CN114040367A - 基于ZigBee的联控照明系统及其控制方法 - Google Patents

基于ZigBee的联控照明系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于ZigBee的联控照明系统，该基于ZigBee的联控照明系统包括：若干照明设备，每一照明设备包括单片机、灯泡、继电器、红外传感器、光敏传感器、无线数据收发天线以及存储单元。每一单片机中运行Z‑stack协议栈，若干照明设备通过对应的单片机相互连接组成ZigBee网络。ZigBee网络包括若干节点，并且若干照明设备与若干节点一一对应。本发明基于ZigBee的联控照明系统的控制方法通过采用节点编号和设定节点间的父子关系构建ZigBee网络拓扑结构以及邻居节点扩散策略使得本系统的适用范围大大增加，同时邻居节点之间信息扩散的同时附加生命跳数值，从而使得事件信息在ZigBee网络中扩散时增加信息截止机制，以此提升照明的精准度和舒适度。

Description

基于ZigBee的联控照明系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及照明智能控制技术领域，特别是涉及一种基于ZigBee的联控照明系统及其控制方法。
背景技术
照明设备为人类的日常工作和生活提供了极大的便利，同时也消耗了非常多的能量。在某些工作和生活场景中，往往需要部署多个照明设备，当环境光线环境较暗时，传统照明设备需要手动打开照明设备进行照明；当环境光线较亮时，则需要手动关闭照明设备以节约电能。手动控制照明设备取决于环境中的人，带来了很多不确定因素，往往导致照明不能及时开启或者浪费能源的出现。
为了解决上述问题，研究人员对传统照明设备的控制进行了优化，将照明设备配以声音传感器、光照传感器或者人体传感器，照明设备依据传感器检测到的物理参数来控制照明设备的开关，在一定程度上解决了人为控制中的问题。
然而，在现有的控制方式下，只有感知到相关事件的照明设备才会开启，但是传感器只能探测一定范围内环境中的物理参数，因此在部署多个照明设备的场景中若单独采用传感器控制，往往只有一两盏照明设备开启，照明范围不够广，照明不够精准。
发明内容
基于此，有必要针对现有的照明系统及其控制方法照明范围不够广、照明设备点亮不够精确的技术问题，提供一种基于ZigBee的联控照明系统及其控制方法。
一种基于ZigBee的联控照明系统，该基于ZigBee的联控照明系统包括若干照明设备，每一照明设备包括单片机、灯泡、继电器、红外传感器、光敏传感器、无线数据收发天线以及存储单元。继电器、红外传感器、光敏传感器、无线数据收发天线以及存储单元分别对应连接单片机，灯泡和继电器连接。
每一单片机中运行Z-stack协议栈，若干照明设备通过对应的单片机相互连接组成ZigBee网络。
ZigBee网络包括若干节点，若干节点通过ZigBee网络相互连接，并且若干照明设备与若干节点一一对应。
若干节点包括协调器节点、若干路由器节点以及若干终端节点。协调器节点、若干终端节点以及若干路由器节点相互通信连接形成基于ZigBee网络的多层树形网络拓扑结构。
在其中一个实施例中，上述的若干照明设备分别与若干终端节点以及若干路由器节点一一对应连接。
在其中一个实施例中，上述的若干节点均具有对应的节点编号以及对应的父节点编号。
在其中一个实施例中，上述的每一存储单元均储存有对应节点的节点编号、父节点编号。
在其中一个实施例中，上述的基于ZigBee的联控照明系统还包括移动终端，移动终端与协调器节点通信连接。
在其中一个实施例中，上述的协调器节点包括蓝牙模块，协调器节点通过蓝牙模块与移动终端进行蓝牙通信。
本发明揭示了一种基于ZigBee的联控照明系统的控制方法，该控制方法用于控制上述基于ZigBee的联控照明系统，其包括如下步骤：
S1、操作人员通过移动终端用蓝牙技术连接协调器节点对ZigBee网络中若干照明设备对应节点的节点编号以及父节点编号进行设置，每一照明设备对应的存储器储存包括对应的节点编号、对应的父节点编号；操作人员通过移动终端采用蓝牙技术连接协调器节点，根据应用需求设置生存跳数值
