專利名稱：基于ZigBee傳感網的節能型室內照明無線智能控制系統及控制方法
技術領域：
本發明涉及一種照明控制系統及控制方法，更具體的說，涉及一 種基于ZigBee傳感網的節能型室內照明無線智能控制系統及控制方 法。
背景技術：
目前，傳統室內照明系統很難滿足人們對舒適性和節能的需求， 主要存在以下缺陷
a)管理落后。傳統室內照明系統是人為化的管理，采用手動開關，
必須一路一路地開或關；
(2) 能源浪費。現代家居與辦公環境中，照明燈具量使用越來越多， 人為造成照明能源浪費的現象仍然非常嚴重，無論房間有人還是無 人，經常是"長明燈"，造成大量能源浪費；
(3) 舒適性差。傳統控制方式單一，只有開和關二種狀態，往往造 成不是太亮就是太暗的情況，不能根據實際需要來調整照明強度；
(4) 布線復雜。為了增加控制的方式，經常要布置雙控電路系統， 甚至是安裝多點控制開關，這樣開關之間的電纜連線增多，使線路安 裝變得非常復雜，工程施工難度大大增加；
(5)燈具壽命短。燈具損壞的致命原因是電網過電壓，只要能控制 過電壓就可以延長燈具的壽命。傳統照明控制系統采用直開直關的方 式，不能控制電網沖擊電壓和浪涌電壓，使燈絲難免受到熱沖擊，燈 具壽命將會縮短。隨著科學技術的發展，在許多應用領域，無線通信技術逐漸取代 有線通信手段。比如在短距離無線控制、監測、數據傳輸領域，通
用的技術有IEEE802. 11、藍牙、HomeRF等。它們有各自的優勢，但 仍然存在功耗大、組網能力差等劣勢。為了彌補上述協議的不足， ZigBee聯盟于2004年12月中旬推出基于IEEE 802. 15. 4的ZigBee 協議棧。ZigBee無線通信技術不僅具有低成本、低功耗、低速率、 低復雜度的特點，而且具有可靠性高、組網簡單、靈活的優勢。現在 ZigBee無線通信技術的成熟為智能照明控制提供了一個良好的技術 基礎和應用環境，也為智能照明控制指明了一個發展方向。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是基于ZigBee無線通信技術開發 出一種節能型室內照明無線智能控制系統及控制方法，有效克服了傳 統室內照明系統存在的缺陷。
為了解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案
一種基于ZigBee傳感網的節能型室內照明無線智能控制系統， 其特征在它由分布在樓宇中的多個無線網絡節點組成的ZigBee通信 網絡和PC機構成，其中這些網絡節點包括協調器節點、路由節點 以及終端節點，協調器節點與PC機相連構成系統中的照明控制中心， 唯一的協調器節點和所有對應于樓宇中每一個房間的路由節點組成 二級網絡，對應于每一個房間的路由節點和該房間內的終端節點構成 控制每個房間照明模式的照明子系統，照明控制中心控制照明子系統 各節點的狀態及預設房間內的照明模式，照明子系統根據采集的環境 信息，自主控制當前房間內的照明模式。
所述的照明子系統具體還包括 (A)由安裝在房間入口處的兩個載有紅外傳感器的終端節點組成的 人員進出檢測模塊，用于采集人員進出房間的信息；(B) 至少由兩個載有光敏傳感器的終端節點組成的光線強度檢測模 塊，其中有一個光敏傳感器置于室內，有一個光敏傳感器置于室外，
用于采集光線強度信息；
(C) 由安裝在定位節點的若干載有紅外傳感器的終端節點組成的人 員位置檢測模塊，用于檢測房間內人員位置及移動信息；
(D) 由載有燈控元件的終端節點組成的燈控模塊，用于控制照明燈 開關和亮度。
