基于ZigBee无线传感器网络的智能照明系统设计与实现
孙海艳+陈伟+王娜
摘 要： 针对当前的照明系统存在智能化程度低、调节能力差的问题，导致能耗较高，提出一种基于ZigBee无线传感网络的智能照明系统设计方法，根据外面环境中的亮度、能见度、污染物浓度等参数构造智能化控制模型，以照明系统的输出功率为约束条件，引入占空比控制算法，对最佳节能点进行寻优，通过迭代计算，配合传感器节点硬件模块进行智能化调节。以真实模块为例进行测试，设计的系统可以智能化地调节照明系统的工作条件，最大程度的节约能源，达到实用要求。
关键词： 智能照明； 传感网络； 占空比算法； 节能
中图分类号： TN710?34； TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）11?0183?04
Design and implementation of intelligent illumination system
based on ZigBee wireless sensor network
SUN Haiyan1， 2， CHEN Wei1， WANG Na2
（1. School of Electrical Engineering， Yanshan University， Qinhuangdao 066004， China；
2. Department of Mechanical and Electrical Engineering， Hebei Construction Material Vocational and Technical College， Qinhuangdao 066000， China）
Abstract： Since the energy consumption is high in the intelligent illumination system due to the low intelligent degree and poor adjustment ability of the current illumination system， a design method of intelligent illumination system based on ZigBee wireless sensor network is put forward. According to the brightness， visibility， pollutant concentration and other parameters in the outside environment， an intelligent control model was structured. Taking the output power of the illumination system as the constraint condition， the duty ratio control algorithm is introduced to search the optimum energy?saving point， and marched up with the hardware module of sensor node by means of iterative calculation to perform the intelligent adjustment. The real module taken as an example was tested. The designed system can adjust the working conditions of the illumination system intelligently， save the energy to the maximum extent， and meet the practical requirements.
Keywords： intelligent illumination； sensor network； duty ratio algorithm； energy saving
0 引 言
近些年，我國的照明智能化、节能化技术不断发展，使得节能照明和智能照明技术得到了广泛的应用。由于我国人口众多，城市化进程进步较快。在一些大型城市，照明电力能源的消耗已经成为一个较为严重的问题。在城市照明系统的建设中，必须采用相关技术对照明设备进行优化，保证能耗降低。每年城市照明设备的能源浪费造成了大量资金被消耗。这也成为困扰城市智能化的重要问题[1?3]。随着无线传感网络技术的不断进步，为智能化照明系统的设计提供了技术支持[4]。近些年如何有效降低城市照明系统的能源消耗，成为相关单位研究的重要课题。我国关于智能照明系统的研究近年来得到了国家的大力支持，一些重点研究所和相关的学者进行了大量的理论研究，也取得了很多优秀的研究成果，但是还存在智能化程度不高，能耗较高的问题[5?6]。本文提出一种基于ZigBee无线传感网络的智能照明系统设计方法，根据外面环境中的亮度、能见度、污染物浓度等参数构造智能化控制模型，以照明系统的输出功率为约束条件，引入占空比算法，对最佳节能点进行寻优，通过迭代计算，配合传感器节点硬件模块，进行智能化调节。以真实模块为例进行测试，设计的系统可以智能化地调节照明系统的工作条件，最大程度的节约了能源，达到了实用要求。
