基于ZIGBEE技術(shù)的無(wú)線定位系統(tǒng)研究開題報(bào)告

　　摘要：本次選擇AT89C51單片機(jī)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(yīng)從而能判斷出教室內(nèi)有人無(wú)人，通過(guò)光敏電阻感應(yīng)教室內(nèi)的光線強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)教室內(nèi)燈光的智能控制，避免了教室用電的大量浪費(fèi)。本文詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)過(guò)程，采用模塊化的編程思想，使用C51語(yǔ)言編寫源程序，實(shí)現(xiàn)教室的節(jié)能照明功能。

　　該系統(tǒng)具有體積小，控制方便，可靠性高，專用性強(qiáng)，性價(jià)比合理等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足各類大、中專院校教室燈光控制的要求，很大程度的達(dá)到節(jié)能目的。

　　關(guān)鍵詞:教室智能照明；軟件設(shè)計(jì)；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(guó)經(jīng)濟(jì)在持續(xù)多年高速發(fā)展后的今天，能源問(wèn)題日益突出。雖然我國(guó)能源總儲(chǔ)量占據(jù)之首，但由于我國(guó)人口眾多，所以人均儲(chǔ)量少，單位產(chǎn)值的能耗 是發(fā)達(dá)國(guó)家的3-10倍。能源問(wèn)題已成為制約我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(guó)長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展 戰(zhàn)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(jì)發(fā)展和環(huán)境生態(tài)，在特定情況下還會(huì)對(duì)社會(huì)穩(wěn)定有很大影響。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(dǎo)致用電負(fù)荷的加劇，又由于世界性的能源危機(jī)，能源缺乏以成為世界所面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題。中國(guó)城市每年用于公共照明的能源支出高達(dá)280多億，節(jié)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(fèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)2010年，我國(guó)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(duì)高等院校，據(jù)測(cè)算，其照明耗電占本單位所有耗電的40% 左右，可見在對(duì)教室燈光進(jìn)行自動(dòng)控制，其節(jié)能效益和經(jīng)濟(jì)效益都是相當(dāng)可觀的。由于大學(xué)是開放型的管理模式，加上全員節(jié)能意識(shí)淡薄，教室無(wú)人時(shí)照明燈一直長(zhǎng)明，造成電能的巨大浪費(fèi)，由此提高教室用電效率實(shí)現(xiàn)智能控制就成為首要考慮的問(wèn)題。

　　目前對(duì)燈光的智能控制，尤其是我國(guó)教室燈光的智能控制尤為缺乏和不完善，依然是傳統(tǒng)式的人工管理。（如華東理工大學(xué)梅隴校區(qū)教室在白天無(wú)人時(shí)日光燈依舊開啟）各類大、中中專院校不斷擴(kuò)招，教室不斷擴(kuò)建，教室用電負(fù)荷不斷增加，教室用電管理不善，造成學(xué)校電能浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)損失，這種浪費(fèi)與當(dāng)今的節(jié)能理念相違背。再者，現(xiàn)代自動(dòng)化程度不斷提高，計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，燈光的管理也朝著自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。于是，開發(fā)簡(jiǎn)便、實(shí)用的教室燈光自動(dòng)化控制系統(tǒng)便具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

　　1.2 研究的現(xiàn)狀

　　目前，國(guó)內(nèi)照明大力采用高效照明產(chǎn)品代替?zhèn)鹘y(tǒng)低效率照明產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)節(jié)能，大力推行綠色照明工程，大量運(yùn)用節(jié)能技術(shù)，不斷推出綠色光源和節(jié)能電器，采用大量的節(jié)能燈具，裝備新技術(shù)，尤其以LED綠色照明改造為國(guó)家大力推行。

　　現(xiàn)階段，世界各國(guó)都在采取不同的方式來(lái)節(jié)約能源，節(jié)約電能。LUMA公司推出的LEP等離子體燈替換傳統(tǒng)照明，節(jié)能效果能達(dá)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(shè)就對(duì)節(jié)能有很多的要求，并且居民入住有節(jié)能裝置放置時(shí)，要支付的費(fèi)用比沒(méi)有節(jié)能方案房屋高出8%。單純的光源節(jié)能加上有效智能照明控制會(huì)讓節(jié)能的空間大力提升，研究智能照明控制系統(tǒng)是是現(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)，綜合了照明、自動(dòng)化控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)+的的結(jié)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(xiàn)情景化、自動(dòng)化、人性化的智能照明技術(shù)。常見的照明控制系統(tǒng)有飛利浦公司下屬的邦奇Dynalite智能照明控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由調(diào)光模塊、開關(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(jiān)控機(jī)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(tǒng)，C-Bus系統(tǒng)是一個(gè)二線制的總線型式的智能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)所有的單元器件（除電源外）均內(nèi)置微處理器和存儲(chǔ)單元，由一對(duì)信號(hào)線（雙絞線）連接成網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)單元均設(shè)置唯一的單元地址并用軟件設(shè)定其功能，通過(guò)輸出單元格控制各回路負(fù)載。輸入單元通過(guò)群組地址和輸出組建立對(duì)應(yīng)連接。當(dāng)有輸入時(shí)，輸入單元格將其轉(zhuǎn)變?yōu)镃-Bus信號(hào)在C-Bus系統(tǒng)總線上廣播。所有輸出單元接收并做出判斷，控制相應(yīng)回路輸出。快思聰為主的是ABB i-Bus EIB智能安裝系統(tǒng)，EIB智能系統(tǒng)由總線、總線電源、智能傳感器（光線傳感器、模糊開關(guān)、時(shí)間控制器、移動(dòng)傳感器）、智能開關(guān)驅(qū)動(dòng)器和其他智能元件（邏輯模塊總線耦合器）構(gòu)成。每個(gè)元件就是節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)連接在一根2芯雙絞線介質(zhì)的總線上，不分主從隸屬關(guān)系實(shí)現(xiàn)相互之間的通訊從而實(shí)現(xiàn)控制和被控制。