所述的協調器節點包括用于發送和接收數據的收發器，用于運行 ZigBee協議棧的處理器，用于和PC機交互的RS232接口，協調器節 點與PC機通過RS232總線連接，PC機顯示界面上展現整個ZigBee 傳感器網絡中各節點的拓撲圖，以及顯示各節點的狀態。
所述的路由節點包括用于發送和接收數據的收發器，用于運行 ZigBee協議棧的處理器，主要負責與所對應房間內的終端節點進行 交互，綜合處理各終端節點采集到的環境信息。
所述的終端節點包括用于發送和接收數據的收發器，用于運行 ZigBee協議棧的處理器，用于采集數據的傳感器或控制照明燈開關 和亮度的燈控元件。
一種基于ZigBee傳感網的節能型室內照明無線智能控制方法， 它包括以下步驟
(A) 分布在樓宇中的協調器節點、路由節點以及終端節點組成ZigBee 通信網絡，設置在樓宇中對應于每一個房間的路由節點和該房間內的 終端節點構成控制每個房間照明模式的照明子系統，唯一的協調器節 點和所有路由節點組成二級網絡，協調器節點與PC機相連構成系統 中的照明控制中心；
(B) 每一個房間內的終端節點將自身地址及工作狀態信息發送至對 應的路由節點，再由該路由節點轉發給協調器節點，所有的路由節點將自身地址及工作狀態信息發送至協調器節點，協調器節點將接收到 的信息發送至PC機，PC機顯示各節點的狀態；
(C) 當PC機顯示某一終端節點工作不正常時，PC機發送命令給對
應的路由節點使用預設的照明模式，當PC機顯示終端節點工作正常
時，終端節點采集房間的環境信息，然后發送到該房間對應的路由節
點；
(D) 路由節點將采集的環境信息與預先設置的基值進行比較，確定當 前房間應設置的照明模式，并通過載有燈控元件的終端節點控制照明 燈的開關和亮度。
其中步驟(C)進一步包括
(CI)在房間入口安裝兩個載有紅外傳感器的終端節點，采集人員進 出房間的信息； '
(C2)設置至少兩個載有光敏傳感器的終端節點，其中有一個光敏傳 感器置于室內，有一個光敏傳感器置于室外，采集外界光線強度信息;
(C3)根據人員在房間的位置安裝若干載有紅外傳感器的終端節點， 采集人員位置及移動的信息。 其中步驟(D)進一步包括
(Dl)路由節點根據采集的人員進出房間信息，統計出房間內的人數， 若房間內的人數為0時，照明模式為所有室內燈均不打開；
(D2)若房間內的人數大于O時，路由節點根據采集的外界光線強度 信息計算當前光線強度級別，若光線強度級別為亮，照明模式為所有 室內燈均不打開；
(D3)若光線強度級別為陰暗或黑時，路由節點根據采集的人數和人 員位置及移動信息，設置靠近人的燈較亮、遠離人的燈較暗或關掉的 照明模式。
其中步驟(C2)進一步包括(C21)位于室內的一個光敏傳感器設置在窗簾拉上時可以遮擋的地
方，白天拉上窗簾后可感測黑暗的結果； 其中步驟(D2)進一步包括 (D21)路由器節點總是根據采集的較暗的光線值來計算當前光線強 度級別。
本發明與現有技術相比具有以下的效果和優點
(1) 減少人為能源浪費:現代多數辦公大樓中，人為造成照明能源浪 費的現象仍然非常嚴重，無論房間是否有人，經常燈火通明。本發明 利用紅外探測功能可以自動關閉無人房間的照明燈，減少人為能量浪 費，達到節能目的。
(2) 自動調光，充分利用自然光本發明中的光敏傳感器通過測定 工作環境的照度，與設定值比較來控制燈具亮度調節開關。當室外光 較強時，室內照度自動調暗，室外光較弱時，室內照度則自動調亮， 使室內的照度始終保持在恒定值附近，從而能夠充分利用自然光實現 節能的目的，也可提供一個不受季節與外部氣候環境影響的相對穩定 的視覺環境。
