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2016年3月30日 星期三
‧ 2016\03\30\ 3S Market Daily 智慧產業新聞資訊平台
‧ 基於 ZigBee 無線網路技術的地下停車場照明節能控制系統研發
來源：《電氣&智能建築》 作者：楊超 魏東 莊俊華
隨著城市居民擁有汽車的數量不斷增加，城市地下停車場建設數量也在逐年遞增，造成地下停車場照明系統能耗的不斷攀升，為節約能源，需要研究地下車庫照明系統的節能控制策略。
目前各大城市的地下停車場普遍存在「長明燈」現象，造成了大量能源的浪費。地下車庫的電費和管理費已經成為一項巨大的物業費用支出。傳統的地下停車場照明系統存在著智慧化程度低、佈線複雜、維護困難等問題。
1 前言
設計一種智慧化程度高、節能效果顯著、設備佈置靈活、維護方便的照明控制系統，是城市地下停車場照明系統發展的必然方向。從地下停車場照明系統的成本、安全性、智慧化、應用前景等方面考慮，本文採用無線網路技術，開發了地下停車場照明系統控制網路，以充分利用無線感測器網自組織、廉價和靈活的技術優勢，使照明系統節約能源，且控制網路組網和維護簡單易行。
2 基於CC2530晶片的無線網路開發技術
無線網路技術結合了嵌入式電腦技術、感測器技術、通信技術，以及分散式資訊處理技術，可對無線網路分佈區域內環境，或監測物件的各種資訊進行即時監測、感知和採集，並可通過無線多跳網路，將資訊傳送到相關使用者終端實現設備控制。
將無線網路技術引入到城市地下停車場照明系統中，可實現地下停車場照明系統的節能控制。CC2530晶片由無線收發器、增強型工業標準的8051MCU，以及相關儲存模組，具有相容IEEE802.15.4標準，和內置Z-STACK棧等優點，廣泛應用於遠端控制、消費型電子、家庭控制、計量和智慧能源、建築自動化和醫療等各個領域。
本文結合CC2530晶片優良的RF收發功能、工業級增強型的805MCU處理能力，以及開發功能強大等特點，設計開發了基於ZigBee無線網路技術的地下停車場照明節能控制系統。
所開發的控制系統能實現車來燈亮、車去燈滅的功能，即當有車或人在地下停車場移動時，控制系統中的檢測節點，將所感知到的信號微波信號，並轉化成網路信號，通過無線網路發送給控制節點，此時控制節點在接收到相關信號後，會控制相應照明迴路點亮相應車道的照明燈，否則燈不開啟，從而達到節能的目的。
3 系統結構以及軟硬體設計
3.1 系統結構
本文開發的地下停車場照明節能控制系統，主要由感測器終端節點（sensor end-device）、照明控制終端節點（lighting
controlling end-device）、路由節點（router），以及協調器節點（coordinator）組成。
其中感測器終端節點負責採集人或者車的移動信號，並發送無線控制信號；照明控制終端節點負責接收無線控制信號，並控制照明迴路燈的亮滅；路由節點則負責傳遞資訊，並搜尋地下停車場應用無線網路，可拓展網路區域，以使更多的終端節點加入網路；協調器節點負責建立和啟用無線網路，同時負責傳輸無線網路信號，管理無線網路節點，並儲存無線網路節點資訊，此外還需承擔與上位機通信等功能；上位機軟體負責無線網路系統的組網配置等任務，整個系統如圖1所示。
圖中，感測器終端節點，主要由雙鑒感測器和無線收發器組成，根據多普勒原理，雙鑒感測器發出無線電波，當無線電波在傳輸過程中，感知到人或車時該電波會被反射，反射波的頻率會隨所感知的物體移動狀態變化而變化，此時感測器終端節點中的無線發送器，將以廣播發送方式，將車輛或者人的移動資訊，發送至相應的照明控制終端節點。
照明控制終端節點，主要由繼電器和無線收發器組成，當該節點鐘的無線接收器，接收到感測器終端節點發來的車輛，或者人移動的資訊時，繼電器得電，並控制相應照明迴路燈亮，否則不產生反應。