1 系统总体设计
因为智能照明技术的复杂性，照明功能必须能够根据周边环境进行智能化的自动调节，避免在没必要的环境造成浪费。系统整个的设计过程以ZigBee协议为基础，结合无线传感网络搭建完成。系统可以结合周边环境的明亮与黑暗程度，自适应的对工作模式进行合理调节。本文的系统照明控制过程选取的调节参数主要是以户外亮度、能见度、污染物浓度等参数为基础进行调控，通过传感器网络采集外部环境的信息，无线传感网络对外部数据进行处理后，传输到核心处理器芯片，核心芯片通过调动控制器对外部的工作参数进行控制。系统的整体设计框架图如图1所示。
图1 系统整体逻辑结构设计图
1.1 控制参数的选取
合理的控制参数可以提高系统控制的准确性。由于在一些特殊环境下，系统工作的外部环境较为复杂，例如，在一些特殊的天气里，严重的雾霾污染天气、阴天、能见度较低的雨天等环境下。传感器网络可结合采集到的数据智能化的通过核心控件控制嵌入式电源，使得外部控制器可以自动开通灯光调节功能，达到节能的目的。因此，合理的设计控制参数就成为后面一系列工作的重点。在参数采集后，通过对参数进行迭代寻优计算，运用粒子群优化，实现参数的自适应调整，实现对输出能耗的控制。外部环境的明亮程度是无线传感网络需要采集的最为重要的参数，外部环境的明亮度计算如下：
（1）
式中：为明亮误差控制系数；为采集的光强度信息；为照射长度模型。
另外，能见度参数的计算方法如下：
（2）
式中：表示采集得到的能见度参数；th表示时间参数，考虑到能见度与人眼对不同光照强度的适应角度与时间延长。故设计了参数和tan，表示适应的高度和角度，一般为20 m，能见度参数的变化较大。相关参数都是通过ZigBee协议完成传输，该协议是进行无线传感网络信息传输的基礎，图2为该协议的设计逻辑结构图。
图2 传输协议逻辑结构图
以光强传感器为基础的传感网络通过对相关参数进行采集，再通过协议传输给核心控制单元，进行信息通信控制。
1.2 系统关键区域的硬件设计
在智能化的照明系统中，关键的硬件设计主要包括核心芯片、传感器节点、控制器设计、电源设计、相关存储单元设计、模数转换器设计、一些仪表接口转换设计等。为了保证信息采集的精度，该信息采用STM32控制器并通过自行设计的光学传感器对外部的光信息和亮度信息进行检测。其中，无线传感器网络节点的设计图如图3所示。
结合图3分析，设计的传感器节点自带高精度控制器芯片，需要的工作电压为-5～5 V，为了保证低能耗的特点，节点设计中选用功耗消耗很低的芯片ATMEGL128L，该芯片具有很强的兼容性，大大降低了软件设计的难度。ATMEGL128L微处理器需要稳定的电源作为供电设备，其抗干扰能力较差，因此，需要电源的抗干扰能力较强。本文设计的电源电路必须具备较为强大的抗干扰能力。设计原理如图4所示。
系统中还需要一个很重要的功能，就是振荡电路的设计，在该设计过程中，需要考虑电流与电压的变化，在降低电压后才能进行高精度的振荡操作。振荡电路的设计过程也要考虑能耗的消耗，低能耗的设计过程符合系统的整体设计思路。设计原理见图5。
本系统中采用32.768 kHz低频振动电路进行系统晶振设计，电路的工作电流较低，直接对接核心处理器。
2 系统的软件设计
在完成系统核心的硬件资源设计后，需要介绍软件设计思路。软件设计思路的核心是能够高效快速的完成调节，实现硬件功能最大化，具有可移植性强等特点。本文的软件设计以仿真平台为基础，考虑嵌入式芯片开发的特点，完成初始化、信号处理、资源调度等功能。整体的设计思路如图6所示。
图3 检测传感器节点设计电路
图4 电源电路
图5 振荡电路的设计
系统的软件控制中，对功率的控制主要是使用对中断事件的响应来实现。中断事件可以有效控制照明电路的关闭与接通，还可以智能化的实现功率控制。软件中断流程如图7所示。
图6 系统的软件设计框架
图7 软件中断流程
在进行调控的过程中，主要结合控制参数对电流控制，对电流的控制主要是通过变换器完成。变换器在电流连续模式过程中可以通过相关波形变换完成电流的控制。当外部亮度较低的情况下，变换器通过自身控制开关形成电流的全导通，并维持到外部参数发生变化的条件下。当外部参数发生变化时，其内部的变压器通过增加绕组对电流进行调控。但是，变压器呈现周期变化，因此其内部的调控精度没有办法得到保证。因此电流的调整精度存在一定的误差，为了避免这种误差，可以使电流从一个固定值线性增加到需要值则：
（3）
在需要调节的时刻，控制器可以通过开关对电流进行截止、开通操作，并维持到需要的时间，也就是等待外部参数的传递。在需要大幅度调整电流的参数控制下，可通过回路中二极管的控制，使得电流从当前的下降到需要值则：
（4）
为了保证能量的低功耗，需要在开关控制过程中实现高精度的控制。首先需要得到准确的剩余能量信息，根据能量守恒定律，可以得到在开关控制过程中，开启导通条件下的能量关系：
（5）
式中：为线圈数量，它能衡量开关内部的控制强度关系。
通过参数可以表示电流的强度，是电流的波动参数变化，是电感强度，参数是开关电源的控制参数，它是十分重要的一个参数。在外部明亮度充足的条件下，初级绕组的电流在开关管开启导通阶段可以表示为：
（6）
式中：表示占空比，，当系统需要进行调节时，只需要改变占空比值就可以改变电流与电压。在外部环境没发生变化的情况下，可通过改变电感值，使得纹波电流进入变换器的其他电流控制模式。
3 实验结果分析
