基于ZigBee技术的学校智能照明控制系统分析

发布时间：2022-10-29 08:30:11 浏览数：次

摘要：本文主要针对学校照明控制系统的监视和管理问题进行分析，设计了基于ZigBee技术的智能照明控制系统，将系统的方案设计、软件设计、硬件选择以及ZigBee无线网络的组建四个环节作为研究重点进行了阐述。本系统设计方案可以起到建筑照明节能减排效果，为其它智能照明控制系统提供了参考与借鉴。

关键词：建筑照明；智能控制；ZigBee技术

中图分类号：TM923 文献标识码：A

随着国民经济的快速发展，能源消耗成为国家和社会关注的热点问题，同时随之而来的节能减排工作成为研究的重要内容之一。据不完全统计在现代建筑中照明系统对能源的消耗占的比例较大[1-2]。因此，建筑电气照明节能技术的理论及应用研究成为了建筑电气综合节能研究内容之一。本文以学校智能照明控制系统设计为例，研究并设计出一套基于Zigbee技术智能照明控制系统，该系统详细的介绍了控制系统的总体设计方案、硬件电路设备选型、Zigbee无线网络的组建以及软件系统设计等内容。本文所提方案和做法对于建筑电气照明节能起到一定的参考和借鉴作用。

1 智能照明控制系统总体设计方案

针对学校的具体情况本文提出一种基于ZigBee 技术的智能照明控制系统。该系统主要由调光控制电路、ZigBee 节点模块、ZigBee 无线通信网络及远程控制上位机四个部分组成。智能照明控制系统结构图如图 1 所示。

从图中可以看出，整个控制过程如下：信息采集电路将所采集的信息经单片机处理后传递给ZigBee 收发节点模块将其转换为无线电信号发送到 ZigBee 无线网络中，经过ZigBee 收发协调器模块传输给上位机，在上位机中将获得相关的现场采集数据。

图1 智能照明控制系统结构图

2 智能照明硬件系统设计

本文的智能照明控制系统主要以单片机为核心，单片机采用AT89S52芯片，系统同时还设有参数修改、数据采集与处理以及联动控制等功能，其结构如图 2 所示。从图2可以看出，该控制电路主要由光照传感器模块、红外传感器模块、ZigBee节点模块、LED 灯管驱动电路模块、保护控制电路、输入/输出等相关部分构成。当系统检测到室内光照度后，首先将其数字化处理，然后送给单片机。单片机根据所检照度值，将所产生的脉冲宽度调制信号送到驱动电路中，从而控制流过 LED 灯管上的电流，以调整室内亮度使之与其相匹配。其硬件选型如表1所示。

图 2 智能照明控制电路结构示意图

表1 智能照明控制硬件选型表

序号硬件名称硬件选型

1单片机AT89S52

2通信网络节点CC2430

3光照传感器TSL2561 光传感器芯片

4红外传感器BIS0001传感器芯片

3 ZigBee无线网络的组建与智能照明控制系统软件设计

3.1ZigBee无线网络的组建

由于本文的智能照明系统设计对象主要指学校，而且在系统中主要以传感器作为主要接入对象，其数据传输量相对而言不大，采用一般的网络拓扑结构进行数据通信即可。由于学校的直径一般在几公里范围内，然而ZigBee 节点数据传输距离仅有 100m 左右，因此为了增加系统数据的传输距离，在整个网络布置时需增加ZigBee 路由器。正是由于基于以上考虑，本文所设计的无线网络拓扑结构采用簇树型网络拓扑结构。该网络结构具有成本低、实现容易、可扩充、易操作等优点。本文所设计的智能照明控制网络拓扑结构如图 3 所示。从图3中可以看出，学校网络协调器和各楼宇子网路由器是其中非常重要的两个设备，网络协调器完成网络建立、协调整个网络运行。相关各个教学楼路由器主要负责数据传输作用，目的是为保证将现场所采集的数据经过长距离传送后到达协调器。教室中的各个终端控制节点模块，主要负责现场的数据采集和初步处理以及对各个LED控制管理。

图3 智能照明控制系统网络拓扑结构

3.2智能照明控制系统软件设计

智能控制系统程序流程图如图 4 所示，从图4看出，系统首先进行初始化，之后可以通过参数的录入设定系统所需要的光照值，现场采集信息系统含有两个部分，一部分采集光照强度，另一部分通过人体红外传感器采集是否有人员的信息。上述这些信息进入到单片机中执行相应的算法程序，本文所采用的自动控制算法为比例-积分-微分（PID）算法，通过该算法的运算输出合适的控制量以减少偏差可以实现恒定光照控制，通过几次循环反馈系统进入较稳定的状态，教室的光照强度基本上稳定在预先设定的数值左右。本文所采用的调光方式为 PWM方式，由于单片机系统不带PWM模块，因此需要模拟一个PWM信号，本文利用数字电路中的定时器来模拟产生一个 PWM 信号。

图4 智能照明控制系统程序流程图

4结论

本文将ZigBee 技术应用于学校智能照明控制系统中，对智能照明控制系统的软、硬件进行设计，其中重点对系统方案、智能照明控制节点以及ZigBee无线网络的组建进行了详细地阐述，本系统可以根据室内光照调节照度，从而使学校教室内具有很好的照度。同时本系统采用ZigBee方式，减少了布线铺设，使得工程的施工更加容易，达到国家所提倡的节能减排，该系统的设计方案为其它智能照明控制系统提供了参考与借鉴。

参考文献

[1]任红.绿色照明与建筑照明节能设计[J].电气应用，2009（7）：21-25.

[2]陈岁生，卢建刚 . 基于智能检测技术的室内照明系统 [J]. 机电工程技术， 2008，37（5）：53-55.

[3]朱明硕，陈校.浅谈照明节能技术的应用[J].电气应用，2010（3）：54-58.

[4]乐钰唯.照明控制技术的发展及应用现状[J].照明工程学报，2010（3）：14-18.

[5江蓉. 绿色工业建筑电气设计.电气应用，2011，（10）：47-51.

作者简介：孙雪景（1979-），女，讲师，在读博士，主要从事建筑设备控制的教学与科研工作

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