S2、本发明的基于ZigBee的联控照明系统接通电源，ZigBee网络中每一节点定时向协调器发送心跳包信息(包含该节点对应的节点编号、对应的父节点编号以及对应节点的网络ID等信息)；
S3、协调器接收心跳包信息后，更新ZigBee网络拓扑结构信息。当ZigBee网络中有新节点加入或某一节点超时未发送心跳包信息时，协调器节点向拓扑结构发生变动的节点发送最新的邻居节点信息，以此来达到每个节点都能够获取最新邻居节点编号及其网络ID；
S4、每一节点对应的照明设备通过红外传感器对该节点附近的行人信息进行检测，当行人经过ZigBee网络中某一节点时，红外传感器检测到行人的经过信息，光敏传感器检测光照强度信息，进而分别将采集的信息传输至对应的单片机进行环境信息判断，当环境光照强度低于标准值时，该节点单片机控制灯泡以预设亮度点亮并延时关闭，否则，该节点单片机控制灯泡关闭，与此同时，该节点会将此事件附加生存跳数值通过ZigBee网络发送至与之相邻的所有邻居节点；
S5、邻居节点收到上述事件信息后，邻居节点继续对自身环境中的光照强度进行采集和判断，当环境光照强度低于标准时，该邻居节点对应的单片机控制对应的灯泡以预设亮度点亮并延时关闭，否则，该邻居节点单片机控制灯泡关闭，与此同时，该邻居节点将生存跳数值减1，并将该事件附加对应的生存跳数值继续扩散至除S4中事件信息发送节点的所有其他邻居节点，具体的，该事件每扩散一次，其伴随的生存跳数值减1，直至生存跳数值为0时，该事件在ZigBee网络中的扩散截止。
综上所述，本发明揭示的基于ZigBee的联控照明系统通过若干照明设备构建ZigBee树形网络拓扑。ZigBee网络以若干灯泡为节点，进而通过若干节点信息的采集和邻居节点扩散策略使得对应的灯泡得到更加精准的智能控制。本发明揭示的基于ZigBee的联控照明系统的控制方法通过采用节点编号、设定节点间的父子关系构建和道路结构相同的ZigBee网络拓扑结构以及邻居节点扩散策略使得邻居节点之间信息扩散的自由度和准确性大大增加，从而达到在保证节能的前提下取得更广的照明范围。以此同时，邻居节点之间事件信息扩散时，不往事件信息发送路径反向扩散，事件扩散信息朝行人前向方向，后向照明设备不会收到扩散事件信息，提高照明的智能化。以此同时，邻居节点之间信息扩散的同时附加生命跳数值，从而使得事件信息在ZigBee网络中扩散时增加信息截止机制，进而避免无效信息继续扩散而造成资源消耗以及系统运行紊乱。与此同时，协调器节点能够时刻对本发明的联控照明系统进行实时监控，当某一节点发生故障时，协调器节点能够通过更新ZigBee网络拓扑结构的邻居节点信息来保证联控照明系统整体正常运行。
附图说明
图1为一个实施例中基于ZigBee的联控照明系统的控制方法的协调器节点软件流程示意图；
图2为一个实施例中基于ZigBee的联控照明系统的控制方法的终端节点以及路由器节点的软件流程结构示意图；
图3为一个实施例中基于ZigBee的联控照明系统的照明设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
请参阅图3，本发明揭示了一种基于ZigBee的联控照明系统，该基于ZigBee的联控照明系统包括若干照明设备，每一照明设备包括单片机、灯泡、继电器、红外传感器、光敏传感器、无线数据收发天线以及存储单元。其中，继电器、红外传感器、光敏传感器、无线数据收发天线以及存储单元分别连接单片机，灯泡和继电器连接。具体的，红外传感器以及光敏传感器收集照明设备所处环境中的环境信息，并传输至对应的单片机，单片机依据环境信息对对应的照明设备进行控制。其中，红外传感器能够检测对应照明设备附近的行人信息，当该照明设备附近有行人经过，对应的光敏传感器对周围环境光进行信息采集，对应的单片机对采集的信息进行分析判断，进而控制对应灯泡的点亮与关闭，以此实现每一照明设备的自动控制。
进一步的，每一单片机中运行Z-stack协议栈，从而使得若干照明设备组成ZigBee网络。在本实施例中，ZigBee网络包括协调器节点、若干路由器节点以及若干终端节点。其中，本发明的基于ZigBee的联控照明系统以协调器节点为起始节点，并以若干终端节点以及若干路由器节点作为叶节点相互通信连接，进而形成基于ZigBee网络的多层树形网络拓扑结构。每一终端节点以及每一路由器节点分别与若干照明设备一一对应连接。相较于现有的控制方案，本发明基于节点编号和父子节点关系策略构建的网络拓扑结构使得本联控照明系统不仅能够满足照明设备的直线部署，还能够适应更为复杂的树形部署，从而有效提升本发明联控照明系统对照明设备的适用性。