圖中的路由節點主要由無線收發器組成，負責轉發無線網路信號，即傳遞無線網路的組網資訊和控制信號；協調器節點主要由無線收發器和EIA485模組組成，負責發送無線網路組網資訊，承擔與上位機通信功能，並完成節點之間的綁定，以實現感測器終端與控制終端的一對多、多對一、或者多對多控制關係的靈活配置。
3.2 系統的硬體設計與開發
要實現地下停車場無線控制網路的功能，需要開發三種類型的節點，即協調器節點、路由器節點和終端節點。上述節點均採用CC2530作為核心晶片進行開發。
3.2.1 協調器節點的硬體設計與開發
協調器節點是整個網路部署的核心，主要負責啟動網路、協助建立網路中的安全層，以及處理應用層資訊，當整個網路啟動和配置完成之後，它的功能就會退化成為一個普通的路由器節點。
將協調器節點放置在地下停車場的控制中心，可以將地下車庫的資訊上傳到上位機，方便地下車庫管理人員對地下停車場的管理和維護。本文利用EIA485接口實現協調器節點與上位機通信，協調器節點結構如圖2所示。
3.2.2 路由器節點的硬體設計與開發
路由節點的主要功能是提供接力作用，以擴展資料傳輸距離，它是ZigBee
網路的樞紐。每個路由器可以無線連接6個路由器，以及20個終端設備。在進行無線網路設計時，需要根據地下停車場終端節點數量的不同，合理分佈路由器位置，使地下停車場每個終端節點，都位於無線網路區域內，路由器節點結構如圖3所示。
3.2.3 終端節點的硬體設計與開發
終端節點分為感測器終端節點和照明控制終端節點，其中感測器終端節點負責採集人，或者車的移動信號，並將其發送給照明控制終端節點。感測器終端節點主要由資料獲取單元（雙鑒感測器模組）、通射頻模組、電源模組、位址模組以及儲存模組組成；照明控制終端節點主要由控制單元（繼電器模組）、通射頻模組、電源模組、位址模組以及存儲模組組成，其結構如圖4所示。
圖4中的採集單元利用雙鑒感測器檢測外部環境人或者車的移動狀態，然後輸出TTL電平，輸出高電平3.3V時表明有人員，或者車輛在地下停車場移動；控制單元則利用繼電器模組控制照明迴路的開啟；圖4中的位址模組利用採用撥碼開關，來設置終端節點的物理位址，方便完成節點綁定和組網功能；儲存模組採用C2401來存儲需要綁定節點的物理位址。
終端節點中的電源模組，利用變壓器和整流電路，將220V的交流電轉換成5VDC供繼電器使用，並通過LM1117-3.3穩壓晶片，將5V電壓轉換成3.3VDC，供CC2530無線模組和感測器使用，其硬體如圖5所示。
3.3 系統的軟體設計與開發
系統中需要開發的軟體，包括ZigBee節點軟體和上位機軟體。其中節點軟體程式，直接利用Z-STACK協定棧提供的函數進行開發，即直接使用協訂棧提供的API函數來開發地下停車場無線節點的應用程式。
為了方便管理API函數，Z-STACK採用了即時操作系統（Operating System
Abstraction Layer ,OSAL），通過OSAL使Z-STACK支援多工運行的系統資源配置，從而節省任務處理時間。在節點程式開發時，首先調用Z-STACK提供的組網函數和加入網路函數，實現無線網路的建立，以及路由節點和終端節點的加入。
在此基礎上，感測器終端節點還需調用Z-STACK提供的無線資料發送函數afStatus_tAF_DataRequest()，以便能夠廣播發送雙鑒感測器檢測的地下車庫人或者車輛的移動資訊。繼電器終端節點需調用Z-STACK提供的無線資料發送函數ControlApp_MessageMSGCB()，以便能夠接收感測器終端節點發來的控制資訊，進而控制繼電器的開關狀態，實現車來燈亮，車去燈滅。
3.3.1 ZigBee節點軟體設計與開發
要完成照明控制和網路資訊傳輸功能，需要分別開發終端節點、協調器節點和路由器節點的應用程式。
