基于ZigBee和模糊控制的新型室內照明控制系統設計

0 引 言

隨著(zhù)2009 年哥本哈根氣候變化會(huì )議的召開(kāi)，全世界都在提倡更加節能環(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，提高照明效率。

近年來(lái)，國內外針對室內照明控制系統開(kāi)展了大量的研究。ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )與模糊控制技術(shù)分別被引入室內照明控制的研究中，為室內照明控制的進(jìn)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還并不多見(jiàn)。

本文結合ZigBee 無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )與模糊控制技術(shù)，設計了新型室內照明控制系統。由于自然光可提供室內部分或全部的照明需要，該系統充分利用自然光， 通過(guò)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(mǎn)足人們對照明的需要，又可以達到節能的目的。

1 系統總體設計

整個(gè)系統由ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )、基站和遠程監控中心組成，總體結構如圖1所示。每個(gè)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(guò)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(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )傳輸至基站PC機?；綪C機對相關(guān)信息自動(dòng)進(jìn)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(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )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(shí)現室內照明的自動(dòng)控制?；綪C機還可以實(shí)時(shí)顯示各個(gè)設備的相關(guān)信息，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式將信息傳輸到用戶(hù)手中（遠程監控中心）。

圖1　系統總體結構圖

在該系統中， ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )采用星狀網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，節點(diǎn)分為四類(lèi)：傳感器節點(diǎn)、控制器節點(diǎn)、路由節點(diǎn)和協(xié)調器節點(diǎn)。傳感器節點(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?？刂破鞴濣c(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充的人工照明量；此外，控制器節點(diǎn)還有中斷響應功能，能夠處理用戶(hù)的控制指令。路由節點(diǎn)接收該房間傳感器節點(diǎn)采集的相關(guān)信息，并將其傳輸至協(xié)調器節點(diǎn)，再將協(xié)調器節點(diǎn)的控制指令傳輸至傳感器節點(diǎn)和控制器節點(diǎn)。協(xié)調器節點(diǎn)與基站PC機通過(guò)RS2232串口相連接，用于所有網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的地址分配和管理，并能夠監控各種信息的發(fā)送與接收。

基站負責控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò )，既需要完成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(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，以完成室內照明的模糊控制，并達到節能的目的。通過(guò)PC機軟件用戶(hù)界面，顯示整個(gè)系統網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構圖和各節點(diǎn)的工作狀況及采集的實(shí)時(shí)數據信息；查詢(xún)各個(gè)房間的歷史及實(shí)時(shí)數據；具有遠程設置功能，用戶(hù)可通過(guò)遠程監控中心設置某些房間的照明模式，如全開(kāi)/全關(guān)等；同時(shí)還具備設備管理和用戶(hù)管理等功能，軟件可實(shí)時(shí)更新設備和無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)信息，具有設備更新的自適應能力，并通過(guò)用戶(hù)管理保證了系統使用的安全性。

2 Z igBee網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設計

ZigBee網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設計是硬件設計的核心，該系統節點(diǎn)采用模塊化設計， 4種節點(diǎn)采用共同的核心模塊，不同類(lèi)型節點(diǎn)配以不同的擴展模塊。

網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)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(gè)優(yōu)化的數字核心，能夠幫助降低MCU處理功率，并縮短其執行周期。

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(gè)信道，每個(gè)信道占用5 MHz的帶寬，采用直接序列擴頻的通信技術(shù)，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(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存儲器和32 KB片內靜態(tài)RAM以及多個(gè)串行接口， 2個(gè)8通道10 bit A /D轉換器， 1個(gè)D /A轉換器和47個(gè)GP IO,以及多達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結合，作為基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。LPC2138和MC13192通過(guò)SP I總線(xiàn)連接。LPC2138通過(guò)4線(xiàn)SP I接口對MC13192 的內部寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)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(jīng)過(guò)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(jīng)處理后從天線(xiàn)發(fā)射出去。

對傳感器的控制信號可以從天線(xiàn)接收進(jìn)來(lái)，經(jīng)過(guò)解調、解擴得到原始的數據， 再通過(guò)SPI傳送到LPC2138 上， 經(jīng)過(guò)LPC2138 判斷處理后通過(guò)GPIO口傳送到傳感器上， 以實(shí)現對傳感器的控制。

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

圖2　Z igBee網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)硬件框架圖

根據節點(diǎn)類(lèi)型、節點(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)調器節點(diǎn)發(fā)射功率大， 采用市電供電；控制器節點(diǎn)與控制板相連，以驅動(dòng)相應電路進(jìn)行自然光及人工照明控制，因此，控制器節點(diǎn)可以和控制板同樣采用市電供電；室外傳感器節點(diǎn)采用太陽(yáng)能供電；其他節點(diǎn)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(mǎn)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(mǎn)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(guò)對兩者進(jìn)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(guān)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(guò)人工照明進(jìn)行補充。其整體思路流程圖如圖3所示。

圖3　照明控制流程圖

3. 1 最大旋轉角度子系統

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

3. 1. 1 輸入量的獲取

室外水平照度可由傳感器獲得，窗戶(hù)參數由具體房間窗戶(hù)相關(guān)信息確定，式（1）和式（2）分別用來(lái)計算太陽(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）則需另外計算得到。

赤緯（δ）表示太陽(yáng)光線(xiàn)與地球赤道面的夾角，可通過(guò)式（3）計算得到。

其中： n為一年中某日的日期序數。

時(shí)角（ω）以當地真太陽(yáng)時(shí)正午為0 °，下午為正，上午為負，每小時(shí)15°，如表1所示。

表1 時(shí)角

3.1.2 模糊控制規則。

對該系統而言，制定模糊控制規則的主要依據是避免眩光，即當太陽(yáng)位置接近于水平其直射，光照影響人們的視力時(shí)應關(guān)閉百葉窗；當只有漫射光時(shí)， 對百葉窗的最大旋轉角度沒(méi)有要求。

3. 2 理想旋轉角度子系統

百葉窗理想旋轉角度子系統的任務(wù)是得到在自然光提供的室內水平照度滿(mǎn)足用戶(hù)需要時(shí)百葉窗的理想旋轉角度。由大量實(shí)際測量的經(jīng)驗數據可以建立自然光在室外的垂直照度、自然光在室內提供的水平照度，以及百葉窗旋轉角度的百葉窗旋轉角度對應模型表。根據自然光在室外的垂直照度和用戶(hù)自定義設置的室內理想水平照度值，通過(guò)查詢(xún)照度- 百葉窗旋轉角度對應模型表可以得到百葉窗的理想旋轉角度。

在這里不直接應用室內實(shí)際水平照度值， 而是將其用來(lái)檢驗并修正模型表，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)出錯的情況下保持較好的控制。

4 結 語(yǔ)

本文介紹了一種基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和模糊控制的新型室內照明控制系統。該系統綜合考慮了室內的遮陽(yáng)系統與照明系統之間的相互聯(lián)系， 整個(gè)系統最大限度地利用了天然光，通過(guò)對百葉窗旋轉角度的控制，引入自然光作為光源，并以人工照明為補充使室內照明滿(mǎn)足用戶(hù)的需要。該系統能夠有效地降低照明系統能耗，為人們構建節能、舒適的居住環(huán)境提供了一個(gè)有效方案。