基于 ZigBee 的室外篮球场智能照明控制系统设计
发布时间：2022-03-05
摘 要 ：随着我国全民健身深入推进与篮球热潮持续掀起，篮球场等公共体育设施建设不足问题日益凸显。如今，众多年轻人将打球时间安排在傍晚或晚上，室内篮球场数量有限且需要付费，大量室外篮球场因为缺乏照明而无法在晚间被有效利用起来。针对该问题，设计一套基于 ZigBee 的室外篮球场智能照明控制系统。该系统以 CC2530 为核心芯片，通过多传感器采集篮板上的光照度、压力和湿度等数据，随后通过 ZigBee 网络多点分布式输出至协调器，协调器根据一定规则处理数据并输出控制信号至照明开关，从而实现室外球场照明系统的智能控制。该系统能做到“有人打球时自动开灯、无人打球时自动关灯”，为新型室外灯光球场的建设提供了技术方法与节能策略，为驱使更多年轻人利用晚间空余时间走向篮球场提供了助力。
关键词 ：智能照明 ;控制系统 ;ZigBee ;CC2530 ;传感器 ;室外篮球场
0 引 言
2016年，国务院印发了《全民健身计划(2016—2020年)》[1]，该计划明确提出以下三点 ：第一，统筹建设全民健身场地，方便群众就近就便健身 ;第二，将青少年作为实施全民健身计划重点人群，大力普及青少年体育活动 ;第三，强化全民健身科技创新，推进全民健身场地设施创新，促进全民建设场地设施升级换代。《2018 中国篮球产业白皮书》[2] 则指出 ：第一，在中国体育产业中篮球已成为第一运动，篮球爱好者主要为 35 岁以下年轻人 ;第二，中国篮球场地数量已接近 60 万个，73.6% 受访者主要在室外打篮球，而常在室内打球者仅为 11.5%。篮球作为我国最流行的体育运动之一，深受年轻人喜爱并对刺激体育相关消费贡献突出。当前我国室内篮球场场地固定、数量较少且需要付费，因此位置便利、数量众多且免费使用的室外篮球场便成为大多数篮球爱好者的主要运动场所。对于大多数年轻人而言，只有在放学或下班之后才有空开展篮球运动。然而，在夜幕降临之后，大多数室外篮球场因为缺乏照明系统而无法进行篮球训练或比赛，而对于安装有球场灯光的室外篮球场往往因为缺乏专门管理人员而导致大多数晚上不会启用照明系统。因此，设计一种“有人打球时自动开灯、无人打球时自动关灯”的室外篮球场智能照明控制系统对于推进全民健身国家战略、提升青少年身体素质、构建篮球运动氛围、促进体育产业消费等具有重要作用。
本设计采用的室外篮球场照明布灯的方案为 6 套分别立在场地两侧的 LED 灯 [3]，如图 1 所示。其中，1，2 号灯和篮板 1 对应左半球场 ;5，6 号灯和篮板 2 分布在右半球场 ; 3，4 号灯则立在球场两侧的中间位置。笔者拟设计一套基于 ZigBee 的室外篮球场智能照明控制系统，该系统将光照传感节点(根据外界光照度决定是否需要开启照明)、压力传感节点(根据篮板上是否有篮球撞击决定是否开启照明)和湿度传感节点(根据空气湿度判断是否为晴天以决定是否开启照明，同时也能避免较大雨滴对篮板产生压力干扰)嵌入篮板背面采集数据，数据通过 ZigBee 无线通信技术实现多点分布式采集至协调器，协调器基于预设规则处理数据并输出控制信号至照明开关，照明开关做出对应打开或关闭灯光的动作，最终实现对球场照明系统的智能控制。
1 系统整体设计
如图 2 所示，室外篮球场智能照明控制系统由终端节点、协调器、照明开关、上位机和电源等组成。终端节点内嵌于篮板，并根据球场的两个篮板进行编号，分别为光照节点 1， 2，压力节点 1，2 和湿度节点 1，2。终端节点与协调器通过 ZigBee 无线传输网络互联，协调器输出控制信号至照明开关，协调器与上位机通过串口通信。控制系统主要实现步骤如下 ：
