CN202005035U

CN202005035U - 基于无线传感网络的高校教室节能照明系统

Info

Publication number: CN202005035U
Application number: CN2011200811624U
Authority: CN
Inventors: 梁宇; 张瑞华; 杨晓哲; 肖才庆; 刘啸林
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2021-03-25

Abstract

本实用新型公开了一种基于无线传感网络的教室节能照明系统，它包括遥控器，遥控器与灯节点配合，灯节点与传感器节点相对应，传感器节点利用无线与Sink节点通信，Sink节点通过网线与服务器相连，Sink节点还通过无线控制灯开关。本实用新型利用冗余布置传感器节点可获得人体所在的具体位置，然后相应的打开其前方或上方的灯，保证了在满足照明需要的前提下，最大限度节能；Sink节点通过网线与Internet相连，节点位置自由，不受距离限制；冗余布置传感器节点，提高判断准确性，并能自动检测错误节点，便于维护；上位机采用B-S架构可以随时上网查询当前每间教室状态，为物业维护工作带来方便。

Description

基于无线传感网络的高校教室节能照明系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于无线传感网络的高校教室节能照明系统。

背景技术

高校教室传统照明系统用电浪费现象普遍存在。按照国标的规定，教室照明的功率密度约为10W/m²，假设教室的平均面积为100m²，则照明负荷约为1kW。如果每天正常使用时间为15小时，那么，一天每间教室的用电量为1kW×15h＝15kWh，学生一年在校为270天，则年用电量约为4050kWh。如果学校按照100m²折合教室数量为200间，则照明用电量为81万度左右。若节电率以平均30％计算，则一年可节电24.3万度，可节约电费15～20万元左右，以上估算还未包括线损和灯具长时间开启而损坏的部分。现在市场上已经出现的基于红外热释传感器的照明系统，是根据模糊人数来选择开灯数目，并不能满足实际需要，同时，也不能达到最佳的节能效果。

实用新型内容

为弥补现有技术的不足，本实用新型提供一种根据人所在的位置和当前的光照强度自动控制人上方灯的开关，在满足照明需要的前提下最大限度节能的基于无线传感网络的高校教室节能照明系统。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

基于无线传感网络的教室节能照明系统，它包括遥控器，遥控器与灯节点配合，灯节点与传感器节点相对应，传感器节点利用无线与Sink节点通信，Sink节点通过网线与服务器相连，Sink节点还通过无线控制灯开关。

所述传感器节点包括红外热释传感器，红外热释传感器与中心处理模块连接，中心处理模块分别与光敏电阻，电源，编码模块和解码模块连接，编码模块与无线发送模块连接，解码模块与无线接收模块连接。

所述Sink节点包括以太网通讯模块，太网通讯模块与中心处理模块双向连接，中心处理模块分别与电源，编码模块和解码模块连接，编码模块与无线发送模块连接，解码模块与无线接收模块连接。

所述遥控器节点包括键盘，键盘与键盘管理模块连接，键盘管理模块与中心处理模块双向连接，中心处理模块分别与液晶显示器，电源和编码模块连接，编码模块与无线发送模块连接。

所述灯节点包括无线接收模块，无线接收模块与解码模块连接，解码模块与放大电路连接，放大电路与继电器连接。

所述中心处理模块均采用ATMEGA16L-8PU AVR单片机，8位AVR微处理器，带16KB在系统可编程Flash。

所述无线发送模块为433MHZ的PT2262编码芯片，无线接收模块为433MHZ的PT2272解码芯片。

所述红外热释传感器为BISS0001红外感应模块。

所述以太网通讯模块为SW5100以太网通信模块。

有益效果：与以往的教室灯光节能控制系统相比，本系统成本较低，且简单方便可以最大限度的实现节能，本实用新型的优点如下：

(1)本实用新型利用冗余布置传感器节点可获得人体所在的具体位置，然后相应的打开其前方或上方的灯，保证了在满足照明需要的前提下，最大限度节能。

(2)Sink节点通过网线与Internet相连，节点位置自由，不受距离限制。

(3)冗余布置传感器节点，提高判断准确性，并能自动检测错误节点，便于维护。

(4)本实用新型提供自动控制并保留原有手动控制，使得成本更低，更灵活，也便于老师或同学们从传统的照明系统过渡到新的系统。

(5)由于本实用新型基于无线传感器网络，因此，可以减少对原有照明系统线路布局的改变，也可以为扩展为智能化教室做好准备。

(6)上位机采用B-S架构可以随时上网查询当前每间教室状态，为物业维护工作带来方便。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为传感器节点结构图；