具体的，协调器节点负责网络的建立，并用于若干终端节点和路由器节点的节点编号以及父节点编号的设置和读取，进而根据环境信息通过若干终端节点以及路由器节点对对应的照明设备进行控制。每一节点的节点编号、父节点编号均储存于该节点对应的存储单元中。每一终端节点用于接收信号，每一路由器节点用于接收、传递信号并用于ZigBee网络的中继。在实际应用中，邻居节点扩散策略能够大大提升事件信息在ZigBee网络中扩散的自由度和准确度，从而有效提升了照明的精准度和舒适度。
进一步的，本发明的基于ZigBee的联控照明系统还包括移动终端，移动终端与协调器节点通信连接。具体的，在本实施例中，协调器节点集成了蓝牙模块，从而能够和移动终端进行蓝牙通信。在实际应用中，操作人员能够通过移动终端对ZigBee网络中的每一照明设备所对应的终端节点或路由器节点进行节点编号以及父节点编号的设置和读取，并且通过移动终端和协调器进行通信以设置生存跳数值，从而实现联控照明部署的移动控制。
请参阅图1和图2，本发明揭示了一种基于ZigBee的联控照明系统的控制方法，该控制方法用于控制上述基于ZigBee的联控照明系统，其包括如下步骤：
S1、操作人员通过协调器节点对ZigBee网络中若干照明设备对应节点的节点编号以及父节点编号进行设置，每一照明设备对应的存储器储存包括对应的节点编号、对应的父节点编号；
S2、本发明的基于ZigBee的联控照明系统接通电源，ZigBee网络中每一节点定时向协调器发送心跳包信息(包含该节点对应的节点编号、对应的父节点编号以及对应的网络节点的ID等信息)；
S3、协调器接收心跳包信息后，更新ZigBee网络拓扑结构信息。当ZigBee网络中有新节点加入或某一节点超时未发送心跳包信息时，协调器节点向拓扑结构发生变动的节点发送最新的邻居节点信息，以此来达到每个节点都能够获取最新邻居节点的拓扑结构；
S4、每一节点对应的照明设备通过红外传感器对该节点附近的行人信息进行检测，当行人经过ZigBee网络中某一节点时，红外传感器检测到行人的经过信息，光敏传感器检测光照强度信息，进而分别将采集的信息传输至对应的单片机进行环境信息判断，当环境光照强度低于标准值时，该节点单片机控制灯泡以预设亮度点亮并延时关闭，否则，该节点单片机控制灯泡关闭，与此同时，该节点会将此事件附加生存跳数值通过ZigBee网络发送至与之相邻的所有邻居节点；
S5、邻居节点收到上述事件信息后，邻居节点继续对自身环境中的光照强度进行采集和判断，当环境光照强度低于标准时，该邻居节点对应的单片机控制对应的灯泡以预设亮度点亮并延时关闭，否则，该邻居节点单片机控制灯泡关闭，与此同时，该邻居节点将生存跳数值减1，并将该事件附加对应的生存跳数值继续扩散至除S4中事件信息发送节点的所有其他邻居节点，具体的，该事件每扩散一次，其伴随的生存跳数值减1，直至生存跳数值为0时，该事件在ZigBee网络中的扩散截止。
综上所述，本发明揭示的基于ZigBee的联控照明系统通过若干照明设备构建ZigBee树形网络拓扑。基于ZigBee网络，若干照明设备分别与若干终端节点以及若干路由器节点一一对应，进而通过若干节点信息的采集和邻居节点扩散策略使得对应的照明设备得到更加精准的智能控制。本发明揭示的基于ZigBee的联控照明系统的控制方法通过采用节点编号、设定节点间父子关系构建ZigBee网络拓扑结构以及邻居节点扩散策略使得邻居节点之间信息扩散的自由度和准确性大大增加，从而达到在保证节能的前提下取得更广的照明范围。以此同时，邻居节点之间事件信息扩散时，不往事件信息发送路径反向扩散，事件扩散信息朝行人前向方向，后向照明设备不会收到扩散事件信息，提高照明的智能性。以此同时，邻居节点之间信息扩散的同时附加生命跳数值，从而使得事件信息在ZigBee网络中扩散时增加信息截止机制，进而避免无效信息继续扩散而造成资源消耗以及系统运行紊乱。与此同时，协调器节点能够时刻对本发明的联控照明系统进行实时监控，当某一节点发生故障时，协调器节点能够通过更新ZigBee网络拓扑结构的邻居节点信息来保证联控照明系统整体正常运行。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种基于ZigBee的联控照明系统，其特征在于，包括：若干照明设备，每一所述照明设备包括单片机、灯泡、继电器、红外传感器、光敏传感器、无线数据收发天线以及存储单元；所述继电器、所述红外传感器、所述光敏传感器、所述无线数据收发天线以及所述存储单元分别对应连接所述单片机，所述继电器和所述灯泡连接；