本文根据实际的照明情况搭建了实验平台，根据不同的外部光亮环境、雾霾程度、光照强度等输入控制模型进行电流调整。真实的试验环境如图8所示。
表1是在不同的时间段中不同光照对应的电流值。通过对表1的试验结果进行分析可知，本文系统可以做到自适应调节。
占空比与电流的调节关系如图9所示。由图9可知，该系统可以通过占空比实现智能化的电流调节。
4 结 语
从目前来看，智能化照明控制产业还是一个新兴的产业。由于节能减排是我国当前一项十分重要的国策，因此要求照明系统必须具备高效、节能、智能等特点，因此发展低碳环保的智能化照明设备，是未来研究的重点。智能化的照明设备会逐步取代白炽灯和高能耗灯。
参考文献
[1] 罗智佳，钟汉枢，毛宗源.公路隧道照明控制系统[J].交通与计算机，2005，23（4）：117?119.
[2] 宋鸾姣，徐蔚鸿，黄赞.上海观光隧道网络监控系统的设计[J].计算机测量与控制，2006，14（1）：75?77.
[3] 叶培群.汕梅高速公路隧道群节能型智能照明控制系统研究[J].公路交通技术，2005（4）：173?174.
[4] 王学堂，赵展旗.隧道照明控制工程研究[J].西安公路交通大学学报，1998，18（1）：87?9l.
[5] 叶黎明，贺莉薇.高速公路隧道照明系统运营节能的设计与实现[J].中国交通信息产业，2008（1）：105?106.
[6] 王文熙，郭奋勇.隧道照明节能分析与系统设计方案[J].中国交通信息产业，2003（8）：51?53.
摘 要： 针对当前的照明系统存在智能化程度低、调节能力差的问题，导致能耗较高，提出一种基于ZigBee无线传感网络的智能照明系统设计方法，根据外面环境中的亮度、能见度、污染物浓度等参数构造智能化控制模型，以照明系统的输出功率为约束条件，引入占空比控制算法，对最佳节能点进行寻优，通过迭代计算，配合传感器节点硬件模块进行智能化调节。以真实模块为例进行测试，设计的系统可以智能化地调节照明系统的工作条件，最大程度的节约能源，达到实用要求。
关键词： 智能照明； 传感网络； 占空比算法； 节能
中图分类号： TN710?34； TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）11?0183?04
Design and implementation of intelligent illumination system
based on ZigBee wireless sensor network
SUN Haiyan1， 2， CHEN Wei1， WANG Na2
（1. School of Electrical Engineering， Yanshan University， Qinhuangdao 066004， China；
2. Department of Mechanical and Electrical Engineering， Hebei Construction Material Vocational and Technical College， Qinhuangdao 066000， China）
Abstract： Since the energy consumption is high in the intelligent illumination system due to the low intelligent degree and poor adjustment ability of the current illumination system， a design method of intelligent illumination system based on ZigBee wireless sensor network is put forward. According to the brightness， visibility， pollutant concentration and other parameters in the outside environment， an intelligent control model was structured. Taking the output power of the illumination system as the constraint condition， the duty ratio control algorithm is introduced to search the optimum energy?saving point， and marched up with the hardware module of sensor node by means of iterative calculation to perform the intelligent adjustment. The real module taken as an example was tested. The designed system can adjust the working conditions of the illumination system intelligently， save the energy to the maximum extent， and meet the practical requirements.