(1)内嵌于篮板的光照节点、湿度节点和压力节点分别用于感应当前外界光照度、空气湿度以及篮板所受压力，并将上述采集数据输出至协调器
;(2)协调器根据预设规则对采集数据进行处理，依据处理结果输出控制信号至照明开关，控制球场为无照明、半场照明或全场照明状态 ;
(3)协调器将相关数据通过串口发送至上位机 ;
(4)上位机查看相关数据，或向协调器发出指令，实现远程控制。
2 系统硬件设计
系统硬件设计主要包括传感器模块、无线通信模块、照明开关模块、上位机和电源模块。
2.1 传感器模块
传感器模块包括光照传感器、压力传感器和湿度传感器。
BH1750 是一款数字型光照度传感器集成芯片，由光敏二极管、运算放大器、ADC 采集、晶振等组成。光敏二极管通过光生伏特效应将光信号转换为电信号，经运算放大器放大后，由 ADC 和数字逻辑电路将采集的电压转换为二进制数。BH1750提供I 2 C总线接口与单片机通信[4]，如图3所示， BH1750 通过 SCL、SDA 两个端口与 CC2530 的 GPIO 口连接。
FSR402 是一款电阻式力敏传感器，传感器感应面积的直径为 12.7 mm，使用寿命大于 100 万次挤压。如图 4 所示，该传感器的工作原理是将施加在力敏传感器薄膜区域的压力变换为电阻值，压力与电阻成反比，根据电阻值的大小获取压力信息 [5]。该传感器具备测量精度高、重量轻体积小、使用寿命长等优点。
DHT11 是一款含有已校准数字信号输出的数字温湿度传感器，包括一个电阻式感湿元件和一个负温度系数测温元件 [6]。专用的温湿度传感技术和数字模块采集技术保证该传感器具有较高的可靠性和稳定性。体积小、功耗低、传输距离长(可达 20 m 以上)，使 DHT11 成为各类应用场合的最佳选择。DHT11 电路连接如图 5 所示。
2.2 无线通信模块
本设计采用的无线通信网络为 ZigBee 网络。ZigBee 具有小功耗、低成本、慢速率、自配置和灵活化的网络拓扑结构等特征，并被广泛应用于智能家居、智慧城市、工业控制等智能化自动化领域 [7]。无线通信模块采用支持 Z-Stack 协议栈的 CC2530 芯片来实现。CC2530 是 TI 公司经过 ZigBee 认证的网络处理器，支持 IEEE 802.15.4 标准 /ZigBee/ ZigBee RF4CE。CC2530 结合了 8051 微处理器、RF 收发器、8 KB RAM 以及其他强大的外设与支持功能。另外，该芯片还具有 3 种电源管理模式 ：中断模式、睡眠模式和唤醒模式， 3 种模式相互切换，从而大幅降低功耗 [8]。
2.3 照明开关模块
照明开关模块根据协调器发出的控制信号来控制篮球场照明灯光的开关状态。照明开关模块主要包括光耦合器和继电器，光耦合器与继电器相连 [9]。光耦合器从输入端到输出端实现了“电—光—电”的转换，抗干扰能力强，实现了单向传输信号。继电器是具有隔离功能的自动开关元件，具有控制、保护、调节和传递信息的作用。协调器通过光耦合器向继电器发出控制信号，从而控制照明灯光的开关状态。
3 系统软件设计
软件设计主要包括终端节点软件设计和协调器软件设计。
3.1 终端节点的软件设计
ZigBee 网络由协调器确定个域网 ID、无线射频通信信道和收发地址等参数后发起创建网络，终端节点请求加入并被判断基本参数是否与协调器一致，一致则成功地加入 ZigBee 网络。如图 6 所示，终端节点的程序流程为 ：终端节点在进行系统初始化后请求加入 ZigBee 无线网络 ;加入成功后，启动定时器，等待定时器时间到达后，将传感器采集到的数据转发至协调器。
3.2 协调器的软件设计
