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基于ZigBee无线网络技术的地下车库照明节能控制系统研发
来源: | 作者:sci | 发布时间: 2015-06-12 | 2065 次浏览 | 分享到:
       

基于ZigBee无线网络技术的地下车库照明节能控制系统研发

发布日期:2015-06-12 来源:《电气&智能建筑》 作者:杨超 魏东 庄俊华

核心提示:近年来随着城市地下车库数量不断增加,地下车库照明系统能源浪费的现象越来越严重,针对这一问题提出了基于ZigBee无线网络技术的地下车库照明节能控制策略。研究了ZigBee无线网络技术用于地下车库照明控制的系统结构和组网方法;基于CC2530芯片设计开发了ZigBee无线网络节点,所开发的检测节点与动静传感器配合能够检测车的行进和人员活动情况,控制节点能够根据车和人员活动情况控制相应车道照明灯的状态,以实现在没有车和人员行进时照明系统不工作的功能,从而达到地下车库照明系统节能控制的目的。

  1 引言

 

  随着城市居民拥有汽车的数量不断增加,城市地下车库建设数量也在逐年递增,造成地下车库照明系统能耗的不断攀升,为节约能源,需要研究地下车库照明系统的节能控制策略。目前各大城市的地下车库普遍存在长明灯现象,造成了大量能源的浪费[1]。地下车库的电费和管理费已经成为一项巨大的物业费用支出。传统的地下车库照明系统存在着智能化程度低、布线复杂、维护困难等问题[2]

 

  设计一种智能化程度高、节能效果显著、设备布置灵活、维护方便的照明控制系统是城市地下车库照明系统发展的必然方向。从地下车库照明系统的成本、安全性、智能化、应用前景等方面考虑,本文采用无线网络技术开发了地下车库照明系统控制网络,以充分利用无线传感器网自组织、廉价和灵活的技术优势,使照明系统节约能源,且控制网络组网和维护简单易行。

 

  2 基于CC2530芯片的无线网络开发技术

 

  无线网络技术结合了嵌入式计算机技术、传感器技术、通信技术以及分布式信息处理技术,可对无线网络分布区域内环境或监测对象的各种信息进行实时监测、感知和采集,并可通过无线多跳网络将信息传送到相关用户终端实现设备控制[2]。将无线网络技术引入到城市地下车库照明系统中,可实现地下车库照明系统的节能控制。CC2530芯片由无线收发器、增强型工业标准的8051MCU以及相关存储模块,具有兼容IEEE802.15.4标准和内置Z-STACK栈等优点,广泛应用于远程控制、消费型电子、家庭控制、计量和智能能源、楼宇自动化和医疗等各个领域。本文结合CC2530芯片优良的RF收发功能、工业级增强型的805MCU处理能力以及开发功能强大等特点,设计开发了基于ZigBee无线网络技术的地下车库照明节能控制系统。所开发的控制系统能实现车来灯亮、车去灯灭的功能,即当有车或人在地下车库移动时,控制系统中的检测节点将所感知到的信号微波信号,并转化成网络信号,通过无线网络发送给控制节点,此时控制节点在接收到相关信号后会控制相应照明回路点亮相应车道的照明灯,否则灯不开启,从而达到节能的目的[3-6]

 

  3 系统结构以及软硬件设计

 

  3.1 系统结构

 

  本文开发的地下车库照明节能控制系统主要由传感器终端节点(sensor end-device)、照明控制终端节点(lighting controlling end-device)、路由节点(router)以及协调器节点(coordinator)组成,其中传感器终端节点负责采集人或者车的移动信号,并发送无线控制信号;照明控制终端节点负责接收无线控制信号,并控制照明回路灯的亮灭;路由节点则负责传递信息,并搜寻地下车库应用无线网络,可拓展网络区域,以使更多的终端节点加入网络;协调器节点负责建立和启用无线网络,同时负责传输无线网络信号,管理无线网络节点,并存储无线网络节点信息,此外还需承担与上位机通信等功能;上位机软件负责无线网络系统的组网配置等任务,整个系统如图1所示。

 

  图中,传感器终端节点主要由双鉴传感器和无线收发器组成,根据多普勒原理,双鉴传感器发出无线电波,当无线电波在传输过程中感知到人或车时该电波会被反射,反射波的频率会随所感知的物体移动状态变化而变化,此时传感器终端节点中的无线发送器将以广播发送方式,将车辆或者人的移动信息发送至相应的照明控制终端节点。

 

