基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的校園照明無線監(jiān)控系統(tǒng)

引言

隨著各高等院校對教育投入的加大，校園亮化和美化已成為高等院校的實(shí)事工程。校園照明系統(tǒng)具有鮮明的特點(diǎn)，而路燈的使用具有明顯的時間性，教室照明燈的使用又具有明顯的無序性。目前,關(guān)于校園照明控制研究的重點(diǎn)主要集中在如何解決教室照明無序控制問題，并已形成了諸如聲光控制方案、熱釋電紅外感應(yīng)方案、定時滅燈方案、人員流量統(tǒng)計方案等多種解決方案。這些方案在解決單點(diǎn)控制方面已取得了很好的效果，但在遠(yuǎn)程監(jiān)控方面還明顯不足,也無法解決故障監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制等問題。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控,業(yè)界也提出了諸如電力線載波方案、GSM方案.ZigBee方案等，但電力線載波在通訊中無法換相；GSM方案成本高、時延大;ZigBee方案通信距離近、穿透力不足，因而應(yīng)用效果并不理想。為此，本文提出了基于ZigBee、GPRS技術(shù)的解決方案。

1  系統(tǒng)組成及功能

本系統(tǒng)由監(jiān)控層、中間層和子網(wǎng)等三層網(wǎng)絡(luò)組成，如圖1所示。監(jiān)控層主要包括PC上運(yùn)行的照明管理系統(tǒng)，主要用于實(shí)現(xiàn)控制指令的交互，并支持分級管理和設(shè)備監(jiān)視,可通過B/S進(jìn)行信息發(fā)布；子網(wǎng)主要包括ZigBee無線節(jié)點(diǎn)設(shè)備和照明控制設(shè)備，后者用于路燈的供電、驅(qū)動和控制，而前者則用于光照等信息參數(shù)的釆集及組網(wǎng)，主要根據(jù)當(dāng)前的時段、光照強(qiáng)度、控制指令等參數(shù)，向路燈控制箱發(fā)出有關(guān)指令,如開燈、關(guān)燈、調(diào)節(jié)亮度，并能根據(jù)反饋信息判斷當(dāng)前路燈的運(yùn)行狀態(tài)，如是否有故障等；中間層一般由每個子網(wǎng)的協(xié)調(diào)器及GPRS網(wǎng)絡(luò)組成，提供有基于ZigBee的無線接入和面向GPRS的通訊接口，可支持多種中心模式和多種激活模式工作，它可以通過GPRS將子網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)信息傳送到監(jiān)控層。

2  無線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

由于ZigBee的標(biāo)準(zhǔn)傳輸距離只有75m,一般可無線覆蓋整個校園，因此本系統(tǒng)全網(wǎng)采用ZigBee+GPRS方案，其整體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)校園路燈及教室照明燈的布局特點(diǎn)，系統(tǒng)中的子網(wǎng)采用教室照明燈和校園路燈分區(qū)域組網(wǎng)模式。由于在實(shí)驗中發(fā)現(xiàn),ZigBee跨樓層通信能力可能不足，因此，教室照明燈采用按樓層分區(qū)控制方案，即在每個樓層安裝一個協(xié)調(diào)器，每間教室安裝一個ZigBee無線節(jié)點(diǎn)和照明控制設(shè)備。教室內(nèi)的各種燈通過編碼識別方式由照明控制設(shè)備控制，無線節(jié)點(diǎn)的設(shè)置采用如圖2所示的方案結(jié)構(gòu)，即將FFD和RFD間隔放置。通過NS-2仿真分析，圖3所示方案在分組投遞率、平均端到端時延、平均跳數(shù)和路由開銷等方面，相比子網(wǎng)全部為FFD方案有明顯的改善，能有效地減少路由請求包發(fā)送數(shù)目和網(wǎng)絡(luò)擁塞，提高網(wǎng)絡(luò)性能。 

3  照明控制單元設(shè)計

校園照明主要采用傳統(tǒng)高壓鈉燈、日光燈和LED燈。傳統(tǒng)高壓鈉燈、日光燈可使用一個用戶接口板（該接口板以CortexM3為處理核心，配備有基礎(chǔ)電源模塊、電流和電壓檢測電路、光敏傳感器和熱釋電紅外傳感器電路、ZigBee無線通訊模塊）和一個獨(dú)立的可調(diào)鎮(zhèn)流器，來實(shí)現(xiàn)三級亮度調(diào)節(jié)和開關(guān)控制，圖4所示是其子系統(tǒng)組成圖。由于高壓鈉燈僅用于路燈，故在其用戶接口板中沒有啟用熱釋電紅外傳感器電路模塊。

LED系統(tǒng)中的控制器接口與LED驅(qū)動部分可使用一個脈寬調(diào)制的數(shù)字信號輸出，可提供一個從0%?100%的無極調(diào)光機(jī)制,其組成框圖如圖5所示。在這兩個子系統(tǒng)中，接口板同時利用模擬信號向微控制器反饋燈的電壓和電流信息，以便遠(yuǎn)程診斷燈的狀態(tài)提供依據(jù)。

4  系統(tǒng)工作過程

該系統(tǒng)中的每個節(jié)點(diǎn)都使用了ZigBee協(xié)議，該ZigBee協(xié)議中已經(jīng)提供了眾多的函數(shù)，包括新建網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備加入和離開網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)幀、尋找父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包等。在系統(tǒng)工作的過程中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)和接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的路燈信息,并根據(jù)照明燈的狀況發(fā)送控制信號到照明燈控制節(jié)點(diǎn)。ROUTER節(jié)點(diǎn)一般處于監(jiān)控狀態(tài)，可接收其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息并決定是否轉(zhuǎn)發(fā)，同時也將自身路燈的信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器;接受協(xié)調(diào)器的控制信號，控制路燈的打開或關(guān)閉。RFD節(jié)點(diǎn)功能最為簡單，用于實(shí)時接收協(xié)調(diào)器發(fā)送的控制命令，并向上返回路燈目前狀態(tài)。圖6所示為系統(tǒng)開燈的工作流程圖，圖中同時反映了數(shù)據(jù)包的流向。系統(tǒng)應(yīng)用軟件采用C/S結(jié)構(gòu)。圖7所示為PC客戶端的顯示界面，由圖7可見，該系統(tǒng)提供有設(shè)備管理、照明控制、短信辦公、數(shù)據(jù)報表等功能。

5  結(jié)語

目前的校園照明系統(tǒng)主要采用自動化技術(shù)，但這些技術(shù)都非網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)?；?/span>ZigBee和GPRS的照明控制系統(tǒng)可根據(jù)學(xué)校的照明特點(diǎn)，釆用分區(qū)域控制模式，這樣，監(jiān)控中心不僅能夠根據(jù)光照度變化及時開關(guān)燈、隨時調(diào)整路燈的開關(guān)燈時間，實(shí)現(xiàn)1/2、1/3、1/4等亮燈模式和任意靈活的亮燈模式組合，而且還能夠根據(jù)實(shí)時釆集的數(shù)據(jù)來進(jìn)行故障分析，并以短消息方式將故障信息發(fā)送至照明系統(tǒng)管理人員的手機(jī)，以便及時維護(hù)。