室外篮球场的布灯方案为 6 套 LED 灯分布在球场的两侧。1，2 号，3，4 号和 5，6 号照明灯分别分布在左半球场、中间球场和右半球场。左半场被使用时，1，2 号照明灯亮，其余灯光灭 ;右半场被使用时，5，6 号照明灯亮，1 ～ 4 号灯光灭 ;全场被使用时，1 ～ 6 号照明灯全亮。如图 7 所示，篮球场全场灯光控制单元实时地读取半场亮灯情况，并对此做出相应操作。当 1，2 号，5，6 号灯同时启用时，3，4 号灯自动开启 ;否则，3，4 号灯一直处于关闭状态。其中，半场灯光控制程序的具体流程如图 8 所示。
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篮球场半场灯光控制程序流程为 ：协调器创建 ZigBee 网络后，等待并接收终端节点入网 ;终端节点入网后，协调器接收终端节点采集到的数据 ;判断上述数据是否满足开灯条件，若满足则打开节点对应灯并且持续亮灯 15 min，否则判断节点对应灯是否已持续亮灯 15 min，若是，执行关闭灯操作。其中，终端节点由终端节点 1 和 2 组成，节点 1(包括光照节点 1、压力节点 1 和湿度节点 1)对应 1，2 号灯，节点 2(包括光照节点 2、压力节点 2 和湿度节点 2)对应 5， 6 号灯。开灯条件是指球场附近的光线不足且有人在打球对篮板有一定撞击压力且篮板较为干燥，具体为传感器采集到光照度、湿度低于阈值，并且压力大于一定数值。
4 结 语
夜幕降临后，照明问题是室外篮球场的一大痛点，无灯会严重影响篮球运动的开展，即使有灯往往因为缺乏管理人员而不会经常开启使用。针对上述问题，本文设计一套基于 ZigBee 的室外篮球场智能照明控制系统。该系统采集当前外界光照度、空气湿度和篮板所受压力并将其输出至协调器，协调器根据设定规则对采集数据进行处理，依据处理结果输出控制信号至照明开关，控制球场实现无照明、半场照明和全场照明三种照明状态，从而在晴天夜晚做到“有人打球时自动亮灯、无人打球时自动关灯”的室外球场灯光智能控制，并能改善城市公共运动设施条件，提高群众体育运动参与度，促进青少年“五育一体”全面发展。——论文作者：朱晓君 1 ，申 昊 1 ，李沛熹 1 ，冯广宇 2 ，李 权 2
参考文献
[1] 佚名 . 国务院印发《全民健身计划(2016—2020 年)》[N]. 人民日报， 2016-06-24.
[2] 腾讯体育，企鹅智库 .2018 中国篮球产业报告 [EB/OL]. [2018-11- 23].https：//www.sohu.com/a/277342030_118392.
[3] 刘辉，杜峰 . 关于灯光球场夜间照明的相关问题浅析：以福州市某灯光篮球场为例 [J]. 福建建筑，2013，24(12)：106-108.
[4] 苏楚怡，黄金旭，刘灼权，等 . 基于 ZigBee 的智能 LED 照明系统 [J]. 物联网技术，2017，7(7)：83-85.
[5] 谷善茂，刘云龙，纪志祥 . 基于 ZigBee 的家用智能防水浸探测器设计 [J]. 电子技术应用，2015，41(6)：77-80.
[6] 陈建新 .DHT11 数字温湿度传感器在温室控制系统中的应用 [J]. 山东工业技术，2016，35(18)：120.
[7] 张涛 . 基于物联网的蔬菜大棚环境监测系统设计 [D]. 长沙：湖南大学，2016.
[8] 庞泳，李光明 . 基于 ZigBee 的智能家居系统改进研究 [J]. 计算机工程与设计，2014，35(5)：1547-1550.
[9] 文枰 . 基于 ZigBee 的智能路灯管理系统设计 [J]. 自动化技术与应用，2018，37(12)：176-180.
10] 周峻臣，李磊 . 基于单片机的 ZigBee 智能家居环境监测系统 [J]. 电工技术，2019，40(24)：10-11.
