基于ZigBee和模糊控制的新型室内照明控制系统设计

0 引 言

随着2009 年哥本哈根气候变化会议的召开，全世界都在提倡更加节能环保的生活方式。

抑制碳排放、应对气候变化的重要措施之一就是发展室内照明控制系统，提高照明效率。

近年来，国内外针对室内照明控制系统开展了大量的研究。ZigBee无线传感网络与模糊控制技术分别被引入室内照明控制的研究中，为室内照明控制的进一步研究提供了良好的思路，但结合两者构建的室内照明控制系统还并不多见。

本文结合ZigBee 无线传感网络与模糊控制技术，设计了新型室内照明控制系统。由于自然光可提供室内部分或全部的照明需要，该系统充分利用自然光， 通过对百叶窗旋转角度的控制，引入自然光作为光源， 人工照明为补充，从而使室内照明既可以满足人们对照明的需要，又可以达到节能的目的。

1 系统总体设计

整个系统由ZigBee无线传感器网络、基站和远程监控中心组成，总体结构如图1所示。每个房间都布置有检测环境信息的传感器、自然光控制器和人工照明控制器。通过传感器采集房间的照度、人员位置等各个环境信息，并经由Zig2Bee无线传感器网络传输至基站PC机。基站PC机对相关信息自动进行分析处理，计算房间所需引入自然光量及补充的人工照明量，确定照明模式，并通过ZigBee无线传感器网络将结果输出，以控制人工照明控制器和自然光控制器的工作，从而实现室内照明的自动控制。基站PC机还可以实时显示各个设备的相关信息，并通过无线通信方式将信息传输到用户手中（远程监控中心）。

图1　系统总体结构图

在该系统中， ZigBee无线传感器网络采用星状网络拓扑结构，节点分为四类：传感器节点、控制器节点、路由节点和协调器节点。传感器节点嵌入多种传感器，用于读取并传输照明控制所需的相关环境信息。控制器节点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补充的人工照明量；此外，控制器节点还有中断响应功能，能够处理用户的控制指令。路由节点接收该房间传感器节点采集的相关信息，并将其传输至协调器节点，再将协调器节点的控制指令传输至传感器节点和控制器节点。协调器节点与基站PC机通过RS2232串口相连接，用于所有网络节点的地址分配和管理，并能够监控各种信息的发送与接收。

基站负责控制整个网络，既需要完成无线传感器网络节点信息的采集，又需要完成所采集信息的分析处理及控制输出，以完成室内照明的模糊控制，并达到节能的目的。通过PC机软件用户界面，显示整个系统网络的拓扑结构图和各节点的工作状况及采集的实时数据信息；查询各个房间的历史及实时数据；具有远程设置功能，用户可通过远程监控中心设置某些房间的照明模式，如全开/全关等；同时还具备设备管理和用户管理等功能，软件可实时更新设备和无线传感网络节点信息，具有设备更新的自适应能力，并通过用户管理保证了系统使用的安全性。

2 Z igBee网络节点设计

ZigBee网络节点设计是硬件设计的核心，该系统节点采用模块化设计， 4种节点采用共同的核心模块，不同类型节点配以不同的扩展模块。

网络节点以Freescale公司的MC13192芯片和Philip公司的LPC2138芯片为核心构成了核心板。MC13192具有一个优化的数字核心，能够帮助降低MCU处理功率，并缩短其执行周期。

除了接收、发送和空闲3 种工作状态外，芯片还有3种低功耗运行模式：掉电模式、睡眠模式、休眠模式。其工作频率是2. 405~2. 480 GHz,并在频带内划分16个信道，每个信道占用5 MHz的带宽，采用直接序列扩频的通信技术，数据传输速率为250 kb / s.芯片采用可编程功率输出模式，发送功率为0~4 dBm,接收灵敏度可以达到92 dBm,传输距离为30~70 m.LPC2138芯片是支持实时仿真和嵌入式跟踪的32 bit ARM 7微控制器。它带有512 KB嵌入的高速F lash存储器和32 KB片内静态RAM以及多个串行接口， 2个8通道10 bit A /D转换器， 1个D /A转换器和47个GP IO,以及多达9个边沿或电平触发的外部中断。

