引言

智慧教室的燈光控制是物聯(lián)網(wǎng)的一項(xiàng)重要應(yīng)用。因此,從系統(tǒng)硬件、軟件和協(xié)議數(shù)據(jù)格式上，對(duì)智慧教室的燈光控制系統(tǒng)進(jìn)行全面的設(shè)計(jì)，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用推廣和節(jié)能減排,都具有重要的應(yīng)用示范價(jià)值與實(shí)用性意義。

1總體架構(gòu)

智慧教室燈光控制系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由信息感測(cè)節(jié)點(diǎn)（ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)）、智能處理平臺(tái)以及繼電器節(jié)點(diǎn)組成。系統(tǒng)中的三種功能節(jié)點(diǎn)采用ZigBee協(xié)議構(gòu)成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）。智能處理平臺(tái)在WSN中擔(dān)任ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，信息感測(cè)節(jié)點(diǎn)及繼電器節(jié)點(diǎn)擔(dān)任ZigBee終端節(jié)點(diǎn)。

信息感測(cè)節(jié)點(diǎn)主要通過(guò)傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境信息的感知及采集，如光照強(qiáng)度、人體感應(yīng)數(shù)據(jù)，并通過(guò)ZigBee協(xié)議將采集結(jié)果傳至信息處理平臺(tái)。

信息處理平臺(tái)中，ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)接收感知數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)RS232串口傳送到應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)，應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)對(duì)收到的采集結(jié)果進(jìn)行分析、決策后，將控制命令從RS232發(fā)往ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議將控制命令發(fā)送到繼電器。

繼電器節(jié)點(diǎn)通過(guò)ZigBee協(xié)議接收Z(yǔ)igBee協(xié)調(diào)器發(fā)來(lái)的控制命令，執(zhí)行開(kāi)或關(guān)燈的指令。

ZigBee無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議不需要獨(dú)立的硬件設(shè)備，而是以無(wú)線(xiàn)通信模塊的形式，在信息感測(cè)節(jié)點(diǎn)、信息處理平臺(tái)和繼電器節(jié)點(diǎn)中均需要實(shí)現(xiàn)。

2硬件設(shè)計(jì)

2.1信息感測(cè)節(jié)點(diǎn)

信息感測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件上由傳感器、微處理器、無(wú)線(xiàn)通信模塊、電池組成。圖2所示是信息感測(cè)節(jié)點(diǎn)的組成圖。在設(shè)計(jì)上，為了降低成本，并提高硬件的可擴(kuò)展性和靈活性，信息感測(cè)節(jié)點(diǎn)的微處理器及無(wú)線(xiàn)通信模塊可采用選用相同的ZB2430底板實(shí)現(xiàn)，其核心芯片是TI公司的CC2430,ZB2430電路原理圖如圖3所示。傳感器選用插件式的硬件設(shè)計(jì)，通過(guò)ZB2430的1/O擴(kuò)展口與ZB2430相連，信息感測(cè)節(jié)點(diǎn)只在傳感器插件上不同。根據(jù)智慧教室燈光控制的實(shí)際需要，選用了光照、人體兩類(lèi)傳感器，共兩類(lèi)信息感測(cè)節(jié)點(diǎn)。

2.2信息處理平臺(tái)京更件

信息處理平臺(tái)硬件上采用DMATEK的DMA210XP整合平臺(tái)，其集成了應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)和ZigBee協(xié)調(diào)器端功能，ZigBee協(xié)調(diào)器端接收從感測(cè)節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)，并通過(guò)串口傳輸?shù)綉?yīng)用開(kāi)放平臺(tái)，由其對(duì)感測(cè)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的分析、處理和顯示，其組成圖如圖3所示。

ZigBee協(xié)調(diào)器端采用DAMTEK的ZB2430-03實(shí)現(xiàn)，ZB2430-03的硬件組成與信息感測(cè)節(jié)點(diǎn)的ZB2430完全一致，只在軟件上不同，通過(guò)在軟件上定義ZB2430為從模塊(終端)、