每一所述单片机中运行Z-stack协议栈，若干所述照明设备通过对应的所述单片机相互连接组成ZigBee网络；
所述ZigBee网络包括若干节点，若干所述节点通过所述ZigBee网络相互连接，并且所述若干照明设备与若干所述节点一一对应；
若干所述节点包括协调器节点、若干路由器节点以及若干终端节点；所述协调器节点、若干所述终端节点以及若干所述路由器节点相互通信连接形成基于所述ZigBee网络的多层树形网络拓扑结构。
2.根据权利要求1所述的基于ZigBee的联控照明系统，其特征在于，若干所述照明设备分别与若干所述终端节点以及若干所述路由器节点一一对应连接。
3.根据权利要求2所述的基于ZigBee的联控照明系统，其特征在于，若干所述节点均具有对应的节点编号以及对应的父节点编号。
4.根据权利要求3所述的基于ZigBee的联控照明系统，其特征在于，每一所述存储单元均储存有对应所述节点的所述节点编号、所述父节点编号。
5.根据权利要求1所述的基于ZigBee的联控照明系统，其特征在于，还包括移动终端，所述移动终端与所述协调器节点通信连接。
6.根据权利要求5所述的基于ZigBee的联控照明系统，其特征在于，所述协调器节点包括蓝牙模块，所述协调器节点通过所述蓝牙模块与所述移动终端进行蓝牙通信。
7.一种基于ZigBee的联控照明系统的控制方法，其特征在于，采用权利要求1至6任一项所述的基于ZigBee的联控照明系统，其包括如下步骤：
S1、操作人员通过所述移动终端通过蓝牙技术连接所述协调器节点对所述ZigBee网络中若干所述照明设备对应所述节点的所述节点编号以及所述父节点编号进行设置，每一所述照明设备对应的所述存储器储存包括对应的所述节点编号、对应的所述父节点编号；操作人员通过所述移动终端采用蓝牙技术连接所述协调器节点，根据需求设置生存跳数值；
S2、本发明的所述基于ZigBee的联控照明系统接通电源，所述ZigBee网络中每一所述节点定时向所述协调器发送心跳包信息(包含该所述节点对应的所述节点编号、对应的所述父节点编号以及对应的所述节点的网络ID等信息)；
S3、所述协调器接收到所述收心跳包信息后，更新所述ZigBee网络拓扑结构信息；当所述ZigBee网络中有新所述节点加入或某一所述节点超时未发送所述心跳包信息时，所述协调器节点向拓扑结构发生变动的节点发送最新的邻居节点信息，以此来达到每个所述节点都能够获取最新所述邻居节点编号及其网络ID；
S4、每一所述节点对应的所述照明设备通过所述红外传感器对该所述节点附近的行人信息进行检测，当行人经过所述ZigBee网络中某一所述节点时，所述红外传感器检测到行人的经过信息，所述光敏传感器检测光照强度信息，进而分别将采集的信息传输至对应的所述单片机进行环境信息判断，当环境光照强度低于标准值时，该所述单片机控制所述灯泡以预设亮度点亮并延时关闭，否则，该所述单片机控制所述灯泡关闭，与此同时，该所述节点会将此事件附加生存跳数值通过所述ZigBee网络发送至与之相邻的所有所述邻居节点；
S5、所述邻居节点收到上述事件信息后，所述邻居节点继续对自身环境中的光照强度进行采集和判断，当环境光照强度低于标准时，所述邻居节点对应的所述单片机控制对应的所述灯泡以预设亮度点亮并延时关闭，否则，所述邻居节点单片机控制所述灯泡关闭，与此同时，所述邻居节点将所述生存跳数值减1，并将该事件附加对应的所述生存跳数值继续扩散至除S4中事件信息发送节点的所有其他邻居节点，具体的，该事件每扩散一次，其伴随的所述生存跳数值减1，直至所述生存跳数值为0时，该事件在所述ZigBee网络中的扩散截止。
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