基于ZigBee和模糊控制的新型室內(nèi)照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引 言

隨著2009 年哥本哈根氣候變化會(huì)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(yīng)對(duì)氣候變化的重要措施之一就是發(fā)展室內(nèi)照明控制系統(tǒng)，提高照明效率。

近年來，國(guó)內(nèi)外針對(duì)室內(nèi)照明控制系統(tǒng)開展了大量的研究。ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與模糊控制技術(shù)分別被引入室內(nèi)照明控制的研究中，為室內(nèi)照明控制的進(jìn)一步研究提供了良好的思路，但結(jié)合兩者構(gòu)建的室內(nèi)照明控制系統(tǒng)還并不多見。

本文結(jié)合ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與模糊控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了新型室內(nèi)照明控制系統(tǒng)。由于自然光可提供室內(nèi)部分或全部的照明需要，該系統(tǒng)充分利用自然光， 通過對(duì)百葉窗旋轉(zhuǎn)角度的控制，引入自然光作為光源， 人工照明為補(bǔ)充，從而使室內(nèi)照明既可以滿足人們對(duì)照明的需要，又可以達(dá)到節(jié)能的目的。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、基站和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。每個(gè)房間都布置有檢測(cè)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(gè)環(huán)境信息，并經(jīng)由Zig2Bee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸至基站PC機(jī)。基站PC機(jī)對(duì)相關(guān)信息自動(dòng)進(jìn)行分析處理，計(jì)算房間所需引入自然光量及補(bǔ)充的人工照明量，確定照明模式，并通過ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將結(jié)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(shí)現(xiàn)室內(nèi)照明的自動(dòng)控制?；綪C機(jī)還可以實(shí)時(shí)顯示各個(gè)設(shè)備的相關(guān)信息，并通過無(wú)線通信方式將信息傳輸?shù)接脩羰种校ㄟh(yuǎn)程監(jiān)控中心）。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

在該系統(tǒng)中， ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)分為四類：傳感器節(jié)點(diǎn)、控制器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)嵌入多種傳感器，用于讀取并傳輸照明控制所需的相關(guān)環(huán)境信息。控制器節(jié)點(diǎn)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(bǔ)充的人工照明量；此外，控制器節(jié)點(diǎn)還有中斷響應(yīng)功能，能夠處理用戶的控制指令。路由節(jié)點(diǎn)接收該房間傳感器節(jié)點(diǎn)采集的相關(guān)信息，并將其傳輸至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，再將協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的控制指令傳輸至傳感器節(jié)點(diǎn)和控制器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與基站PC機(jī)通過RS2232串口相連接，用于所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(fù)責(zé)控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，既需要完成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(nèi)照明的模糊控制，并達(dá)到節(jié)能的目的。通過PC機(jī)軟件用戶界面，顯示整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖和各節(jié)點(diǎn)的工作狀況及采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息；查詢各個(gè)房間的歷史及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；具有遠(yuǎn)程設(shè)置功能，用戶可通過遠(yuǎn)程監(jiān)控中心設(shè)置某些房間的照明模式，如全開/全關(guān)等；同時(shí)還具備設(shè)備管理和用戶管理等功能，軟件可實(shí)時(shí)更新設(shè)備和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息，具有設(shè)備更新的自適應(yīng)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(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是硬件設(shè)計(jì)的核心，該系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)采用模塊化設(shè)計(jì)， 4種節(jié)點(diǎn)采用共同的核心模塊，不同類型節(jié)點(diǎn)配以不同的擴(kuò)展模塊。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以Freescale公司的MC13192芯片和Philip公司的LPC2138芯片為核心構(gòu)成了核心板。MC13192具有一個(gè)優(yōu)化的數(shù)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(yùn)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(nèi)劃分16個(gè)信道，每個(gè)信道占用5 MHz的帶寬，采用直接序列擴(kuò)頻的通信技術(shù)，數(shù)據(jù)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(dá)到92 dBm,傳輸距離為30~70 m.LPC2138芯片是支持實(shí)時(shí)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(chǔ)器和32 KB片內(nèi)靜態(tài)RAM以及多個(gè)串行接口， 2個(gè)8通道10 bit A /D轉(zhuǎn)換器， 1個(gè)D /A轉(zhuǎn)換器和47個(gè)GP IO,以及多達(dá)9個(gè)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(jié)合，作為基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。LPC2138和MC13192通過SP I總線連接。LPC2138通過4線SP I接口對(duì)MC13192 的內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫操作，從而完成對(duì)MC13192 的控制以及數(shù)據(jù)通信。由傳感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)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(hào)經(jīng)處理后從天線發(fā)射出去。

對(duì)傳感器的控制信號(hào)可以從天線接收進(jìn)來，經(jīng)過解調(diào)、解擴(kuò)得到原始的數(shù)據(jù)， 再通過SPI傳送到LPC2138 上， 經(jīng)過LPC2138 判斷處理后通過GPIO口傳送到傳感器上， 以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的控制。

核心板與各種傳感器相連構(gòu)成傳感器節(jié)點(diǎn)，與自然光控制板和人工照明控制板相連構(gòu)成控制器節(jié)點(diǎn)，擴(kuò)展串行通信接口后構(gòu)成協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與基站PC機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，擴(kuò)展供電接口與電源模塊相連。節(jié)點(diǎn)硬件框架如圖2所示。

圖2　Z igBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件框架圖

根據(jù)節(jié)點(diǎn)類型、節(jié)點(diǎn)需要的發(fā)射功率和能耗，電源模塊分為市電、太陽(yáng)能與電池3種。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率大， 采用市電供電；控制器節(jié)點(diǎn)與控制板相連，以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)電路進(jìn)行自然光及人工照明控制，因此，控制器節(jié)點(diǎn)可以和控制板同樣采用市電供電；室外傳感器節(jié)點(diǎn)采用太陽(yáng)能供電；其他節(jié)點(diǎn)采用電池供電 .