ZB2430-03為主模塊(協(xié)調(diào)器)，實(shí)現(xiàn)信息在兩者間通信。

應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用具有先進(jìn)ARMCortexA8核心的SamsungS5PV210處理器，該處理器采用ARMCortexA8核心，DMA210XP應(yīng)用平臺(tái)結(jié)合ZigBee無(wú)線(xiàn)感測(cè)，實(shí)現(xiàn)智慧教室燈光控制的應(yīng)用。

2.3繼電器節(jié)點(diǎn)京更件

繼電器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)與信息感測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件類(lèi)似，但沒(méi)有傳感器模塊。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1信息感測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件

信息感測(cè)節(jié)點(diǎn)的軟件可采用嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方式與流程，開(kāi)發(fā)工具為IAR。本系統(tǒng)共涉及光照、人體兩類(lèi)傳感器,這兩類(lèi)傳感器獲取到的數(shù)據(jù)格式略有不同。具體如下：

相同部分：

#defineMAX_SEND_BUF_LEN128//定義發(fā)送緩沖區(qū)長(zhǎng)度上限

staticuint8pTxData[MAX_SEND_BUF_LEN]；//定義發(fā)送緩沖區(qū)的大小

/*填充發(fā)送緩沖區(qū)，對(duì)5類(lèi)傳感器均相同，開(kāi)始*/

pTxData[0]=0xFF；

pTxData[1]=0xFD；

pTxData[3]=4；

pTxData[8]=0；

pTxData[9]=0；

pTxData[10]=CheckSum(pTxData，10)；//校驗(yàn)和/*填充發(fā)送緩沖區(qū)，對(duì)2類(lèi)傳感器均相同，結(jié)束*/不同部分有光電傳感器的數(shù)據(jù)獲取與處理：

unsignedintADC_GetValue(void)//獲取傳感器采樣數(shù)據(jù)

{

unsignedintadcValue=0；

adcValue=adcSampleSingle(ADC_REF_AVDD，

ADC_12_BIT，HAL_BOARD_IO_ADC_CH)；

returnadcValue；

}

/*對(duì)采樣數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，開(kāi)始*/

ADC_VALUE=ADC_GetValue()*3.3/16384/2；

pTxData[4]=(uint8)ADC_VALUE%10+48；

pTxData[5]=(uint8)(ADC_VALUE*10)%10+48；

/*對(duì)采樣數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，結(jié)束*/

pTxData[6]=0x00；//填充發(fā)送緩沖區(qū)

pTxData[7]=0x00；//填充發(fā)送緩沖區(qū)

人體傳感器的數(shù)據(jù)處理：

pTxData[4]=HAL_INT_VAL()；

pTxData[5]=0x00；

pTxData[6]=0x00；

pTxData[7]=0x00；

信息感測(cè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序?qū)鞲衅鳒y(cè)量值的獲取、轉(zhuǎn)換、緩存及無(wú)線(xiàn)發(fā)送功能可采用如圖4所示的程序流程來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖4信息感測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理流程圖

3.2信息處理平臺(tái)軟件

信息處理平臺(tái)的ZigBee協(xié)調(diào)器模塊通過(guò)ZigBee點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，負(fù)責(zé)接收和匯聚各傳感器采集到的感測(cè)信息,并將接收到感測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)RS232串口傳輸?shù)綉?yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)；同時(shí),負(fù)責(zé)從RS232串口接收從應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)下達(dá)的控制命令,并通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議將控制命令發(fā)送到ZigBee繼電器節(jié)點(diǎn)(電燈)。具體程序流程如圖5所示。

3.3繼電器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，用ZigBee繼電器模擬教室電燈，ZigBee繼電器通過(guò)ZigBee點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議接收Z(yǔ)igBee協(xié)調(diào)器發(fā)來(lái)的控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)各繼電器(電燈)的打開(kāi)及關(guān)閉控制。其ZigBee繼電器程序流程如圖6所示。

圖6繼電器節(jié)點(diǎn)程序流程圖

4ZigBee點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信參數(shù)及數(shù)據(jù)格式設(shè)計(jì)

