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基于ZigBee無線網絡技術的地下車庫照明節能控制系統研發
來源: | 作者:sci | 發布時間: 2015-06-12 | 2229 次瀏覽 | 分享到:
       

基于ZigBee無線網絡技術的地下車庫照明節能控制系統研發

發布日期:2015-06-12 來源:《電氣&智能建筑》 作者:楊超 魏東 莊俊華

核心提示:近年來隨著城市地下車庫數量不斷增加,地下車庫照明系統能源浪費的現象越來越嚴重,針對這一問題提出了基于ZigBee無線網絡技術的地下車庫照明節能控制策略。研究了ZigBee無線網絡技術用于地下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態,以實現在沒有車和人員行進時照明系統不工作的功能,從而達到地下車庫照明系統節能控制的目的。

  1 引言

 

  隨著城市居民擁有汽車的數量不斷增加,城市地下車庫建設數量也在逐年遞增,造成地下車庫照明系統能耗的不斷攀升,為節約能源,需要研究地下車庫照明系統的節能控制策略。目前各大城市的地下車庫普遍存在長明燈現象,造成了大量能源的浪費[1]。地下車庫的電費和管理費已經成為一項巨大的物業費用支出。傳統的地下車庫照明系統存在著智能化程度低、布線復雜、維護困難等問題[2]

 

  設計一種智能化程度高、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車庫照明系統發展的必然方向。從地下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車庫照明系統控制網絡,以充分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、通信技術以及分布式信息處理技術,可對無線網絡分布區域內環境或監測對象的各種信息進行實時監測、感知和采集,并可通過無線多跳網絡將信息傳送到相關用戶終端實現設備控制[2]。將無線網絡技術引入到城市地下車庫照明系統中,可實現地下車庫照明系統的節能控制。CC2530芯片由無線收發器、增強型工業標準的8051MCU以及相關存儲模塊,具有兼容IEEE802.15.4標準和內置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、工業級增強型的805MCU處理能力以及開發功能強大等特點,設計開發了基于ZigBee無線網絡技術的地下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、車去燈滅的功能,即當有車或人在地下車庫移動時,控制系統中的檢測節點將所感知到的信號微波信號,并轉化成網絡信號,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號后會控制相應照明回路點亮相應車道的照明燈,否則燈不開啟,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,其中傳感器終端節點負責采集人或者車的移動信號,并發送無線控制信號;照明控制終端節點負責接收無線控制信號,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啟用無線網絡,同時負責傳輸無線網絡信號,管理無線網絡節點,并存儲無線網絡節點信息,此外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,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感知到人或車時該電波會被反射,反射波的頻率會隨所感知的物體移動狀態變化而變化,此時傳感器終端節點中的無線發送器將以廣播發送方式,將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,當該節點鐘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,否則不產生反應。圖中的路由節點主要由無線收發器組成,負責轉發無線網絡信號,即傳遞無線網絡的組網信息和控制信號;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對多、多對一、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作為核心芯片進行開發。

 

  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,主要負責啟動網絡、協助建立網絡中的安全層以及處理應用層信息,當整個網絡啟動和配置完成之后,它的功能就會退化成為一個普通的路由器節點。將協調器節點放置在地下車庫的控制中心,可以將地下車庫的信息上傳到上位機,方便地下車庫管理人員對地下車庫的管理和維護。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,需要根據地下車庫終端節點數量的不同合理分布路由器位置,使地下車庫每個終端節點都位于無線網絡區域內,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

 

  終端節點分為傳感器終端節點和照明控制終端節點,其中傳感器終端節點負責采集人或者車的移動信號并將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。

 

 

  4中的采集單元利用雙鑒傳感器檢測外部環境人或者車的移動狀態,然后輸出TTL電平,輸出高電平3.3V時表明有人員或者車輛在地下車庫移動;控制單元則利用繼電器模塊控制照明回路的開啟;圖4中的地址模塊利用采用撥碼開關來設置終端節點的物理地址,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理地址。終端節點中的電源模塊利用變壓器和整流電路將220V的交流電轉換成5VDC供繼電器使用,并通過LM1117-3.3穩壓芯片將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

 

  系統中需要開發的軟件包括ZigBee節點軟件和上位機軟件。其中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函數來開發地下車庫無線節點的應用程序。為了方便管理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態,實現車來燈亮,車去燈滅。

 

  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,需要分別開發終端節點、協調器節點和路由器節點的應用程序。

 

  協調器節點上電后,首先采用osalInitTasks()函數對Z-STACK初始化,然后掃描信道以及評估空閑信道,并從中選擇合適的工作信道和網絡標識符,啟動ZigBee網絡發送超幀,然后等待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,以確認是否是合法節點發來的信息,待確認無誤后,協調器節點將發出連接命令,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,確認是綁定命令后,協調器節點將廣播發送目標節點的地址,并等待目標節點的應答,此時再廣播發送需要綁定的節點地址,最后發送結束命令。協調器節點程序流程如圖6所示。

 

 

  路由器節點上電后,首先初始化Z-STACK,然后開始掃描信道,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號時,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,此時路由器節點將獲得協調器節點的標識號,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,路由器節點將會對終端節點發來的信息進行認證,在確定是合法節點發來的信息后,路由器節點將發送連接命令,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。

終端節點上電后,首先初始化Z-STACK,然后開始掃描信道,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號時,將向協調器或者路由器發送建立連接的請求,在獲得協調節點的標識號后,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,需要將目標地址與本節點地址進行對比,當目標地址與本節點地址相同時,終端節點將存儲所接收到的綁定信息,否則終端節點不產生動作。當傳感器終端節點檢測到雷達信號時,將通過ZigBee網絡向照明控制終端節點廣播發送繼電器觸發信號,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,將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分鐘將照明燈關閉,否則不產生反應。傳感器終端節點程序流程如圖7所示。

 

 

  其中,Sensor End-device的接收函數的部分程序代碼如下:

  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,                //描述命令號

  unit16 len,                //發送數據的長度

  uint8 *buf,                //發送數據緩沖區的指針

  unit8*transID,             //發送序號指針

  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#為主要開發語言。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,并可通過串口將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將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

 

  地下車庫照明控制系統由協調器節點、若干路由器節點以及負責檢測或控制的終端節點組成,地下車庫照明系統網絡節點布置如圖8所示。

 

  

 

  當有車輛進入地下車庫時,圖8中的L1測到車輛移動信息后,與雙鑒傳感器相連的單片機引腳配置為高電平觸發中斷,這樣當雷達傳感器產生高電平信號時將觸發中斷,此時L1廣播發送繼電器觸發信號以及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啟,并且延時5分鐘。同理,當車向左轉彎時,將觸發L7的雙鑒傳感器,并廣播繼電器觸發信號以及L7的節點信息,觸發與L7綁定的C2的繼電器,開啟相應的照明回路,并延時5分鐘。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,開啟車位上方的照明回路,并且延時5分鐘。當車出車庫時候,將觸發L2的雙鑒傳感器,廣播繼電器觸發信號,觸發與L2綁定的C1的繼電器,開啟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網絡的地下車庫照明節能控制系統,在對地下車庫照明功能與特點進行深入分析的基礎上,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態控制照明等狀態的功能,達到了節能控制的目的解決了傳統地下車庫照明控制系統管理落后、能源消耗大、維護困難以及布線復雜等問題。

 

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  作者簡介

  楊超 男,1989年生,碩士研究生,研究方向建筑設備控制與節能。

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