(3) 自動調光，保持照度的一致性 一般照明設計師對新建的建筑 物進行設計時，均會考慮到隨著時間的推移，燈具的效率和房間墻面 反射率會不斷衰減。因此，其初始照度均設置得較高，這種設計不僅 造成建筑物使用期的照度不一致，而且由于照度偏高設計造成不必要 的能源浪費。采用本發明后，可以智能調光，系統將會按照預先設置 的標準亮度使照明區域保持恒定的照度，而不受燈具效率降低和墻面 反射率衰減的影響，這也是本發明可節約能源原因之一。
(4) 創造舒適環境，提高工作效率:本發明可以根據不同場景需要， 自動調整室內多種燈光強度，使環境光線更為舒適，有利于提高生活 品質和改善工作效率。(5) 延長燈具壽命燈具損壞的致命原因是電網過電壓，只要能控
制過電壓就可以延長燈具的壽命。本發明采用軟啟動的方式，能控制 電網沖擊電壓和浪涌電壓，使燈絲免受熱沖擊，燈具壽命得到延長。
本發明通常能使燈具壽命延長2 4倍，不僅節省大量燈具，而且大 大減少更換燈具的工作量，有效地降低了照明系統的運行費用，對于 大量使用燈具和安裝困難的區域具有特殊的意義。
(6) 提高管理水平，減少維護費用本發明將普通照明人為的開與 關轉換成了智能化管理。如果應用到大樓的管理，既能在降低運行費 用中得到經濟回報，還能省去常規照明所需的大部分配電控制設備， 大大簡化和節省穿管布線工作量，大大減少大樓的運行維護費用。
綜上所述，采用本發明帶來的好處主要表現在照明控制智能化，
確保照度一致性，場景變換靈活，產生可觀的節能效果，延長燈具壽 命，提高管理水平，減少維護費用，改善環境舒適度，有利于提高工 作效率等。因此，本發明具備良好的發展前景，將產生巨大的社會價 值和經濟價值，不僅可以大大降低能耗，減少人為能源浪費，實現更 加節能舒適的室內環境，而且也將為建設節約型社會做出重要貢獻。
圖1是本發明的系統網絡層次圖。
圖2是本發明單個房間照明控制子系統的網絡模型圖。 圖3是系統控制總流程圖。 圖4是路由節點控制邏輯示意圖。
具體實施例方式
圖1是本發明的系統網絡層次圖，本發明構造一種基于ZigBee 傳感網的節能型室內照明無線智能控制系統，它由分布在樓宇中的多 個無線網絡節點組成的ZigBee通信網絡和PC機構成，這些節點包括 協調器節點、路由節點以及終端節點，其中所有的路由節點與協調器節點稱為主節點，終端節點稱為從節點，由一個路由節點和其對應房 間內的所有從節點構成的網絡稱為星形網絡，協調器節點與PC機相 連并一起構成本系統中的基站節點，基站節點也就為照明控制中心， 照明控制中心一方面可以向網絡中的其它節點發送命令，預設對應房 間的照明模式，另一方面還可以通過接收各節點的反饋信息，展現整 個網絡的拓撲結構圖，唯一的協調器節點和樓宇中所有對應于每一個 房間的路由節點組成二級網絡，對應于每一個房間的路由節點和該房 間內的終端節點構成控制每個房間照明模式的照明子系統。
照明子系統具體還包括(A)由安裝在房間入口處的兩個載有 紅外傳感器的終端節點組成的人員進出檢測模塊，用于采集人員進出
房間的信息；(B)至少由兩個載有光敏傳感器的終端節點組成的光 線強度檢測模塊，其中有一個光敏傳感器置于室內，有一個光敏傳感 器置于室外，用于采集光線強度信息；(C)由安裝在定位節點的若 干載有紅外傳感器的終端節點組成的人員位置檢測模塊，用于檢測房 間內人員位置及移動信息；(D)由載有燈控元件的終端節點組成的 燈控模塊，用于控制照明燈開關和亮度。
協調器節點在硬件方面主要包括用于發送和接收數據的收發 器，用于運行ZigBee協議棧的處理器，還可以包括用于和PC機交互 的RS232接口，協調器節點與PC機可通過RS232總線連接，也可通 過無線通協議無線連接，在PC機顯示界面上展現整個ZigBee傳感器 網絡的拓撲結構圖、預設房間內的照明模式以及顯示各節點的"健康" 狀態，如是否處于欠壓狀態。