3 照明控制設(shè)計(jì)

照明控制設(shè)計(jì)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(bǔ)充，滿足室內(nèi)人員的照明需要。為了避免眩光，保護(hù)視力，需要確定百葉窗的最大旋轉(zhuǎn)角度。為了滿足室內(nèi)人員對(duì)照明的需要，需要確定百葉窗的理想旋轉(zhuǎn)角度。通過對(duì)兩者進(jìn)行比較，可以確定百葉窗旋轉(zhuǎn)角度。當(dāng)理想旋轉(zhuǎn)角度最大旋轉(zhuǎn)角度，則把百葉窗旋轉(zhuǎn)到理想角度，人工照明關(guān)閉，反之，如果理想旋轉(zhuǎn)角度>最大旋轉(zhuǎn)角度，則使百葉窗保持在最大旋轉(zhuǎn)角度，不足的照明通過人工照明進(jìn)行補(bǔ)充。其整體思路流程圖如圖3所示。

圖3　照明控制流程圖

3. 1 最大旋轉(zhuǎn)角度子系統(tǒng)

最大旋轉(zhuǎn)角度子系統(tǒng)的任務(wù)是得到避免眩光基礎(chǔ)上百葉窗的最大旋轉(zhuǎn)角度。該子系統(tǒng)選用模糊控制器實(shí)現(xiàn)， 輸入為室外水平照度、窗戶參數(shù)、太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角，輸出為百葉窗的最大旋轉(zhuǎn)角度。

3. 1. 1 輸入量的獲取

室外水平照度可由傳感器獲得，窗戶參數(shù)由具體房間窗戶相關(guān)信息確定，式（1）和式（2）分別用來計(jì)算太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角。

其中：α為太陽(yáng)高度角； Az 為太陽(yáng)方位角； φ為房間的地理緯度；δ為赤緯； ω為時(shí)角。以上單位均為度。

在計(jì)算太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角所需的三個(gè)值中，房間的地理緯度（φ）可由房間的具體位置確定，赤緯（δ）和時(shí)角（ω）則需另外計(jì)算得到。

赤緯（δ）表示太陽(yáng)光線與地球赤道面的夾角，可通過式（3）計(jì)算得到。

其中： n為一年中某日的日期序數(shù)。

時(shí)角（ω）以當(dāng)?shù)卣嫣?yáng)時(shí)正午為0 °，下午為正，上午為負(fù)，每小時(shí)15°，如表1所示。

表1 時(shí)角

3.1.2 模糊控制規(guī)則。

對(duì)該系統(tǒng)而言，制定模糊控制規(guī)則的主要依據(jù)是避免眩光，即當(dāng)太陽(yáng)位置接近于水平其直射，光照影響人們的視力時(shí)應(yīng)關(guān)閉百葉窗；當(dāng)只有漫射光時(shí)， 對(duì)百葉窗的最大旋轉(zhuǎn)角度沒有要求。

3. 2 理想旋轉(zhuǎn)角度子系統(tǒng)

百葉窗理想旋轉(zhuǎn)角度子系統(tǒng)的任務(wù)是得到在自然光提供的室內(nèi)水平照度滿足用戶需要時(shí)百葉窗的理想旋轉(zhuǎn)角度。由大量實(shí)際測(cè)量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以建立自然光在室外的垂直照度、自然光在室內(nèi)提供的水平照度，以及百葉窗旋轉(zhuǎn)角度的百葉窗旋轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)模型表。根據(jù)自然光在室外的垂直照度和用戶自定義設(shè)置的室內(nèi)理想水平照度值，通過查詢照度- 百葉窗旋轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)模型表可以得到百葉窗的理想旋轉(zhuǎn)角度。

在這里不直接應(yīng)用室內(nèi)實(shí)際水平照度值， 而是將其用來檢驗(yàn)并修正模型表，這樣做既可避免閉環(huán)控制的產(chǎn)生，又能夠在傳感器暫時(shí)出錯(cuò)的情況下保持較好的控制。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了一種基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和模糊控制的新型室內(nèi)照明控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合考慮了室內(nèi)的遮陽(yáng)系統(tǒng)與照明系統(tǒng)之間的相互聯(lián)系， 整個(gè)系統(tǒng)最大限度地利用了天然光，通過對(duì)百葉窗旋轉(zhuǎn)角度的控制，引入自然光作為光源，并以人工照明為補(bǔ)充使室內(nèi)照明滿足用戶的需要。該系統(tǒng)能夠有效地降低照明系統(tǒng)能耗，為人們構(gòu)建節(jié)能、舒適的居住環(huán)境提供了一個(gè)有效方案。