  照明控制终端节点主要由继电器和无线收发器组成,当该节点钟的无线接收器接收到传感器终端节点发来的车辆或者人移动的信息时,继电器得电,并控制相应照明回路灯亮,否则不产生反应。图中的路由节点主要由无线收发器组成,负责转发无线网络信号,即传递无线网络的组网信息和控制信号;协调器节点主要由无线收发器和EIA485模块组成,负责发送无线网络组网信息,承担与上位机通信功能,并完成节点之间的绑定,以实现传感器终端与控制终端的一对多、多对一、或者多对多控制关系的灵活配置。

 

  3.2 系统的硬件设计与开发

 

  要实现地下车库无线控制网络的功能,需要开发三种类型的节点,即协调器节点、路由器节点和终端节点。上述节点均采用CC2530作为核心芯片进行开发。

 

  3.2.1 协调器节点的硬件设计与开发

 

  协调器节点是整个网络部署的核心,主要负责启动网络、协助建立网络中的安全层以及处理应用层信息,当整个网络启动和配置完成之后,它的功能就会退化成为一个普通的路由器节点。将协调器节点放置在地下车库的控制中心,可以将地下车库的信息上传到上位机,方便地下车库管理人员对地下车库的管理和维护。本文利用EIA485串口实现协调器节点与上位机通信,协调器节点结构如图2所示。

 

 

  3.2.2 路由器节点的硬件设计与开发

路由节点的主要功能是提供接力作用,以扩展数据传输距离,它是ZigBee 网络的枢纽。每个路由器可以无线连接6个路由器以及20个终端设备。在进行无线网络设计时,需要根据地下车库终端节点数量的不同合理分布路由器位置,使地下车库每个终端节点都位于无线网络区域内,路由器节点结构如图3所示。

 

 

  3.2.3 终端节点的硬件设计与开发

 

  终端节点分为传感器终端节点和照明控制终端节点,其中传感器终端节点负责采集人或者车的移动信号并将其发送给照明控制终端节点。传感器终端节点主要由数据采集单元(双鉴传感器模块)、通射频模块、电源模块、地址模块以及存储模块组成;照明控制终端节点主要由控制单元(继电器模块)、通射频模块、电源模块、地址模块以及存储模块组成,其结构如图4所示。

 

 

  4中的采集单元利用双鉴传感器检测外部环境人或者车的移动状态,然后输出TTL电平,输出高电平3.3V时表明有人员或者车辆在地下车库移动;控制单元则利用继电器模块控制照明回路的开启;图4中的地址模块利用采用拨码开关来设置终端节点的物理地址,方便完成节点绑定和组网功能;存储模块采用C2401来存储需要绑定节点的物理地址。终端节点中的电源模块利用变压器和整流电路将220V的交流电转换成5VDC供继电器使用,并通过LM1117-3.3稳压芯片将5V电压转换成3.3VDC,供CC2530无线模块和传感器使用,其硬件如图5所示。

 

 

  3.3 系统的软件设计与开发

 

  系统中需要开发的软件包括ZigBee节点软件和上位机软件。其中节点软件程序直接利用Z-STACK协议栈提供的函数进行开发,即直接使用协议栈提供的API函数来开发地下车库无线节点的应用程序。为了方便管理API函数,Z-STACK采用了实时操作系统(Operating System Abstraction Layer ,OSAL),通过OSAL使Z-STACK支持多任务运行的系统资源分配,从而节省任务处理时间。在节点程序开发时首先调用Z-STACK提供的组网函数和加入网络函数,实现无线网络的建立以及路由节点和终端节点的加入。在此基础上,传感器终端节点还需调用Z-STACK提供的无线数据发送函数afStatus_tAF_DataRequest(),以便能够广播发送双鉴传感器检测的地下车库人或者车辆的移动信息。继电器终端节点需调用Z-STACK提供的无线数据发送函数ControlApp_MessageMSGCB(),以便能够接收传感器终端节点发来的控制信息,进而控制继电器的开关状态,实现车来灯亮,车去灯灭。

 

  3.3.1 ZigBee节点软件设计与开发

 

  要完成照明控制和网络信息传输功能,需要分别开发终端节点、协调器节点和路由器节点的应用程序。

 

  协调器节点上电后,首先采用osalInitTasks()函数对Z-STACK初始化,然后扫描信道以及评估空闲信道,并从中选择合适的工作信道和网络标识符,启动ZigBee网络发送超帧,然后等待ZigBee呼叫终端节点的连接请求,并对终端节点发来的信息进行认证,以确认是否是合法节点发来的信息,待确认无误后,协调器节点将发出连接命令,实现终端节点与协调器的连接,从而组成ZigBee网络。当上位机向协调器节点发送绑定请求时,协调器节点首先对绑定命令进行判断,确认是绑定命令后,协调器节点将广播发送目标节点的地址,并等待目标节点的应答,此时再广播发送需要绑定的节点地址,最后发送结束命令。协调器节点程序流程如图6所示。

