基于ZIGBEE技術(shù)的無(wú)線(xiàn)定位系統研究開(kāi)題報告

基于ZIGBEE技術(shù)的無(wú)線(xiàn)定位系統研究開(kāi)題報告

　　摘要：本次選擇AT89C51單片機的主控芯片作為教室LED照明智能控制器，通過(guò)熱釋電紅外傳感器感應從而能判斷出教室內有人無(wú)人，通過(guò)光敏電阻感應教室內的光線(xiàn)強度，實(shí)現對教室內燈光的智能控制，避免了教室用電的大量浪費。本文詳細闡述了系統的軟件設計過(guò)程，采用模塊化的編程思想，使用C51語(yǔ)言編寫(xiě)源程序，實(shí)現教室的節能照明功能。

　　該系統具有體積小，控制方便，可靠性高，專(zhuān)用性強，性?xún)r(jià)比合理等優(yōu)點(diǎn)，可以滿(mǎn)足各類(lèi)大、中專(zhuān)院校教室燈光控制的要求，很大程度的達到節能目的。

　　關(guān)鍵詞:教室智能照明；軟件設計；熱釋電紅外傳感器；智能控制

　　1 研究背景

　　1.1研究的主要目的和意義

　　中國經(jīng)濟在持續多年高速發(fā)展后的今天，能源問(wèn)題日益突出。雖然我國能源總儲量占據之首，但由于我國人口眾多，所以人均儲量少，單位產(chǎn)值的能耗 是發(fā)達國家的3-10倍。能源問(wèn)題已成為制約我國國民經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。從環(huán)境和自然資源角度出發(fā)，能源問(wèn)題也是我國長(cháng)期可持續發(fā)展 戰略中一個(gè)重要關(guān)鍵因素。此外，能源問(wèn)題不僅關(guān)系經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境生態(tài)，在特定情況下還會(huì )對社會(huì )穩定有很大影響。隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人們的生活水平也在不斷提高，導致用電負荷的加劇，又由于世界性的能源危機，能源缺乏以成為世界所面臨的嚴峻問(wèn)題。中國城市每年用于公共照明的能源支出高達280多億，節能空間巨大。其中路燈照明能耗占30%以上。發(fā)展城市道路照明的同時(shí)，路燈以供街道照明以外，還大力興建了很多的景觀(guān)照明亮化工程，美化城市的夜景，但同時(shí)也帶來(lái)了能耗的極大浪費。據統計2010年，我國全社會(huì )的總用電量將超過(guò)5000 億kWh，新增照明用電2000 億kWh。

　　對高等院校，據測算，其照明耗電占本單位所有耗電的40% 左右，可見(jiàn)在對教室燈光進(jìn)行自動(dòng)控制，其節能效益和經(jīng)濟效益都是相當可觀(guān)的。由于大學(xué)是開(kāi)放型的管理模式，加上全員節能意識淡薄，教室無(wú)人時(shí)照明燈一直長(cháng)明，造成電能的巨大浪費，由此提高教室用電效率實(shí)現智能控制就成為首要考慮的問(wèn)題。

　　目前對燈光的智能控制，尤其是我國教室燈光的智能控制尤為缺乏和不完善，依然是傳統式的人工管理。（如華東理工大學(xué)梅隴校區教室在白天無(wú)人時(shí)日光燈依舊開(kāi)啟）各類(lèi)大、中中專(zhuān)院校不斷擴招，教室不斷擴建，教室用電負荷不斷增加，教室用電管理不善，造成學(xué)校電能浪費，經(jīng)濟損失，這種浪費與當今的節能理念相違背。再者，現代自動(dòng)化程度不斷提高，計算機技術(shù)的普及，燈光的管理也朝著(zhù)自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。于是，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便、實(shí)用的教室燈光自動(dòng)化控制系統便具有重要的現實(shí)意義。

　　1.2 研究的現狀

　　目前，國內照明大力采用高效照明產(chǎn)品代替傳統低效率照明產(chǎn)品實(shí)現節能，大力推行綠色照明工程，大量運用節能技術(shù)，不斷推出綠色光源和節能電器，采用大量的節能燈具，裝備新技術(shù)，尤其以L(fǎng)ED綠色照明改造為國家大力推行。

