一種新型室內照明控制系統(tǒng)設計方案

　0 引 言

　　隨著2009 年哥本哈根氣候變化會議的召開，全世界都在提倡更加節(jié)能環(huán)保的生活方式。

　　抑制碳排放、應對氣候變化的重要措施之一就是發(fā)展室內照明控制系統(tǒng)，提高照明效率。

　　近年來，國內外針對室內照明控制系統(tǒng)開展了大量的研究。ZigBee無線傳感網絡與模糊控制技術分別被引入室內照明控制的研究中，為室內照明控制的進一步研究提供了良好的思路，但結合兩者構建的室內照明控制系統(tǒng)還并不多見。

　　本文結合ZigBee 無線傳感網絡與模糊控制技術，設計了新型室內照明控制系統(tǒng)。由于自然光可提供室內部分或全部的照明需要，該系統(tǒng)充分利用自然光， 通過對百葉窗旋轉角度的控制，引入自然光作為光源， 人工照明為補充，從而使室內照明既可以滿足人們對照明的需要，又可以達到節(jié)能的目的。

　　1 系統(tǒng)總體設計

　　整個系統(tǒng)由ZigBee無線傳感器網絡、基站和遠程監(jiān)控中心組成，總體結構如圖1所示。每個房間都布置有檢測環(huán)境信息的傳感器、自然光控制器和人工照明控制器。通過傳感器采集房間的照度、人員位置等各個環(huán)境信息，并經由Zig2Bee無線傳感器網絡傳輸至基站PC機?；綪C機對相關信息自動進行分析處理，計算房間所需引入自然光量及補充的人工照明量，確定照明模式，并通過ZigBee無線傳感器網絡將結果輸出，以控制人工照明控制器和自然光控制器的工作，從而實現(xiàn)室內照明的自動控制?；綪C機還可以實時顯示各個設備的相關信息，并通過無線通信方式將信息傳輸到用戶手中（遠程監(jiān)控中心）。

圖1　系統(tǒng)總體結構圖

　　在該系統(tǒng)中， ZigBee無線傳感器網絡采用星狀網絡拓撲結構，節(jié)點分為四類：傳感器節(jié)點、控制器節(jié)點、路由節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點。傳感器節(jié)點嵌入多種傳感器，用于讀取并傳輸照明控制所需的相關環(huán)境信息?？刂破鞴?jié)點嵌入自然光控制板和人工照明控制板，以控制引入的自然光量和補充的人工照明量；此外，控制器節(jié)點還有中斷響應功能，能夠處理用戶的控制指令。路由節(jié)點接收該房間傳感器節(jié)點采集的相關信息，并將其傳輸至協(xié)調器節(jié)點，再將協(xié)調器節(jié)點的控制指令傳輸至傳感器節(jié)點和控制器節(jié)點。協(xié)調器節(jié)點與基站PC機通過RS2232串口相連接，用于所有網絡節(jié)點的地址分配和管理，并能夠監(jiān)控各種信息的發(fā)送與接收。

　　基站負責控制整個網絡，既需要完成無線傳感器網絡節(jié)點信息的采集，又需要完成所采集信息的分析處理及控制輸出，以完成室內照明的模糊控制，并達到節(jié)能的目的。通過PC機軟件用戶界面，顯示整個系統(tǒng)網絡的拓撲結構圖和各節(jié)點的工作狀況及采集的實時數據信息；查詢各個房間的歷史及實時數據；具有遠程設置功能，用戶可通過遠程監(jiān)控中心設置某些房間的照明模式，如全開/全關等；同時還具備設備管理和用戶管理等功能，軟件可實時更新設備和無線傳感網絡節(jié)點信息，具有設備更新的自適應能力，并通過用戶管理保證了系統(tǒng)使用的安全性。

　　2 Z igBee網絡節(jié)點設計

　　ZigBee網絡節(jié)點設計是硬件設計的核心，該系統(tǒng)節(jié)點采用模塊化設計， 4種節(jié)點采用共同的核心模塊，不同類型節(jié)點配以不同的擴展模塊。

　　網絡節(jié)點以Freescale公司的MC13192芯片和Philip公司的LPC2138芯片為核心構成了核心板。MC13192具有一個優(yōu)化的數字核心，能夠幫助降低MCU處理功率，并縮短其執(zhí)行周期。

　　除了接收、發(fā)送和空閑3 種工作狀態(tài)外，芯片還有3種低功耗運行模式：掉電模式、睡眠模式、休眠模式。其工作頻率是2. 405~2. 480 GHz,并在頻帶內劃分16個信道，每個信道占用5 MHz的帶寬，采用直接序列擴頻的通信技術，數據傳輸速率為250 kb / s.芯片采用可編程功率輸出模式，發(fā)送功率為0~4 dBm,接收靈敏度可以達到92 dBm,傳輸距離為30~70 m.LPC2138芯片是支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32 bit ARM 7微控制器。它帶有512 KB嵌入的高速F lash存儲器和32 KB片內靜態(tài)RAM以及多個串行接口， 2個8通道10 bit A /D轉換器， 1個D /A轉換器和47個GP IO,以及多達9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷。

　　LPC2138有兩種低功耗模式：空閑模式和掉電模式。由于具有較小的封裝和極低的功耗，使LPC2138可以理想地與MC13192結合，作為基于ZigBee技術的無線傳感器網絡節(jié)點。LPC2138和MC13192通過SP I總線連接。LPC2138通過4線SP I接口對MC13192 的內部寄存器進行讀寫操作，從而完成對MC13192 的控制以及數據通信。由傳感器輸出的模擬信號經過8 通道10 bit A/D變換后輸入到L PC2138中， LPC2138將傳感器采集的信號經處理后從天線發(fā)射出去。

　　對傳感器的控制信號可以從天線接收進來，經過解調、解擴得到原始的數據， 再通過SPI傳送到LPC2138 上， 經過LPC2138 判斷處理后通過GPIO口傳送到傳感器上， 以實現(xiàn)對傳感器的控制。

　　核心板與各種傳感器相連構成傳感器節(jié)點，與自然光控制板和人工照明控制板相連構成控制器節(jié)點，擴展串行通信接口后構成協(xié)調器節(jié)點與基站PC機實現(xiàn)通信，擴展供電接口與電源模塊相連。節(jié)點硬件框架如圖2所示。

圖2　Z igBee網絡節(jié)點硬件框架圖

　　根據節(jié)點類型、節(jié)點需要的發(fā)射功率和能耗，電源模塊分為市電、太陽能與電池3種。協(xié)調器節(jié)點發(fā)射功率大， 采用市電供電；控制器節(jié)點與控制板相連，以驅動相應電路進行自然光及人工照明控制，因此，控制器節(jié)點可以和控制板同樣采用市電供電；室外傳感器節(jié)點采用太陽能供電；其他節(jié)點采用電池供電[ ] .

3 照明控制設計

　　照明控制設計需要避免眩光，盡可能利用自然光作為光源，以人工照明為補充，滿足室內人員的照明需要。為了避免眩光，保護視力，需要確定百葉窗的最大旋轉角度。為了滿足室內人員對照明的需要，需要確定百葉窗的理想旋轉角度。通過對兩者進行比較，可以確定百葉窗旋轉角度。當理想旋轉角度最大旋轉角度，則把百葉窗旋轉到理想角度，人工照明關閉，反之，如果理想旋轉角度>最大旋轉角度，則使百葉窗保持在最大旋轉角度，不足的照明通過人工照明進行補充。其整體思路流程圖如圖3所示。