協調器節點上電後，首先採用osalInitTasks()函數對Z-STACK初始化，然後掃描通道以及評估空閒通道，並從中選擇合適的工作通道，和網路辨識字，啟動ZigBee網路發送超幀，然後等待ZigBee呼叫終端節點的連接請求，並對終端節點發來的資訊進行認證，以確認是否是合法節點發來的資訊，待確認無誤後，協調器節點將發出連接命令，實現終端節點與協調器的連接，從而組成ZigBee網路。
當上位機向協調器節點發送綁定請求時，協調器節點首先對綁定命令進行判斷，確認是綁定命令後，協調器節點將廣播發送目標節點的位址，並等待目標節點的應答，此時再廣播發送需要綁定的節點位址，最後發送結束命令。協調器節點程式流程如圖6所示。
路由器節點上電後，首先初始化Z-STACK，然後開始掃描通道，尋找可加入的網路。當路由器節點檢測到ZigBee網路協調器節點，發來的超幀信號時，該路由器節點向協調器，或者路由器發送建立連接的請求，建立路由器與協調器的連接，此時路由器節點將獲得協調器節點的標識號，從而成功加入網路。
當路由器節點接收到終端節點發來的連接請求，路由器節點將會對終端節點發來的資訊進行認證，在確定是合法節點發來的資訊後，路由器節點將發送連接命令，以實現終端節點與路由器的連接，從而使終端節點加入網路。
終端節點上電後，首先初始化Z-STACK，然後開始掃描通道，尋找可加入的網路。當終端節點檢測到協調器節點發送的超幀信號時，將向協調器或者路由器發送建立連接的請求，在獲得協調節點的標識號後，終端節點即完成了加入網路操作。
當終端節點接收到綁定命令時，需要將目標位址與本節點位址進行對比，當目標位址與本節點位址相同時，終端節點將儲存所接收到的綁定資訊，否則終端節點不產生動作。
當感測器終端節點檢測到雷達信號時，將通過ZigBee網路向照明控制終端節點廣播，發送繼電器觸發信號，同時發送該感測器終端節點的位址；當照明控制終端節點檢測到繼電器觸發資訊時，將所儲存的位址與接收到的感測器終端節點，廣播發送過來的位址進行對比，當兩者相同時觸發繼電器控制相應照明迴路燈點亮，並延時5分鐘將照明燈關閉，否則不產生反應。感測器終端節點程式流程如圖7所示。
其中，Sensor End-device的接收函數的部分程式碼如下：
afStatus_t_AF_DataRequest(afAddrType_t*destAddr, //定義了目的節點的網路位址以及發送資料的格式
endPointDesc_t*srcEP, //定義了目的節點的埠資訊
uint16 cID,
//描述命令號
unit16 len,
//發送資料的長度
uint8 *buf,
//發送資料緩衝區的指標
unit8*transID,
//發送序號指針
unit8 options,
//預設值
uint8 radius
//預設值)
3.3.2 上位機軟體設計與開發
上位機軟體需要實現上位機與協調節點之間的資料傳輸，並在此基礎上完成網路配置功能。上位機通過EIA485接口向協調器節點發送網路配置資訊。上位機軟體基於.NET framework
2，使用Microsoft Visual Studio 2013環境開發，C#為主要開發語言。
上位機軟體在配置終端節點的綁定關係之前，首先需要掃描網路，以查詢網路中佈署了哪些節點，並查詢節點的相關資訊，在此基礎上，操作人員可以利用網路配置介面對ZigBee網路中的感測器終端節點，與照明控制終端節點進行網路配置，並可通過接口，將配置資訊發送到協調器節點，協調器節點此時需要以廣播方式，將接收到的網路配置資訊發送給ZigBee網路上的各個節點。
4 系統功能實現
地下停車場照明控制系統由協調器節點、若干路由器節點，以及負責檢測或控制的終端節點組成，地下停車場照明系統網路節點佈置如圖8所示。