LPC2138有两种低功耗模式：空闲模式和掉电模式。由于具有较小的封装和极低的功耗，使LPC2138可以理想地与MC13192结合，作为基于ZigBee技术的无线传感器网络节点。LPC2138和MC13192通过SP I总线连接。LPC2138通过4线SP I接口对MC13192 的内部寄存器进行读写操作，从而完成对MC13192 的控制以及数据通信。由传感器输出的模拟信号经过8 通道10 bit A/D变换后输入到L PC2138中， LPC2138将传感器采集的信号经处理后从天线发射出去。

对传感器的控制信号可以从天线接收进来，经过解调、解扩得到原始的数据， 再通过SPI传送到LPC2138 上， 经过LPC2138 判断处理后通过GPIO口传送到传感器上， 以实现对传感器的控制。

核心板与各种传感器相连构成传感器节点，与自然光控制板和人工照明控制板相连构成控制器节点，扩展串行通信接口后构成协调器节点与基站PC机实现通信，扩展供电接口与电源模块相连。节点硬件框架如图2所示。

图2　Z igBee网络节点硬件框架图

根据节点类型、节点需要的发射功率和能耗，电源模块分为市电、太阳能与电池3种。协调器节点发射功率大， 采用市电供电；控制器节点与控制板相连，以驱动相应电路进行自然光及人工照明控制，因此，控制器节点可以和控制板同样采用市电供电；室外传感器节点采用太阳能供电；其他节点采用电池供电 .

3 照明控制设计

照明控制设计需要避免眩光，尽可能利用自然光作为光源，以人工照明为补充，满足室内人员的照明需要。为了避免眩光，保护视力，需要确定百叶窗的最大旋转角度。为了满足室内人员对照明的需要，需要确定百叶窗的理想旋转角度。通过对两者进行比较，可以确定百叶窗旋转角度。当理想旋转角度最大旋转角度，则把百叶窗旋转到理想角度，人工照明关闭，反之，如果理想旋转角度>最大旋转角度，则使百叶窗保持在最大旋转角度，不足的照明通过人工照明进行补充。其整体思路流程图如图3所示。

图3　照明控制流程图

3. 1 最大旋转角度子系统

最大旋转角度子系统的任务是得到避免眩光基础上百叶窗的最大旋转角度。该子系统选用模糊控制器实现， 输入为室外水平照度、窗户参数、太阳高度角和太阳方位角，输出为百叶窗的最大旋转角度。

3. 1. 1 输入量的获取

室外水平照度可由传感器获得，窗户参数由具体房间窗户相关信息确定，式（1）和式（2）分别用来计算太阳高度角和太阳方位角。

其中：α为太阳高度角； Az 为太阳方位角； φ为房间的地理纬度；δ为赤纬； ω为时角。以上单位均为度。

在计算太阳高度角和太阳方位角所需的三个值中，房间的地理纬度（φ）可由房间的具体位置确定，赤纬（δ）和时角（ω）则需另外计算得到。

赤纬（δ）表示太阳光线与地球赤道面的夹角，可通过式（3）计算得到。

其中： n为一年中某日的日期序数。

时角（ω）以当地真太阳时正午为0 °，下午为正，上午为负，每小时15°，如表1所示。

表1 时角

3.1.2 模糊控制规则。

对该系统而言，制定模糊控制规则的主要依据是避免眩光，即当太阳位置接近于水平其直射，光照影响人们的视力时应关闭百叶窗；当只有漫射光时， 对百叶窗的最大旋转角度没有要求。

3. 2 理想旋转角度子系统

百叶窗理想旋转角度子系统的任务是得到在自然光提供的室内水平照度满足用户需要时百叶窗的理想旋转角度。由大量实际测量的经验数据可以建立自然光在室外的垂直照度、自然光在室内提供的水平照度，以及百叶窗旋转角度的百叶窗旋转角度对应模型表。根据自然光在室外的垂直照度和用户自定义设置的室内理想水平照度值，通过查询照度- 百叶窗旋转角度对应模型表可以得到百叶窗的理想旋转角度。

在这里不直接应用室内实际水平照度值， 而是将其用来检验并修正模型表，这样做既可避免闭环控制的产生，又能够在传感器暂时出错的情况下保持较好的控制。

4 结 语

本文介绍了一种基于ZigBee无线传感器网络和模糊控制的新型室内照明控制系统。该系统综合考虑了室内的遮阳系统与照明系统之间的相互联系， 整个系统最大限度地利用了天然光，通过对百叶窗旋转角度的控制，引入自然光作为光源，并以人工照明为补充使室内照明满足用户的需要。该系统能够有效地降低照明系统能耗，为人们构建节能、舒适的居住环境提供了一个有效方案。