图3为Sink节点结构图；

图4为遥控器节点结构图；

图5为灯节点结构图；

图6为传感器节点部署密度图；

图7为Sink节点程序控制流程图；

图8为服务器程序界面示意图；

其中：1灯节点，2传感器节点，3Sink节点，4遥控器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：

(1)硬件部署连接

整体部署架构：每个灯连接一个灯节点1，每个教室有多个传感器节点2，一个Sink节点3和一个遥控器4，整个校园有一台服务器。

传感器部署原则：根据红外热释传感器感知范围冗余部署。

Sink节点3通过网线与Internet相连，每个传感器节点2与Sink节点3利用无线通信，Sink节点3通过无线控制灯开关。

(2)软件实现

门口的传感器检测到第一个人进入教室以后，自动打开教室内四角的灯。当人坐下后，覆盖该区域的传感器节点会检测到“有人”信号，在这里Sink节点3会存储一个列表，记录各个传感器对应的开灯编码，在确定有人，并且光照度不足的情况下，自动打开相应的灯。也可以在没人时用遥控器4强制开灯，或有人但光照不足时，强制关灯。服务器程序实现查询，控制教室内各节点状态。

本实用新型的系统结构如图1所示，在不改变教室原有传统照明系统的前提下，按照传感器节点2的感知范围，在教室内有冗余地布满传感器节点2，每个传感器节点2直接与Sink节点3通信，由Sink节点3对传感器发来的信息进行整合、汇总，并控制相关灯节点1的开关。每个教室有一个Sink节点3，Sink节点3通过网线接入Internet(局域网)，所有信息经由Internet汇集到作为服务器的计算机上，进行信息整合、汇总和处理以及提供必要的web服务，管理者可以通过任何一台联网PC机甚至手机登陆web服务器查询或控制教室中各节点的状态。另外，遥控器可独立控制灯节点的开关。

传感器节点包括以下部件：红外热释传感器、光强度感知传感器、无线接收模块、无线发送模块、中心处理芯片、5v电源转换器，硬件结构如图2所示。

Sink节点3包括：无线接收模块、无线发送模块、中心处理芯片mega16、以太网通讯模块，硬件结构如图3所示。

遥控器节点包括：无线发送模块、中心处理芯片mega16、键盘，键盘管理芯片CH451、显示，硬件结构如图4所示。

灯节点1包括：无线接收模块、继电器，硬件结构如图5所示。

中心处理芯片无线接收和发送装置均是同一部件(这样做的好处是便于开发)

其中，各模块的详细介绍如下：

(1)中心处理芯片

所有的中央处理部件统一采用ATMEGA16L-8PU AVR单片机，8位AVR微处理器，带16KB在系统可编程Flash，可多次擦写，应用广泛。使用同一种单片机避免了多种不同单片配合开发的复杂化，减少了系统成本和降低了维护难度，并且mega16为编程人员所熟悉，便于开发。

(2)无线收发模块

选用成本很低的433MHZ无线发送接收模块与PT2262编码芯片及PT2272解码芯片配合使用，加上天线增大接收发送距离。理论工作距离可达50-100m，可满足一个教室内无线通信需要。

(3)红外热释传感器模块

选用BISS0001红外感应模块。其工作原理是当有人进入其感应范围则输出高电平；人离开感应范围则自动延时输出低电平。该模块具有感应封锁时间：感应模块在每一次感应输出后(高电平变为低电平)，可以紧跟着设置一个封锁时间，在此时间段内感应器不接收任何感应信号。此功能可以实现(感应输出时间和封锁时间)两者的间隔工作，同时可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰，因此，选用这个模块。