　　現階段，世界各國都在采取不同的方式來(lái)節約能源，節約電能。LUMA公司推出的LEP等離子體燈替換傳統照明，節能效果能達到50%，飛利浦照明公司和OSRAM公司也都在大力研究LED照明，芯片光效由以前的100lm/W提升到150lm/W,丹麥的房屋建設就對節能有很多的要求，并且居民入住有節能裝置放置時(shí)，要支付的費用比沒(méi)有節能方案房屋高出8%。單純的光源節能加上有效智能照明控制會(huì )讓節能的空間大力提升，研究智能照明控制系統是是現在的發(fā)展趨勢，綜合了照明、自動(dòng)化控制、計算機技術(shù)、電力電子技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)+的的結合，通過(guò)充分利用自然環(huán)光來(lái)減少人工照明帶來(lái)的能源消耗，真正實(shí)現情景化、自動(dòng)化、人性化的智能照明技術(shù)。常見(jiàn)的照明控制系統有飛利浦公司下屬的邦奇Dynalite智能照明控制系統，該系統主要由調光模塊、開(kāi)關(guān)模塊、控制面板、液晶顯示觸摸屏、智能傳感器、編程插口、時(shí)鐘管理器、手持式編程器和PC監控機等部件組成。采用DyNet網(wǎng)絡(luò )連接，DyNet是一個(gè)分布式智能化網(wǎng)絡(luò )，使用RS-485通訊協(xié)議。以施耐德公司為主的使用的C-Bus智能照明控制系統，C-Bus系統是一個(gè)二線(xiàn)制的總線(xiàn)型式的智能控制系統，系統所有的單元器件（除電源外）均內置微處理器和存儲單元，由一對信號線(xiàn)（雙絞線(xiàn)）連接成網(wǎng)絡(luò )。每個(gè)單元均設置唯一的單元地址并用軟件設定其功能，通過(guò)輸出單元格控制各回路負載。輸入單元通過(guò)群組地址和輸出組建立對應連接。當有輸入時(shí)，輸入單元格將其轉變?yōu)镃-Bus信號在C-Bus系統總線(xiàn)上廣播。所有輸出單元接收并做出判斷，控制相應回路輸出�？焖悸敒橹鞯氖茿BB i-Bus EIB智能安裝系統，EIB智能系統由總線(xiàn)、總線(xiàn)電源、智能傳感器（光線(xiàn)傳感器、模糊開(kāi)關(guān)、時(shí)間控制器、移動(dòng)傳感器）、智能開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器和其他智能元件（邏輯模塊總線(xiàn)耦合器）構成。每個(gè)元件就是節點(diǎn)，這些節點(diǎn)連接在一根2芯雙絞線(xiàn)介質(zhì)的總線(xiàn)上，不分主從隸屬關(guān)系實(shí)現相互之間的通訊從而實(shí)現控制和被控制。

　　2文獻綜述

　　2.1 系統設計要點(diǎn)

　　照明作為教室智能控制的子系統之一，它對教室智能控制的舒適性、經(jīng)濟性、方便性具有重要的意義。利用人體的存在信號和環(huán)境光信號的識別和智能判斷，可以有效的對教室照明進(jìn)行智能控制，避免了教學(xué)大樓照明用電的大量浪費。本設計以AT89C51單片機作為控制裝置的智能部件，采用熱釋紅外人體傳感器檢測人體的存在（沒(méi)人時(shí)教室里燈全關(guān)，有人則進(jìn)行環(huán)境燈光自動(dòng)感應進(jìn)行下步行動(dòng)），采用光敏三極管構成的電路檢測環(huán)境光的強度（照度達到時(shí)燈全關(guān)，照度不夠時(shí)燈打開(kāi)補足光照度）；在特殊環(huán)境及要求下（如多媒體教學(xué)和電影文學(xué)欣賞）可以通過(guò)手動(dòng)來(lái)控制燈的開(kāi)關(guān)。一號按鈕控制手動(dòng)與自動(dòng)，二號按鈕控制燈的開(kāi)關(guān)盞數（按0次沒(méi)燈開(kāi)，按1次開(kāi)2盞燈，按2次開(kāi)4盞燈，按3次開(kāi)8盞燈，按4次后返回到0）。