當有車輛進入地下停車場時， 圖8中的L1測到車輛移動資訊後，與雙鑒感測器相連的單片機引腳配置為高電平觸發中斷，這樣當雷達感測器產生高電平信號時，將觸發中斷，此時L1廣播發送繼電器觸發信號，以及L1的節點資訊；觸發與L1綁定的C1的繼電器線圈，該車道的照明迴路開啟，並且延時5分鐘。
同理，當車向左轉彎時，將觸發L7的雙鑒感測器，並廣播繼電器觸發信號以及L7的節點資訊，觸發與L7綁定的C2的繼電器，開啟相應的照明迴路，並延時5分鐘。當車在車位停車時，會觸發車位上方的感測器終端節點L5，觸發與L5綁定的C4的繼電器，開啟車位上方的照明迴路，並且延時5分鐘。當車出停車場時候，將觸發L2的雙鑒感測器，廣播繼電器觸發信號，觸發與L2綁定的C1的繼電器，開啟相應車道的照明回路。
5 結論
本文利用CC2530晶片設計，開發了基於ZigBee網路的地下停車場照明節能控制系統，在對地下停車場照明功能與特點，進行深入分析的基礎上，設計開發了無線網路協調器節點、路由器節點，以及感測器終端節點，和照明控制終端節點。
在進行軟體發展時，對Z-STACK協議棧進行了深入研究，在此基礎上對其進行了二次開發，完成了組網配置功能，所開發的控制網路能夠根據，人或車移動狀態控制照明等狀態的功能，達到了節能控制的目的，解決了傳統地下停車場照明控制系統管理落後、能源消耗大、維護困難以及佈線複雜等問題。
作者簡介
楊超 男，1989年生，碩士研究生，研究方向建築設備控制與節能。
‧ 21% 美國家庭已用上智慧家居
最新資料表明，美國有21%的家庭使用了智慧家居技術或者產品，還有36％的美國家庭被認為是有潛在消費需求的。
根據Strategy
Analytics最近的研究表明，越來越多的零售商已經看到了日益增長的智慧家居的銷售需求。根據這個調查顯示，其中36%的人使用Nest產品的，有16%的人已經結婚，並且擁有智慧手機和平板電腦。其中來自高收入家庭的年輕女性，佔到13%；另外還有7%的沒有帶孩子的男性。
這個並不是說這些類別沒有變化，很多消費者對於智慧家居的技術，和產品的選擇，還是比較困惑的，因為他們無法從產品來判斷，不過大家還是會依據品牌來判斷，比如智慧手機的發展一樣，蘋果、三星的進入後，整個行業發展非常快。
“但是目前以技術型消費為主的消費者，根據互聯網和youtube等視訊網站的資訊共用，能夠實現對智慧家居技術的瞭解和產品的安裝，這將是非常有利於零售管道發展的。”一家物聯網公司的總監說，“我們的研究表明，更多的消費者還是非常希望實現安全和智慧的，隨著人口老齡化的加深，越來越的人希望智慧家居，能夠起到照顧老人和家庭能源管理的作用。”
我們希望安全、方便、舒適能夠在家裡的每個角落實現，我們的零售商願意提供必要的產品和服務來保障智慧家居的實現。
來源：twic
‧ 智慧家居選 WiFi 模組 是餡餅還是陷阱？
來源：慧聰國際
前幾年無人問津的智慧家居，如今自帶的光環總算開始發光發熱， 令人心癢和眼饞。可是，無論如何愛在心、看在眼，想立馬有所作為，爭得一方智慧家居市場，快速搭上物聯網高速列車，實非守株待兔可行，更非天上掉餡餅能得。
智慧家居是未來發展方向，做智慧家居也是大勢所趨、人心所向，所以凡是與“家”或“網”的公司無不為之傾心，互聯網公司、家電商、手機廠商、房地產商等紛紛拜倒。谷歌不惜“數擲千金”，先後以32億美金拿下智慧家居設備提供商NestLabs，5.55億美金收購雲端攝像頭廠商Dropcam;蘋果看似“漫不經心”，卻推出了智慧家居平臺Homekit;三星則不但擁用智慧家電、智慧手錶，而且又以2億美金收購了智能家居平臺SmartThings……。這一切都不足為奇。
大企業的參與為其他公司指明了方向，不過更誘人的是一些相關資料。“2014年2月12日英國JuniperResearch研究報告指出，2018年智慧家居市場總規模將達到710億美元，比2013年的330億美元翻一番。根據中國科學院物聯網研究發展中心的研究分析，2018年中國智慧家居市場規模將達到1396億元，占全球市場32%。”