路由節點在硬件方面主要包括用于發送和接收數據的收發器， 用于運行ZigBee協議棧的處理器，路由節點主要負責轉發相鄰節點 的信息，以及與所對應房間內的其它終端節點進行交互，通過綜合終 端節點采集到的環境信息來設置當前房間內的照明模式。另外，路由節點還可以接收、轉發PC機終端發送的信息，設置用戶需求的照明 模式。
終端節點在硬件方面主要包括用于發送和接收數據的收發器，
用于運行ZigBee協議棧的處理器，用于采集數據的傳感器(紅外傳
感器和光敏傳感器)或控制照明燈開關和亮度的燈控元件，該燈控元 件可以是控制照明燈開關的可控硅電路，和控制照明燈亮暗及亮度的 電壓輸出端口。
協調器節點、路由節點以及終端節點還包括所需的6到9伏的電 源，協調器節點和路由節點可用交流電源，終端節點可用直流電源。 終端節點采用電池供電，節點在無數據處理時進入休眠狀態， 一節普 通電池可工作半年到二年之久，節能效果十分明顯，各節點只有約半 個手掌大小，安裝方便、簡單。
參見圖3，每一個房間內的終端節點將自身地址及工作狀態信息 通過ZigBee無線通信協議發送至對應的路由節點，再由該路由節點 通過ZigBee無線通信協議轉發給協調器節點，所有的路由節點將自 身地址及工作狀態信息通過ZigBee無線通信協議發送至協調器節 點，協調器節點將接收到的信息通過RS232總線或無線通信協議fe送 至PC機，PC機顯示各節點的狀態；當PC機顯示某一終端節點工作 不正常時，無法準確采集外界環境信息時，PC機發送命令給對應的 路由節點使用預設的照明模式，當PC機顯示終端節點工作正常時， 終端節點采集房間的環境信息，然后發送到該房間對應的路由節點； 路由節點將采集的環境信息與預先設置的基值進行比較,確定當前房 間應設置的照明模式，并通過載有燈控元件的終端節點控制照明燈的 開關和亮度。
圖2是本發明單個房間照明控制子系統的網絡模型圖，安裝在房 間入口處的兩個載有紅外傳感器的終端節點I 、 II (紅外終端節點)用來探測人員的進出，可以根據紅外傳感器感測信號，進而產生中斷 的順序來判斷人員是進入房間還是走出房間，并將探測信號及時發送
給O號路由節點，載有光敏傳感器的終端節點A、 B (光敏終端節點)
用于采集當前的光線強度值， 一個安裝在室內， 一個安裝在室外，設 置燈的亮暗由采集到的較大的光線值(即較暗的光線值)來決定，另 外，安裝在室內的位置最好是當窗簾拉上時，可以遮擋住的地方，這 樣做的目的是可以使白天拉上窗簾后，室內光敏傳感器能感測出黑暗
的結果，這兩個節點會定期向本房間對應的o號路由節點發送新采集
到的光線強度值，載有紅外傳感器的5、 6、 7、 8號終端節點(紅外 終端節點)均為定位節點，用來探測房間內人的位置，終端節點X、 Y、 Z為燈控終端節點，用于控制照明燈，其中X控制室內四盞下照 明燈，Y控制臺燈，Z控制兩盞壁燈。
圖4是路由節點控制邏輯示意圖，0號路由節點根據采集的人員 進出房間信息，統計出房間內的人數，若房間內的人數為O時，設為 所有室內燈均不打開的照明模式O;若房間內的人數為l人時，0號 路由節點根據采集的外界光線強度信息計算當前光線強度級別，路由 節點總是根據采集的較暗的光線值來計算當前光線強度級別，若光線 強度級別為亮，設為所有室內燈均不打開照明模式O;若光線強度級 別為黑時，O號路由節點根據采集的人員位置及移動信息，設置靠近 人的燈較亮、遠離人的燈較暗或關掉的不同的照明模式，當人員位于
5、 6、 7號終端節點時，設照明模式3:表示全亮兩壁燈靠門的兩盞 下照燈，靠窗的兩盞下照燈亮60%，關臺燈；當人員位于8號終端節
點時，設照明模式2:表示全亮臺燈及靠窗的兩盞下照燈，靠門的兩 盞下照燈亮60% ，關兩壁燈；人員位于其它位置時，設照明模式l: 表示全亮室頂四盞下照燈；若光線強度級別為暗時，當人員位于5、