　　在本次系統設計中，設計方法的選用是系統設計能否成功的關(guān)鍵所在。硬件電路是采用結構化系統設計方法，該方法保證設計電路的標準化、模塊化。硬件電路的設計最重要的選擇用于控制的單片機，并確定與之配套的外圍芯片，使所設計的系統既經(jīng)濟又高性能。硬件電路設計還包括輸入輸出接口設計，畫(huà)出詳細電路圖，標出芯片的型號、器件參數值，根據電路圖在仿真機上進(jìn)行調試，發(fā)現設計不當及時(shí)修改，達到最終的設計目的。軟件設計的方法與開(kāi)發(fā)環(huán)境的選取有著(zhù)直接的關(guān)系，本系統由于是采用51系列單片機，因此使用匯編語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

　　2.2系統性能指標及技術(shù)要求

　　首先單片機通過(guò)按鈕1判定是自動(dòng)還是手動(dòng)，若是自動(dòng)則人體存在信號采集電路和光敏三極管采光電路先后工作判定室內是否有人，和室內關(guān)照度，單片機再決定是否開(kāi)燈，開(kāi)幾盞燈。最后通過(guò)LCD顯示開(kāi)了幾盞燈和關(guān)閉了幾盞燈。

　　手動(dòng)/自動(dòng)

　�。�1）自動(dòng)

　　A  全關(guān)

　　B  開(kāi)4盞燈

　　C  開(kāi)8盞燈

　�。�2）手動(dòng)

　　A  全關(guān)

　　B  開(kāi)2盞燈

　　C  開(kāi)4盞燈

　　D  開(kāi)8盞燈

　　2.3本課題的主要內容

　�、贌艄饪傮w控制方案的研究；

　�、跓艄饪刂茩z測方案的研究；

　�、軣後岆娂t外傳感器的信息處理；

　�、萑梭w與自然光照強度信號采集與處理；

　�、揲_(kāi)發(fā)單片機系統；

　�、邔�(shí)驗測試與數據分析。

　　2.4擬采用的研究方法或措施

　　本次課題主要研制的控制器以自然光強度和人體存在作為控制器的主要輸入參數�？梢哉嬲�的實(shí)現自動(dòng)與手動(dòng)控制相互兼容。在自然光照度達標時(shí)，無(wú)論教室是否有人存在，都不開(kāi)燈;在教室自然光照度達不到要求時(shí)候，有人存在時(shí)燈光會(huì )自動(dòng)打開(kāi)而且達到均衡的照度，有人存在時(shí)控制器自動(dòng)打開(kāi)電燈，直到人離開(kāi)后再延時(shí)120S后關(guān)燈。同時(shí)，還要改用機械開(kāi)關(guān)來(lái)手動(dòng)控制，以解決因特殊情況下，自動(dòng)控制器的不人性化運行。

　　本次課題所研究的教室燈光控制器主要是由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分是前提，是整個(gè)系統執行的基礎，它主要為軟件提供程序運行的平臺。而軟件部分，是對硬件端口所體現的信號，加以采集、分析、處理，最終實(shí)現控制器所要實(shí)現的各項功能，達到控制器自動(dòng)與手動(dòng)相結合的教室照明智能控制。

　　系統設計主要包括硬件和軟件兩大部分，依據控制系統的工作原理和技術(shù)性能，將硬件和軟件分開(kāi)設計。

　　硬件設計部分包括電路原理圖、合理選擇元器件、繪制線(xiàn)路圖，然后對硬件進(jìn)行調試、測試，以達到設計要求。硬件電路是采用結構化系統設計方法，該方法保證設計電路的標準化、模塊化。硬件電路的設計最重要的選擇用于控制的單片機，并確定與之配套的外圍芯片，使本次設計的系統既經(jīng)濟又高性能。硬件電路設計還包括輸入輸出接口設計，畫(huà)出詳細電路圖，標出芯片的型號、器件參數值，根據電路圖在仿真機上進(jìn)行調試，發(fā)現設計不當能及時(shí)修改，達到最終的設計目的。