毫無疑問，從資料上來看，智慧家居就是“流奶與蜜之地”，但殊不知，今天的智慧家居雖然“錢”景光明、潛力無限，倘若走錯了路、上錯了道，難免會跌入深淵，粉身碎骨。極其活躍的智慧家居背後其實暗流湧動、殺機四伏，而“免費”模組可能就是目前最好的陷阱，或者說毒藥。
對於谷歌、蘋果、三星等世界頂級公司來說，進入智慧家居領域並不難，就算搞起物聯網也都是分分鐘的事兒，即便不能馬上登上巔峰，超越大多數小公司還是有把握的。一些傳統公司就沒有那麼幸運了，智慧家居的肥肉在嘴邊就是吃不到，特別傳統家電商想實現智慧升級總顯得力不從心，而不實現智慧升級又必將被潮流所淹沒，有點無可奈何。
擔心好像是多餘的。解決問題的辦法總是與問題一同產生，於是智慧模組就成了傳統家電廠商的一根“救命”稻草，尤其是WiFi模組。
無論從哪個角度來看，WiFi模組都不鮮見，但真正在智慧家居領域火起來還是在今年。在今年1月15日舉行的小米旗艦新品發佈會上，小米推出了應用於家電設備的通用智慧模組，價格只需22元，接近成本價，買不來吃虧，買不來上當，且以後會更便宜，只需10塊錢，傳統家電廠商拿走，傳統家電一秒變智慧;智慧家電廠商拿走，智慧家電一秒解決連接複雜問題。
可以說，小米已經做得很到位了，但“一山還有一山高，一價更比一價低”，小米22元夠便宜，可這邊兒還有“老冰棍兒”價的呢。接著的事，大家都看到了，中國的360公司推出一款針對智慧家居的WiFi晶片模組(簡稱360智連模組)，價格就是一塊錢，有點“你給我一根老冰棍兒，我還你一個智慧冰箱”意思。誰還能有老周“仗義”，一個模組一塊錢?別提，這次還真有更“仗義”的。
模組就好像中了價格戰的魔，什麼一塊錢，他一塊錢，我免費送給你，他免費送給你，我提供技術支援，他提供技術支援，我幫你開拓管道，總之就是要助你扶搖直上，早登智慧家居極樂世界。可是，“2018年市場總規模將達到710億美元”的智慧家居餡餅這樣就有了自己的一份了?簡直，Soeasy!如果真是這樣想，只能說“圖樣圖森破”。
天下真有免費的午餐?有沒有，看看免費的WiFi模組有什麼用就清楚了。
相關專業人士認為，WiFi模組的最重要作用其實就是使傳統家電、門鎖、燈泡、開關等設備具備接入互聯網的功能，進而實現用手機遠程控制。簡單來說，傳統家電、門鎖、燈泡、開關等設備也就成了模組提供商眼中的“智慧設備”，而這些獲得低價或免費模組的廠商瞬間也就成了“智慧設備提供商”。
且不說，這種模式打造的設備算不算智慧設備，現在的問題是，那些模組提供商到底在圖什麼，難道就是單純地為了推動行業發展?還是為了做慈善?
更深層次來看，傳統設備廠商看似從中獲益，實質則在不知不覺中成為“傀儡”。智慧家居是軟硬體結合物，需要不斷的更迭和升級，植入WiFi模組的設備同樣如此。但是，傳統廠商雖然暫時將設備進行了智慧化(聯網)升級，其所謂的內核WiFi模組的實際控制權卻仍在模組提供商手裡。條件成熟、時機成熟，完全可以進行釜底抽薪，將傳統廠商剔除出局。如果WiFi模組確要升級，傳統廠商恐怕只會得不償失。
有些模組提供廠商會將模組稱為DNA，這種表述簡直再恰當不過，並且相當有水準。傳統設備植入模組，進而升級為智慧設備，模組確實類似DNA，實在高大上到不行。然而，考慮到“引導生物發育與生命機能運作”的DNA自己都無法掌握，一旦DNA“突變”，傳統廠商還能得到什麼呢?到頭來，不但不能將自己推上智慧家成廠商的位子，最終還有可能賠了夫人又折兵。
當然，我們應該相信，世界是美好的，人心是善良的，或許的確存在一心做慈善的商業“活菩薩”，願意普渡眾生，願意為了説明傳統設備廠商，而免費提供模組，就是這麼地與人為善。唉，對啦，那誰，“活菩薩”，這邊很缺錢用，做點善事吧。