 

 

  路由器节点上电后,首先初始化Z-STACK,然后开始扫描信道,寻找可加入的网络。当路由器节点检测到ZigBee网络协调器节点发来的超帧信号时,该路由器节点向协调器或者路由器发送建立连接的请求,建立路由器与协调器的连接,此时路由器节点将获得协调器节点的标识号,从而成功加入网络。当路由器节点接收到终端节点发来的连接请求,路由器节点将会对终端节点发来的信息进行认证,在确定是合法节点发来的信息后,路由器节点将发送连接命令,以实现终端节点与路由器的连接,从而使终端节点加入网络。

终端节点上电后,首先初始化Z-STACK,然后开始扫描信道,寻找可加入的网络。当终端节点检测到协调器节点发送的超帧信号时,将向协调器或者路由器发送建立连接的请求,在获得协调节点的标识号后,终端节点即完成了加入网络操作。当终端节点接收到绑定命令时,需要将目标地址与本节点地址进行对比,当目标地址与本节点地址相同时,终端节点将存储所接收到的绑定信息,否则终端节点不产生动作。当传感器终端节点检测到雷达信号时,将通过ZigBee网络向照明控制终端节点广播发送继电器触发信号,同时发送该传感器终端节点的地址;当照明控制终端节点检测到继电器触发信息时,将所存储的地址与接收到的传感器终端节点广播发送过来的地址进行对比,当两者相同时触发继电器控制相应照明回路灯点亮,并延时5分钟将照明灯关闭,否则不产生反应。传感器终端节点程序流程如图7所示。

 

 

  其中,Sensor End-device的接收函数的部分程序代码如下:

  afStatus_t_AF_DataRequest(afAddrType_t*destAddr,   //定义了目的节点的网络地址以及发送数据的格式

  endPointDesc_t*srcEP,      //定义了目的节点的端口信息

  uint16 cID,                //描述命令号

  unit16 len,                //发送数据的长度

  uint8 *buf,                //发送数据缓冲区的指针

  unit8*transID,             //发送序号指针

  unit8 options,             //默认值

  uint8 radius               //默认值)

 

  3.3.2 上位机软件设计与开发

 

  上位机软件需要实现上位机与协调节点之间的数据传输,并在此基础上完成网络配置功能。上位机通过EIA485串口向协调器节点发送网络配置信息。上位机软件基于.NET framework 2,使用Microsoft Visual Studio 2013环境开发,C#为主要开发语言。上位机软件在配置终端节点的绑定关系之前,首先需要扫描网络,以查询网络中部署了哪些节点,并查询节点的相关信息,在此基础上,操作人员可以利用网络配置界面对ZigBee网络中的传感器终端节点与照明控制终端节点进行网络配置,并可通过串口将配置信息发送到协调器节点,协调器节点此时需要以广播方式将接收到的网络配置信息发送给ZigBee网络上的各个节点。

 

  4 系统功能实现

 

  地下车库照明控制系统由协调器节点、若干路由器节点以及负责检测或控制的终端节点组成,地下车库照明系统网络节点布置如图8所示。

 

  

 

  当有车辆进入地下车库时,图8中的L1测到车辆移动信息后,与双鉴传感器相连的单片机引脚配置为高电平触发中断,这样当雷达传感器产生高电平信号时将触发中断,此时L1广播发送继电器触发信号以及L1的节点信息;触发与L1绑定的C1的继电器线圈,该车道的照明回路开启,并且延时5分钟。同理,当车向左转弯时,将触发L7的双鉴传感器,并广播继电器触发信号以及L7的节点信息,触发与L7绑定的C2的继电器,开启相应的照明回路,并延时5分钟。当车在车位停车时,会触发车位上方的传感器终端节点L5,触发与L5绑定的C4的继电器,开启车位上方的照明回路,并且延时5分钟。当车出车库时候,将触发L2的双鉴传感器,广播继电器触发信号,触发与L2绑定的C1的继电器,开启相应车道的照明回路。

 

  5 结论

 

  本文利用CC2530芯片设计开发了基于ZigBee网络的地下车库照明节能控制系统,在对地下车库照明功能与特点进行深入分析的基础上,设计开发了无线网络协调器节点、路由器节点以及传感器终端节点和照明控制终端节点。在进行软件开发时,对Z-STACK协议栈进行了深入研究,在此基础上对其进行了二次开发,完成了组网配置功能,所开发的控制网络能够根据人或车移动状态控制照明等状态的功能,达到了节能控制的目的解决了传统地下车库照明控制系统管理落后、能源消耗大、维护困难以及布线复杂等问题。

 

  参考文献

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  作者简介

  杨超 男,1989年生,硕士研究生,研究方向建筑设备控制与节能。