Keywords： intelligent illumination； sensor network； duty ratio algorithm； energy saving
0 引 言
近些年，我國的照明智能化、节能化技术不断发展，使得节能照明和智能照明技术得到了广泛的应用。由于我国人口众多，城市化进程进步较快。在一些大型城市，照明电力能源的消耗已经成为一个较为严重的问题。在城市照明系统的建设中，必须采用相关技术对照明设备进行优化，保证能耗降低。每年城市照明设备的能源浪费造成了大量资金被消耗。这也成为困扰城市智能化的重要问题[1?3]。随着无线传感网络技术的不断进步，为智能化照明系统的设计提供了技术支持[4]。近些年如何有效降低城市照明系统的能源消耗，成为相关单位研究的重要课题。我国关于智能照明系统的研究近年来得到了国家的大力支持，一些重点研究所和相关的学者进行了大量的理论研究，也取得了很多优秀的研究成果，但是还存在智能化程度不高，能耗较高的问题[5?6]。本文提出一种基于ZigBee无线传感网络的智能照明系统设计方法，根据外面环境中的亮度、能见度、污染物浓度等参数构造智能化控制模型，以照明系统的输出功率为约束条件，引入占空比算法，对最佳节能点进行寻优，通过迭代计算，配合传感器节点硬件模块，进行智能化调节。以真实模块为例进行测试，设计的系统可以智能化地调节照明系统的工作条件，最大程度的节约了能源，达到了实用要求。
1 系统总体设计
因为智能照明技术的复杂性，照明功能必须能够根据周边环境进行智能化的自动调节，避免在没必要的环境造成浪费。系统整个的设计过程以ZigBee协议为基础，结合无线传感网络搭建完成。系统可以结合周边环境的明亮与黑暗程度，自适应的对工作模式进行合理调节。本文的系统照明控制过程选取的调节参数主要是以户外亮度、能见度、污染物浓度等参数为基础进行调控，通过传感器网络采集外部环境的信息，无线传感网络对外部数据进行处理后，传输到核心处理器芯片，核心芯片通过调动控制器对外部的工作参数进行控制。系统的整体设计框架图如图1所示。
图1 系统整体逻辑结构设计图
1.1 控制参数的选取
合理的控制参数可以提高系统控制的准确性。由于在一些特殊环境下，系统工作的外部环境较为复杂，例如，在一些特殊的天气里，严重的雾霾污染天气、阴天、能见度较低的雨天等环境下。传感器网络可结合采集到的数据智能化的通过核心控件控制嵌入式电源，使得外部控制器可以自动开通灯光调节功能，达到节能的目的。因此，合理的设计控制参数就成为后面一系列工作的重点。在参数采集后，通过对参数进行迭代寻优计算，运用粒子群优化，实现参数的自适应调整，实现对输出能耗的控制。外部环境的明亮程度是无线传感网络需要采集的最为重要的参数，外部环境的明亮度计算如下：
（1）
式中：为明亮误差控制系数；为采集的光强度信息；为照射长度模型。
另外，能见度参数的计算方法如下：
（2）
式中：表示采集得到的能见度参数；th表示时间参数，考虑到能见度与人眼对不同光照强度的适应角度与时间延长。故设计了参数和tan，表示适应的高度和角度，一般为20 m，能见度参数的变化较大。相关参数都是通过ZigBee协议完成传输，该协议是进行无线传感网络信息传输的基礎，图2为该协议的设计逻辑结构图。
图2 传输协议逻辑结构图
以光强传感器为基础的传感网络通过对相关参数进行采集，再通过协议传输给核心控制单元，进行信息通信控制。
1.2 系统关键区域的硬件设计
在智能化的照明系统中，关键的硬件设计主要包括核心芯片、传感器节点、控制器设计、电源设计、相关存储单元设计、模数转换器设计、一些仪表接口转换设计等。为了保证信息采集的精度，该信息采用STM32控制器并通过自行设计的光学传感器对外部的光信息和亮度信息进行检测。其中，无线传感器网络节点的设计图如图3所示。
结合图3分析，设计的传感器节点自带高精度控制器芯片，需要的工作电压为-5～5 V，为了保证低能耗的特点，节点设计中选用功耗消耗很低的芯片ATMEGL128L，该芯片具有很强的兼容性，大大降低了软件设计的难度。ATMEGL128L微处理器需要稳定的电源作为供电设备，其抗干扰能力较差，因此，需要电源的抗干扰能力较强。本文设计的电源电路必须具备较为强大的抗干扰能力。设计原理如图4所示。