　　軟件設計部分，首先在總體設計中完成系統總框圖和各模塊的功能設計，擬定詳細的工作計劃；然后進(jìn)行具體設計，包括各模塊的流程圖，選擇合適的編程語(yǔ)言和工具，進(jìn)行代碼設計等；最后是對軟件進(jìn)行調試、測試，達到所需功能要求。軟件設計的方法與開(kāi)發(fā)環(huán)境的選取有著(zhù)直接的關(guān)系，本系統由于是采用51系列單片機。本系統軟件設計采用模塊化系統設計方法，先編寫(xiě)各個(gè)功能模塊子程序，然后進(jìn)行組合與調整，經(jīng)過(guò)調試后，達到最終的設計功能要求。

　　2.5 系統硬件總述

　　為了使該模塊化LED顯示屏控制照明系統更加方便且靈活性高，我對本次系統的硬件做了精心設計。硬件電路包括LED燈電路、顯示電路、開(kāi)關(guān)控制電路等三大模塊。整個(gè)照明系統有人為控制部分和自動(dòng)控制部分，人為控制是靠一個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現操作的，通過(guò)重復按壓可以點(diǎn)亮更多的LED燈，而自動(dòng)控制是靠單片機控制的，我們把程序寫(xiě)入單片機后，單片機的系統時(shí)間通過(guò)顯示器顯示出來(lái)，并且利用時(shí)間來(lái)控制燈的亮與滅，用單片機的P0口做燈光輸出，P1口做顯示輸出，P2口做開(kāi)關(guān)輸入，即可完成硬件部分。在含有控制器的電路系統中，都必須要有相應的復位電路，這樣能夠使系統在上電后，很好地復位系統并使系統處于穩定的運行狀態(tài)。一般簡(jiǎn)單的復位電路可以采用RC復位，這種電路的穩定性一般、可靠性較高。

　　2.6單片機的應用技術(shù)

　　電子技術(shù)和微型計算機的迅速發(fā)展，促進(jìn)微型計算機測量和控制技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應用，單片機（單片微型計算機）的應用已經(jīng)滲透到國民經(jīng)濟的各個(gè)部門(mén)和領(lǐng)域，它起到了越來(lái)越重要的作用。

　　單片微型計算機就是將中央處理單元、存儲器、定時(shí)/計數器和多種接口都集成到一塊集成電路芯片上的微型計算機。因此一塊芯片就構成了一臺計算機。它已成為工業(yè)控制領(lǐng)域、智能儀器儀表、尖端武器、日常生活中最廣泛使用的計算機。

　　單片機由硬件系統與軟件系統組成。硬件系統是指構成微機系統的實(shí)體與裝置，通常由運算器、控制器、存儲器、輸入接口電路和輸入設備、輸出接口電路和輸出設備等組成。其中運算器和控制器一般做在一個(gè)集成芯片上，統稱(chēng)中央處理單元（Central Processing Unit），簡(jiǎn)稱(chēng)CPU，是微機的核心部件。CPU配上存放程序和數據的存儲器[2]、輸入/輸出（Input/Output，簡(jiǎn)稱(chēng)I/O）接口電路以及外部設備即構成單片機的硬件系統。軟件系統是微機系統所使用的各種程序的總稱(chēng)，人們通過(guò)它對微機進(jìn)行控制并與微機系統進(jìn)行信息交換，使微機按照人的意圖完成預定的任務(wù)。軟件系統與硬件系統共同構成完整的單片微型計算機系統，兩者相輔相成，缺一不可。

　　2.7 CPU性能介紹

　　本系統采用了ATMEL公司MCS-51系列單片機中的AT89C51芯片，它是低壓高性能CMOS 8位微處理器，帶有4k字節Flash閃速存儲器，128字節內部RAM，15個(gè)I／O口線(xiàn)，兩個(gè)16位定時(shí)／計數器，—個(gè)5向量?jì)杉壷袛嘟Y構，一個(gè)全雙工串行通信口。

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