ZigBee點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信參數(shù)設(shè)計(jì)

對(duì)Zigbee點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信參數(shù)的設(shè)置，有RF_CHANNEL、PAN_ID、SENSOR_ADDR、COORD_ADDR四項(xiàng)。ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)模塊、ZigBee繼電器模塊、ZigBee協(xié)調(diào)器模塊的RF_CHANNEL、PAN_ID設(shè)置一致；無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)模塊的SENSOR_ADDR為無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)地址；無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)模塊的COORD_ADDR為發(fā)送地址，要與協(xié)調(diào)器模塊的COORD_ADDR設(shè)置一致；繼電器模塊的RELAY_ADDR為繼電器地址，要與協(xié)調(diào)器模塊的RELAY_ADDR設(shè)置一致。本設(shè)計(jì)采用的設(shè)置如下：

#defineRF_CHANNEL22//頻道11~26

#definePAN_ID0x1122//網(wǎng)絡(luò)id

#defineCOORD_ADDR0x5566//協(xié)調(diào)器地址

#defineRELAY_ADDR0x7788//繼電器地址

ZigBee無(wú)線(xiàn)通信數(shù)據(jù)格式設(shè)計(jì)

4.2.1協(xié)調(diào)器接收格式

本設(shè)計(jì)的發(fā)送端傳感器格式(byte1-byte10)如圖7所示。

圖7中，byte1,byte2:傳感器端數(shù)據(jù)發(fā)送的固定頭，固定為OxFA,0xFB；byte3:數(shù)據(jù)類(lèi)型的標(biāo)識(shí)，例0x01人體,0x02光照；byte4：為傳感數(shù)據(jù)長(zhǎng)度(統(tǒng)一為0x04)；byte5-byte8:傳感器采集到的具體數(shù)據(jù)；byte9:保留；byte10:byte1-byte9校驗(yàn)值(相加取低8位)。

4.2.2協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)格式

本設(shè)計(jì)的接收端為電燈(繼電器)，格式(byte1-byte10)如圖8所示。

圖8中，byte1，byte2:Coordinator端數(shù)據(jù)發(fā)送控制繼電器命令的固定頭0xFA,0xFB；byte3:Coordibator端數(shù)據(jù)發(fā)送對(duì)象，是繼電器序號(hào)；0x01:發(fā)送命令給繼電器1端,表示電燈1；0x02:發(fā)送命令給繼電器2端，表示電燈2；0x03:發(fā)送命令給繼電器3端，表示電燈3；0x04:發(fā)送命令給繼電器4端，表示電燈4,以此類(lèi)推；byte4:命令長(zhǎng)度,固定為0x04；byte5:發(fā)送給繼電器的命令內(nèi)容(0x02為關(guān)閉,0x01為開(kāi)啟)；byte6-byte9:保留；byte10:byte1-byte9校驗(yàn)值(相加取低8位)。

4.2.3電燈(繼電器)應(yīng)答數(shù)據(jù)格式

本設(shè)計(jì)的接收端，即協(xié)調(diào)器的格式(byte1-byte9)如圖9所示。

圖9中，byte1-byte4:表示收到的數(shù)據(jù)原值返回；byte5-byte8:應(yīng)答碼，固定為0xAA0xBB0xCC0xDD；byte9:是byte1-byte8的校驗(yàn)值(相加取低8位)。

5結(jié)語(yǔ)

智慧教室的燈光控制是物聯(lián)網(wǎng)的一項(xiàng)重要應(yīng)用，本文從硬件、軟件和協(xié)議數(shù)據(jù)格式上對(duì)智慧教室的燈光控制系統(tǒng)進(jìn)行了較為全面的設(shè)計(jì)，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用推廣、節(jié)能減排等方面都具有重要的應(yīng)用價(jià)值與實(shí)用性，只需在軟件上和傳感器插件上做少量改動(dòng)，本系統(tǒng)的應(yīng)用還可進(jìn)一步推廣，如應(yīng)用到倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控、智慧家居等方面，具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。

20211223_61c35901c9525__智慧教室燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)