6、 7號終端節點時，設照明模式4表示兩壁燈亮80%靠門的兩盞下照燈亮60%，關其余燈；當人員位于8號終端節時，設照明模式6: 表示臺燈亮80%，靠窗的兩盞下照燈亮60%，關其余燈；當人員在其 它位置時，設照明模式5:表示四盞下照燈開啟80%亮度；當室內人數大于l，光線強度級別為暗時，人員位于5、 6、 7號 終端節點時，設照明模式7:表示兩壁燈亮80%，靠門的兩盞下照燈 亮80%，靠窗的兩盞下照燈亮60%，關其余燈；當人員位于5、 6、 7、8號終端節點時，設照明模式8:表示所有室內燈以80%亮度打開； 人員位于其它位置時，設照明模式5:表示四盞下照燈開啟80%;當室內人數大于l，光線強度級別為黑時，人員位于5、 6、 7號終端節點時，設照明模式9:表示兩壁燈全亮，靠門的兩盞下照全燈亮，靠窗的兩盞下照燈亮80%，關其余燈；當人員位于5、 6、 7、 8號終端節點時，設照明模式10:表示所有室內燈以全亮方式打開， 人員位于其它位置時，設照明模式l:表示全亮室頂四盞下照燈。整個網絡初始化成功后，系統開始工作于全自動狀態。首先，照 明控制中心顯示整個網絡的拓撲結構圖，顯示各個節點的"健康"狀 態，當房間內采集外界環境信息的終端節點工作正常時， 一分鐘后轉 為該房間子系統自主控制，否則固定使用預設的照明模式。當網絡中 某個節點的工作電壓下降到接近正常工作最低電壓時，會主動向照明 控制中心反饋信息，表明該節點需要更換電池，照明控制中心收到反 饋信息后，將該節點顯示為欠壓狀態。
權利要求
1、一種基于ZigBee傳感網的節能型室內照明無線智能控制系統，其特征在它由分布在樓宇中的多個無線網絡節點組成的ZigBee通信網絡和PC機構成，其中這些網絡節點包括協調器節點、路由節點以及終端節點，協調器節點與PC機相連構成系統中的照明控制中心，唯一的協調器節點和所有對應于樓宇中每一個房間的路由節點組成二級網絡，對應于每一個房間的路由節點和該房間內的終端節點構成控制每個房間照明模式的照明子系統，照明控制中心控制照明子系統各節點的狀態及預設房間內的照明模式，照明子系統根據采集的環境信息，自主控制當前房間內的照明模式。
2、 根據權利要求1所述的基于ZigBee傳感網的節能型室內照明無線 智能控制系統，其特征在于所述的照明子系統具體還包括(A) 由安裝在房間入口處的兩個載有紅外傳感器的終端節點組成的 人員進出檢測模塊，用于采集人員進出房間的信息；(B) 至少由兩個載有光敏傳感器的終端節點組成的光線強度檢測模 塊，其中有一個光敏傳感器置于室內，有一個光敏傳感器置于室外， 用于采集光線強度信息；(C) 由安裝在定位節點的若干載有紅外傳感器的終端節點組成的人 員位置檢測模塊，用于檢測房間內人員位置及移動信息；(D) 由載有燈控元件的終端節點組成的燈控模塊，用于控制照明燈 開關和亮度。
3、 根據權利要求1或2所述的基于ZigBee傳感網的節能型室內照明 無線智能控制系統，其特征在于所述的協調器節點包括用于發送和 接收數據的收發器，用于運行ZigBee協議棧的處理器，用于和PC機 交互的RS232接口，協調器節點與PC機通過RS232總線連接，PC機顯示界面上展現整個ZigBee傳感器網絡中各節點的拓撲圖，以及 顯示各節點的狀態。
4、 根據權利要求1或2所述的基于ZigBee傳感網的節能型室內照明 無線智能控制系統，其特征在于所述的路由節點包括用于發送和接 收數據的收發器，用于運行ZigBee協議棧的處理器，主要負責與所 對應房間內的終端節點進行交互，綜合處理各終端節點采集到的環境"f曰息。