(4)以太网通讯模块

选用SW5100以太网通信模块，是一款多功能的单片网络接口芯片，可以实现无操作系统的Internet连接。本系统中用于实现Sink节点与Internet连接。

本实用新型的硬件部署如下：

传感器部署原则：根据红外热释传感器感知范围冗余部署，部署密度如图6所示。

软件实现如下：

将教室内的传感器节点2和灯节点1统一编号，光照度和人员位置作为系统控制的依据，其中Sink节点3工作流程如下：

a)轮询传感器节点2，获取当前光照度和人体存在信号，若有传感器节点报告有人存在时，记录其编号，判断此信息是否真实可靠；

b)确定有人时，依据光照度判断是否开灯，并向需要打开或关闭的灯节点发送命令；

c)保存当前教室灯光状态并通过SW5100模块发送IP包到固定的服务器IP地址。

Sink节点3关于传感器返回值正确性的判断：冗余部署传感器，当覆盖同一位置的多个传感器返回的信息相同时，就认为该信息可靠；若一半以上相同，只有极少数不同则认同大部分观点并且记录一次错误传感器编号，记录的错误次数达到一定阈值时，判定该传感器损坏，上报；若出现一半“有人”一半“无人”现象，则再取一次值。

Sink节点3关于灯节点1损坏的判断：在“有人”且“照度不足”的情况下，Sink节点3会向相应的灯节点1发送开灯命令。命令发出后Sink节点3要再取此处照度值，若变为“照度足够”则正常；若仍为“照度不够”则再次发送命令；若发送命令已达阈值次数仍为“照度不够”则判定该灯已损坏，上报。Sink节点3程序控制流程图如图7所示。照度是否足够的判断条件是：白天不低于200lx，晚上不低于150lx。

本实用新型的实施例：

在校园网中使用一台PC机做为本系统的服务器，完成各个教室的信息采集、整理、显示、控制等功能，并提供相应的web服务。界面示意图如图8所示。

服务器端具体工作流程为：

A.监听某固定的TCP端口，根据接收到的信息的IP地址或者内容中附带的编号确定信息来源于哪个具体教室。

B.分析IP包内容，记录当前教室灯的状态以及灯的损坏情况。

C.整理所有教室的信息，并提供web服务。

D.向某个教室内的Sink节点3发送信息，同样是通过IP包的方式。响应管理者在电脑上做出的开关灯操作。

服务器提供了web服务，使得管理者可以在接入互联网上的任意设备上进行系统的管理，不必直接操作服务器计算机。采用B-S架构的设计，管理者不必安装任何软件，只需通过WEB浏览器，通过输入域名和账号密码，即可进入管理界面。

Claims

1.基于无线传感网络的教室节能照明系统，其特征是，它包括遥控器，遥控器与灯节点配合，灯节点与传感器节点相对应，传感器节点利用无线与Sink节点通信，Sink节点通过网线与服务器相连，Sink节点还通过无线控制灯开关。

2.如权利要求1所述的基于无线传感网络的教室节能照明系统，其特征是，所述传感器节点包括红外热释传感器，红外热释传感器与中心处理模块连接，中心处理模块分别与光敏电阻，电源，编码模块和解码模块连接，编码模块与无线发送模块连接，解码模块与无线接收模块连接。

3.如权利要求1所述的基于无线传感网络的教室节能照明系统，其特征是，所述Sink节点包括以太网通讯模块，太网通讯模块与中心处理模块双向连接，中心处理模块分别与电源，编码模块和解码模块连接，编码模块与无线发送模块连接，解码模块与无线接收模块连接。

4.如权利要求1所述的基于无线传感网络的教室节能照明系统，其特征是，所述遥控器节点包括键盘，键盘与键盘管理模块连接，键盘管理模块与中心处理模块双向连接，中心处理模块分别与液晶显示器，电源和编码模块连接，编码模块与无线发送模块连接。

5.如权利要求1所述的基于无线传感网络的教室节能照明系统，其特征是，所述灯节点包括无线接收模块，无线接收模块与解码模块连接，解码模块与放大电路连接，放大电路与继电器连接。

6.如权利要求2或3或4或5所述的基于无线传感网络的教室节能照明系统，其特征是，所述中心处理模块均采用ATMEGA16L-8PU AVR单片机，8位AVR微处理器，带16KB在系统可编程Flash。

7.如权利要求2或3或4或5所述的基于无线传感网络的教室节能照明系统，其特征是，所述无线发送模块为433MHZ的PT2262编码芯片，无线接收模块为433MHZ的PT2272解码芯片。

8.如权利要求2所述的基于无线传感网络的教室节能照明系统，其特征是，所述红外热释传感器为BISS0001红外感应模块。

9.如权利要求2所述的基于无线传感网络的教室节能照明系统，其特征是，所述以太网通讯模块为SW5100以太网通信模块。