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。
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