　　2文獻(xiàn)綜述

　　2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　照明作為教室智能控制的子系統(tǒng)之一，它對(duì)教室智能控制的舒適性、經(jīng)濟(jì)性、方便性具有重要的意義。利用人體的存在信號(hào)和環(huán)境光信號(hào)的識(shí)別和智能判斷，可以有效的對(duì)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(fèi)。本設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)作為控制裝置的智能部件，采用熱釋紅外人體傳感器檢測(cè)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(yīng)進(jìn)行下步行動(dòng)），采用光敏三極管構(gòu)成的電路檢測(cè)環(huán)境光的強(qiáng)度（照度達(dá)到時(shí)燈全關(guān)，照度不夠時(shí)燈打開補(bǔ)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)控制燈的開關(guān)。一號(hào)按鈕控制手動(dòng)與自動(dòng)，二號(hào)按鈕控制燈的開關(guān)盞數(shù)（按0次沒(méi)燈開，按1次開2盞燈，按2次開4盞燈，按3次開8盞燈，按4次后返回到0）。

　　在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)方法的選用是系統(tǒng)設(shè)計(jì)能否成功的關(guān)鍵所在。硬件電路是采用結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，該方法保證設(shè)計(jì)電路的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化。硬件電路的設(shè)計(jì)最重要的選擇用于控制的單片機(jī)，并確定與之配套的外圍芯片，使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)既經(jīng)濟(jì)又高性能。硬件電路設(shè)計(jì)還包括輸入輸出接口設(shè)計(jì)，畫出詳細(xì)電路圖，標(biāo)出芯片的型號(hào)、器件參數(shù)值，根據(jù)電路圖在仿真機(jī)上進(jìn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)不當(dāng)及時(shí)修改，達(dá)到最終的設(shè)計(jì)目的。軟件設(shè)計(jì)的方法與開發(fā)環(huán)境的選取有著直接的關(guān)系，本系統(tǒng)由于是采用51系列單片機(jī)，因此使用匯編語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)。

　　2.2系統(tǒng)性能指標(biāo)及技術(shù)要求

　　首先單片機(jī)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(hào)采集電路和光敏三極管采光電路先后工作判定室內(nèi)是否有人，和室內(nèi)關(guān)照度，單片機(jī)再?zèng)Q定是否開燈，開幾盞燈。最后通過(guò)LCD顯示開了幾盞燈和關(guān)閉了幾盞燈。

　　手動(dòng)/自動(dòng)

　　（1）自動(dòng)

　　A  全關(guān)

　　B  開4盞燈

　　C  開8盞燈

　�。�2）手動(dòng)

　　A  全關(guān)

　　B  開2盞燈

　　C  開4盞燈

　　D  開8盞燈

　　2.3本課題的主要內(nèi)容

　　①燈光總體控制方案的研究；

　�、跓艄饪刂茩z測(cè)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(qiáng)度信號(hào)采集與處理；

　�、揲_發(fā)單片機(jī)系統(tǒng)；

　　⑦實(shí)驗(yàn)測(cè)試與數(shù)據(jù)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(qiáng)度和人體存在作為控制器的主要輸入?yún)��?shù)�？梢哉嬲�的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)與手動(dòng)控制相互兼容。在自然光照度達(dá)標(biāo)時(shí)，無(wú)論教室是否有人存在，都不開燈;在教室自然光照度達(dá)不到要求時(shí)候，有人存在時(shí)燈光會(huì)自動(dòng)打開而且達(dá)到均衡的照度，有人存在時(shí)控制器自動(dòng)打開電燈，直到人離開后再延時(shí)120S后關(guān)燈。同時(shí)，還要改用機(jī)械開關(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(yùn)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(tǒng)執(zhí)行的基礎(chǔ)，它主要為軟件提供程序運(yùn)行的平臺(tái)。而軟件部分，是對(duì)硬件端口所體現(xiàn)的信號(hào)，加以采集、分析、處理，最終實(shí)現(xiàn)控制器所要實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能，達(dá)到控制器自動(dòng)與手動(dòng)相結(jié)合的教室照明智能控制。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括硬件和軟件兩大部分，依據(jù)控制系統(tǒng)的工作原理和技術(shù)性能，將硬件和軟件分開設(shè)計(jì)。