系统中还需要一个很重要的功能，就是振荡电路的设计，在该设计过程中，需要考虑电流与电压的变化，在降低电压后才能进行高精度的振荡操作。振荡电路的设计过程也要考虑能耗的消耗，低能耗的设计过程符合系统的整体设计思路。设计原理见图5。
本系统中采用32.768 kHz低频振动电路进行系统晶振设计，电路的工作电流较低，直接对接核心处理器。
2 系统的软件设计
在完成系统核心的硬件资源设计后，需要介绍软件设计思路。软件设计思路的核心是能够高效快速的完成调节，实现硬件功能最大化，具有可移植性强等特点。本文的软件设计以仿真平台为基础，考虑嵌入式芯片开发的特点，完成初始化、信号处理、资源调度等功能。整体的设计思路如图6所示。
图3 检测传感器节点设计电路
图4 电源电路
图5 振荡电路的设计
系统的软件控制中，对功率的控制主要是使用对中断事件的响应来实现。中断事件可以有效控制照明电路的关闭与接通，还可以智能化的实现功率控制。软件中断流程如图7所示。
图6 系统的软件设计框架
图7 软件中断流程
在进行调控的过程中，主要结合控制参数对电流控制，对电流的控制主要是通过变换器完成。变换器在电流连续模式过程中可以通过相关波形变换完成电流的控制。当外部亮度较低的情况下，变换器通过自身控制开关形成电流的全导通，并维持到外部参数发生变化的条件下。当外部参数发生变化时，其内部的变压器通过增加绕组对电流进行调控。但是，变压器呈现周期变化，因此其内部的调控精度没有办法得到保证。因此电流的调整精度存在一定的误差，为了避免这种误差，可以使电流从一个固定值线性增加到需要值则：
（3）
在需要调节的时刻，控制器可以通过开关对电流进行截止、开通操作，并维持到需要的时间，也就是等待外部参数的传递。在需要大幅度调整电流的参数控制下，可通过回路中二极管的控制，使得电流从当前的下降到需要值则：
（4）
为了保证能量的低功耗，需要在开关控制过程中实现高精度的控制。首先需要得到准确的剩余能量信息，根据能量守恒定律，可以得到在开关控制过程中，开启导通条件下的能量关系：
（5）
式中：为线圈数量，它能衡量开关内部的控制强度关系。
通过参数可以表示电流的强度，是电流的波动参数变化，是电感强度，参数是开关电源的控制参数，它是十分重要的一个参数。在外部明亮度充足的条件下，初级绕组的电流在开关管开启导通阶段可以表示为：
（6）
式中：表示占空比，，当系统需要进行调节时，只需要改变占空比值就可以改变电流与电压。在外部环境没发生变化的情况下，可通过改变电感值，使得纹波电流进入变换器的其他电流控制模式。
3 实验结果分析
本文根据实际的照明情况搭建了实验平台，根据不同的外部光亮环境、雾霾程度、光照强度等输入控制模型进行电流调整。真实的试验环境如图8所示。
表1是在不同的时间段中不同光照对应的电流值。通过对表1的试验结果进行分析可知，本文系统可以做到自适应调节。
占空比与电流的调节关系如图9所示。由图9可知，该系统可以通过占空比实现智能化的电流调节。
4 结 语
从目前来看，智能化照明控制产业还是一个新兴的产业。由于节能减排是我国当前一项十分重要的国策，因此要求照明系统必须具备高效、节能、智能等特点，因此发展低碳环保的智能化照明设备，是未来研究的重点。智能化的照明设备会逐步取代白炽灯和高能耗灯。
参考文献
[1] 罗智佳，钟汉枢，毛宗源.公路隧道照明控制系统[J].交通与计算机，2005，23（4）：117?119.
[2] 宋鸾姣，徐蔚鸿，黄赞.上海观光隧道网络监控系统的设计[J].计算机测量与控制，2006，14（1）：75?77.
[3] 叶培群.汕梅高速公路隧道群节能型智能照明控制系统研究[J].公路交通技术，2005（4）：173?174.
[4] 王学堂，赵展旗.隧道照明控制工程研究[J].西安公路交通大学学报，1998，18（1）：87?9l.
[5] 叶黎明，贺莉薇.高速公路隧道照明系统运营节能的设计与实现[J].中国交通信息产业，2008（1）：105?106.
[6] 王文熙，郭奋勇.隧道照明节能分析与系统设计方案[J].中国交通信息产业，2003（8）：51?53.