5、 根據權利要求1或2所述的基于ZigBee傳感網的節能型室內照明 無線智能控制系統，其特征在于所述的終端節點包括用于發送和接 收數據的收發器，用于運行ZigBee協議棧的處理器，用于采集數據 的傳感器或控制照明燈開關和亮度的燈控元件。
6、 一種基于ZigBee傳感網的節能型室內照明無線智能控制方法，其特征在于它包括以下步驟(A) 分布在樓宇中的協調器節點、路由節點以及終端節點組成ZigBee通信網絡，設置在樓宇中對應于每一個房間的路由節點和該房間內的 終端節點構成控制每個房間照明模式的照明子系統，唯一的協調器節 點和所有路由節點組成二級網絡，協調器節點與PC機相連構成系統 中的照明控制中心；(B) 每一個房間內的終端節點將自身地址及工作狀態信息發送至對 應的路由節點，再由該路由節點轉發給協調器節點，所有的路由節點 將自身地址及工作狀態信息發送至協調器節點，協調器節點將接收到 的信息發送至PC機，PC機顯示各節點的狀態；(C) 當PC機顯示某一終端節點工作不正常時，PC機發送命令給對 應的路由節點使用預設的照明模式，當PC機顯示終端節點工作正常 時，終端節點采集房間的環境信息，然后發送到該房間對應的路由節點；(D)路由節點將采集的環境信息與預先設置的基值進行比較，確定當 前房間應設置的照明模式，并通過載有燈控元件的終端節點控制照明 燈的開關和亮度。
7、 如權利要求6所述的節能型室內照明無線智能控制方法，其特征 在于，其中步驟(C)進一步包括(Cl)在房間入口安裝兩個載有紅外傳感器的終端節點，采集人員進 出房間的信息；(C2)設置至少兩個載有光敏傳感器的終端節點，其中有一個光敏傳 感器置于室內，有一個光敏傳感器置于室外，采集外界光線強度信息；(C3)根據人員在房間的位置安裝若干載有紅外傳感器的終端節點， 采集人員位置及移動的信息。
8、 如權利要求6或7所述的節能型室內照明無線智能控制方法，其 特征在于，其中步驟(D)進一步包括(Dl)路由節點根據采集的人員進出房間信息，統計出房間內的人數， 若房間內的人數為0時，照明模式為所有室內燈均不打開；(D2)若房間內的人數大于0時，路由節點根據采集的外界光線強度 信息計算當前光線強度級別，若光線強度級別為亮，照明模式為所有 室內燈均不打開；(D3)若光線強度級別為陰暗或黑時，路由節點根據采集的人數和人 員位置及移動信息，設置靠近人的燈較亮、遠離人的燈較暗或關掉的 照明模式。
9、 如權利要求7所述的節能型室內照明無線智能控制方法，其特征 在于，其中步驟(C2)進一步包括(C21)位于室內的一個光敏傳感器設置在窗簾拉上時可以遮擋的地方，白天拉上窗簾后可感測黑暗的結果。
10、如權利要求8所述的節能型室內照明無線智能控制方法，其特征在于，其中步驟(D2)進一步包括(D21)路由器節點總是根據采集的較暗的光線值來計算當前光線強 度級別。
全文摘要
本發明提供一種基于ZigBee無線通信技術節能型室內照明無線智能控制系統及控制方法，控制系統由多個無線網絡節點組成的ZigBee通信網絡和PC機構成，無線網絡節點包括協調器節點、路由節點以及終端節點，協調器節點與PC機相連構成照明控制中心，唯一的協調器節點和所有路由節點組成二級網絡，路由節點和該房間內的終端節點構成控制每個房間照明模式的照明子系統，照明控制中心控制照明子系統各節點的狀態及預設照明模式，照明子系統根據采集的環境信息，自主控制當前房間內的照明模式。本發明使得照明控制智能化，確保照度一致性，燈具壽命長，方便管理，維護費用低，節能環保。
文檔編號H05B37/02GK101282605SQ20081006080
公開日2008年10月8日 申請日期2008年3月21日 優先權日2008年3月21日
發明者鄭增威 申請人:浙江大學城市學院