建筑电气智能应急照明系统设计研究

冯秀娟

摘 要：为了解决建筑常规应急照明时常存在的浪费电源、电池寿命短的问题，基于ZigBee技术提出智能应急照明系统，将光照及温度传感器与CC2430芯片作为核心，建立无线网络以发送、接收数据。经测试发现该系统可实时采集系统温度，可智能化控制采集数据与收到的命令。

关键词：智能应急照明系统;温度传感器;光强传感器;路由器

建筑常规应急照明系统存在能源浪费、电池过充过放等问題，对应急灯使用寿命造成影响，不能实现远程控制，不具备火灾预警功能。基于ZigBee技术建设智能应急照明系统，可实现对建筑应急照明系统的智能化控制，经测试证实其具有一定可行性，具体如下。

一、总体方案设计

智能应急照明系统的架构见图1。

光强采集芯片、温度采集芯片及CC2430ZigBee芯片构成核心控制板，将核心控制板嵌入照明灯。网络可采集照明灯工作状态、环境状态等信息。区域路由节点支持数个照明灯节点加入并传输数据信息，协调器接入所有区域的路由器节点，汇总信息并简单分析、总结，之后将信息传输至上位机，上位机系统对信息进行分析后即可掌握各区域的应急照明灯节点位置、附近火灾情况等[1]。

二、系统实现

1.硬件设计

1.1 数据采集模块

无线收发模块、数据采集模块组成了该模块。该模块可以采集照明灯自身、环境信息，能实现对灯状态的控制。

光强传感器芯片为TSL2561，其特点在于可编程、配置灵活、功耗低、量程宽（0-40000lux），其对光照强度进行判断控制应急照明灯，当正常供电或停电但外部光线条件较好的情况下不发光，只有在停电且外部光线条件较差的情况下发光，从而节省电能消耗。温度传感器可以通过数据线供电。两个传感器由于对工作电压没有特殊要求，电池、电源经过相应处理就可以使用。

电压采集电路为CC2430芯片，可以实时采集电池的电压，电压采集电路的作用在于检测有电、停电情况下的电池电压，对电池充放电进行控制。

1.2 无线收发模块

无线收发模块由各种电路、存储单元构成。系统对数据量要求不高，因此不增加其他MCU，将CC2430芯片内部的8051芯片作为节点控制器。结合应急灯内部特性及CC2430芯片的特点，无线收发模块包括复位电路、状态检测电路、电容滤波电路、巴伦电路及晶振电路等[2]。

2.软件设计

2.1 组建网络

基于Z-Stack协议栈设计应用程序、建立网络并实现无线发送等。协调器节点供电后进行初始化，之后协调器节点对信道进行扫描，建立网络，当终端节点加入后，由协调器判断是否有足够地址分配空间，当足够时，为终端节点分配网络地址。路由器节点、应急照明灯节点供电后初始化，之后寻找并请求加入网络，当成功后可获得全网唯一短地址。

成功入网后，节点请求绑定协调器。当没有发现收集节点时，一定时间后再次触发函数以检查、绑定节点。之后由节点对收集节点发送采集传感参数。通过调用任务添加函数的方式来完成任务初始化及任务处理。

2.2 功能实现

节点供电且完成初始化后，通过对相关函数的处理来完成数据的收集以及数据的上传于下达。节点判断参数后按照相关参数来决定照明灯是亮还是灭，数据传输到相关节点。为了确保随时能动态掌握参数变化，任务处理函数采用时间触发的方式。

当操作人员的指令下发到协调器时，这时后者从指令进行分析，对函数进行调用，判断需要控制节点的所在位置，之后将指令传输给目标节点，节点接收指令后进行判断，执行相应操作，例如控制灯的状态、检测相关参数等。

2.3 上位机软件设计

基于RS-232实现上位机与协调器节点的通信。上位机软件的作用包括火灾预警、对相应节点发送命令、储存节点发送数据处理数据等。其工作流程如下：开始后进行初始化，将检测软件打开，对端口进行扫描，分析是否有数据包到来，当没有数据包到来时，返回端口扫描继续检测;当有数据包到来时，判断数据或显示节点状态，判断是否有火灾险情，当没有火灾险情时返回扫描端口并继续检测;当有火灾险情时，驱动警报器。

三、测试及结果分析

采用协调器节点、路由器节点及应急照明节点建网，选择某高层建筑进行测试。将协调器节点与上位机连接进行检测，主要检测正常及异常情况下节点的工作状态、节点干扰的影响因素。

1.抗干扰能力

干扰主要来源于节点发射频率、节点通信距离、墙阻（钢筋混凝土墙）等。对节点与路由器的距离对丢包率的影响进行测试，结果显示当节点与路由器的距离为50m，无墙阻时，丢包率为0%;当存在1个墙阻时，丢包率0%;当存在2个墙阻时，丢包率2%。当节点与路由器的距离为75m，无墙阻时，丢包率为0%;当存在1个墙阻时，丢包率3%;当存在2个墙阻时，丢包率7%。当节点与路由器的距离为90m，无墙阻时，丢包率为3%;当存在1个墙阻时，丢包率9%;当存在2个墙阻时，丢包率21%。

通过对实验结果的分析，我们可以知道墙阻、节点与路由器距离都会影响到丢包率。为了最大程度地对丢包率进行控制，当建筑层数比较多时，要把路由器节点设置在建筑的每一层;除此之外需要对墙阻进行控制。

2.工作状态

随机选择路由器、照明灯节点，通过电暖气烘烤的方法来提高环境温度，对监视界面进行观察。通过上位机能观察到网络内节点的相关情况，红色节点共计2个代表有险情，其余节点均为绿色代表正常，通过上位机可以监视故障节点的相关情况。

结束语

基于ZigBee技术的建筑电气智能应急照明系统可节省电源，延长应急灯的使用寿命，可加入无线网络，采集参数并经网络传输至上位机，可由上位机实现远程控制，具有一定可行性。

参考文献

[1]麻潆心，韩飞.建筑电气智能应急照明系统设计和应用[J].河北农机，2020（02）：65.

[2]邓朝明.智能消防应急照明系统在民用建筑电气设计中的应用研究[J].居舍，2019（19）：153.