8 radius //默認值)
3.3.2 上位機軟件設計與開發
上位機軟件需要實現上位機與協調節點之間的數據傳輸，并在此基礎上完成網絡配置功能。上位機通過EIA485串口向協調器節點發送網絡配置信息。上位機軟件基于.NET framework 2，使用Microsoft Visual Studio 2013環境開發，C#爲主要開發語言。上位機軟件在配置終端節點的綁定關系之前，首先需要掃描網絡，以查詢網絡中(zhōng)部署了哪些節點，并查詢節點的相關信息，在此基礎上，操作人員可以利用網絡配置界面對ZigBee網絡中(zhōng)的傳感器終端節點與照明控制終端節點進行網絡配置，并可通過串口将配置信息發送到協調器節點，協調器節點此時需要以廣播方式将接收到的網絡配置信息發送給ZigBee網絡上的各個節點。
4 系統功能實現
地下(xià)車庫照明控制系統由協調器節點、若幹路由器節點以及負責檢測或控制的終端節點組成，地下(xià)車庫照明系統網絡節點布置如圖8所示。
當有車輛進入地下(xià)車庫時，圖8中(zhōng)的L1測到車輛移動信息後，與雙鑒傳感器相連的單片機引腳配置爲高電平觸發中(zhōng)斷，這樣當雷達傳感器産生(shēng)高電平信号時将觸發中(zhōng)斷，此時L1廣播發送繼電器觸發信号以及L1的節點信息；觸發與L1綁定的C1的繼電器線圈，該車道的照明回路開啓，并且延時5分(fēn)鍾。同理，當車向左轉彎時，将觸發L7的雙鑒傳感器，并廣播繼電器觸發信号以及L7的節點信息，觸發與L7綁定的C2的繼電器，開啓相應的照明回路，并延時5分(fēn)鍾。當車在車位停車時，會觸發車位上方的傳感器終端節點L5，觸發與L5綁定的C4的繼電器，開啓車位上方的照明回路，并且延時5分(fēn)鍾。當車出車庫時候，将觸發L2的雙鑒傳感器，廣播繼電器觸發信号，觸發與L2綁定的C1的繼電器，開啓相應車道的照明回路。
5 結論
本文利用CC2530芯片設計開發了基于ZigBee網絡的地下(xià)車庫照明節能控制系統,在對地下(xià)車庫照明功能與特點進行深入分(fēn)析的基礎上，設計開發了無線網絡協調器節點、路由器節點以及傳感器終端節點和照明控制終端節點。在進行軟件開發時，對Z-STACK協議棧進行了深入研究，在此基礎上對其進行了二次開發，完成了組網配置功能，所開發的控制網絡能夠根據人或車移動狀态控制照明等狀态的功能，達到了節能控制的目的解決了傳統地下(xià)車庫照明控制系統管理落後、能源消耗大(dà)、維護困難以及布線複雜等問題。
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作者簡介
楊超 男，1989年生(shēng)，碩士研究生(shēng)，研究方向建築設備控制與節能。