　　硬件設(shè)計(jì)部分包括電路原理圖、合理選擇元器件、繪制線路圖，然后對(duì)硬件進(jìn)行調(diào)試、測(cè)試，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。硬件電路是采用結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，該方法保證設(shè)計(jì)電路的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化。硬件電路的設(shè)計(jì)最重要的選擇用于控制的單片機(jī)，并確定與之配套的外圍芯片，使本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)既經(jīng)濟(jì)又高性能。硬件電路設(shè)計(jì)還包括輸入輸出接口設(shè)計(jì)，畫出詳細(xì)電路圖，標(biāo)出芯片的型號(hào)、器件參數(shù)值，根據(jù)電路圖在仿真機(jī)上進(jìn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)不當(dāng)能及時(shí)修改，達(dá)到最終的設(shè)計(jì)目的。

　　軟件設(shè)計(jì)部分，首先在總體設(shè)計(jì)中完成系統(tǒng)總框圖和各模塊的功能設(shè)計(jì)，擬定詳細(xì)的工作計(jì)劃；然后進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)等；最后是對(duì)軟件進(jìn)行調(diào)試、測(cè)試，達(dá)到所需功能要求。軟件設(shè)計(jì)的方法與開發(fā)環(huán)境的選取有著直接的關(guān)系，本系統(tǒng)由于是采用51系列單片機(jī)。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，先編寫各個(gè)功能模塊子程序，然后進(jìn)行組合與調(diào)整，經(jīng)過(guò)調(diào)試后，達(dá)到最終的設(shè)計(jì)功能要求。

　　2.5 系統(tǒng)硬件總述

　　為了使該模塊化LED顯示屏控制照明系統(tǒng)更加方便且靈活性高，我對(duì)本次系統(tǒng)的硬件做了精心設(shè)計(jì)。硬件電路包括LED燈電路、顯示電路、開關(guān)控制電路等三大模塊。整個(gè)照明系統(tǒng)有人為控制部分和自動(dòng)控制部分，人為控制是靠一個(gè)開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)操作的，通過(guò)重復(fù)按壓可以點(diǎn)亮更多的LED燈，而自動(dòng)控制是靠單片機(jī)控制的，我們把程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)后，單片機(jī)的系統(tǒng)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(jī)的P0口做燈光輸出，P1口做顯示輸出，P2口做開關(guān)輸入，即可完成硬件部分。在含有控制器的電路系統(tǒng)中，都必須要有相應(yīng)的復(fù)位電路，這樣能夠使系統(tǒng)在上電后，很好地復(fù)位系統(tǒng)并使系統(tǒng)處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。一般簡(jiǎn)單的復(fù)位電路可以采用RC復(fù)位，這種電路的穩(wěn)定性一般、可靠性較高。

　　2.6單片機(jī)的應(yīng)用技術(shù)

　　電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，促進(jìn)微型計(jì)算機(jī)測(cè)量和控制技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，單片機(jī)（單片微型計(jì)算機(jī)）的應(yīng)用已經(jīng)滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門和領(lǐng)域，它起到了越來(lái)越重要的作用。

　　單片微型計(jì)算機(jī)就是將中央處理單元、存儲(chǔ)器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器和多種接口都集成到一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。因此一塊芯片就構(gòu)成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。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(jì)算機(jī)。

　　單片機(jī)由硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)是指構(gòu)成微機(jī)系統(tǒng)的實(shí)體與裝置，通常由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入接口電路和輸入設(shè)備、輸出接口電路和輸出設(shè)備等組成。其中運(yùn)算器和控制器一般做在一個(gè)集成芯片上，統(tǒng)稱中央處理單元（Central Processing Unit），簡(jiǎn)稱CPU，是微機(jī)的核心部件。CPU配上存放程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器[2]、輸入/輸出（Input/Output，簡(jiǎn)稱I/O）接口電路以及外部設(shè)備即構(gòu)成單片機(jī)的硬件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)是微機(jī)系統(tǒng)所使用的各種程序的總稱，人們通過(guò)它對(duì)微機(jī)進(jìn)行控制并與微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行信息交換，使微機(jī)按照人的意圖完成預(yù)定的任務(wù)。軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)共同構(gòu)成完整的單片微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，兩者相輔相成，缺一不可。

　　2.7 CPU性能介紹

　　本系統(tǒng)采用了ATMEL公司MCS-51系列單片機(jī)中的AT89C51芯片，它是低壓高性能CMOS 8位微處理器，帶有4k字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，15個(gè)I／O口線，兩個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器，—個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口。

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