基于物聯(lián)網(wǎng)的智能空間藝術(shù)燈飾系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能空間藝術(shù)燈飾系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一組無線燈飾節(jié)點和狀態(tài)控制子系統(tǒng)，無線燈飾節(jié)點包括供電子系統(tǒng)、傳感器子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、燈飾控制子系統(tǒng)和一組燈飾；傳感器子系統(tǒng)與通信子系統(tǒng)連接，用于感知外界的信號，以啟動整個系統(tǒng)的工作；通信子系統(tǒng)與燈飾控制子系統(tǒng)連接，接收傳感器子系統(tǒng)發(fā)送的系統(tǒng)工作啟動信號；燈飾控制子系統(tǒng)，將通信子系統(tǒng)的控制信號轉(zhuǎn)化為能夠驅(qū)動藝術(shù)燈飾的控制信號。狀態(tài)控制子系統(tǒng)：用于遙控無線燈飾節(jié)點，并負責控制這些無線燈飾節(jié)點狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，以控制燈飾工作。該系統(tǒng)各個燈節(jié)點通過無線電波的形式互聯(lián)互通，由各個節(jié)點分開進行運算，從而分解龐大的計算量，實現(xiàn)獨特的燈光效果。
【專利說明】基于物聯(lián)網(wǎng)的智能空間藝術(shù)燈飾系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于燈飾控制領(lǐng)域，在燈光控制方式上提升了信息交互程度，涉及無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)，分布式計算方法和節(jié)點動態(tài)定位技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的LED燈飾主要有兩種控制方式:其控制方式大致分為兩種:一種是定時控 制，例如常見的節(jié)日閃爍彩燈；另一種是感應(yīng)式控制，例如樓道用于照明的感應(yīng)燈。定時控 制的燈具由事先編好的程序來控制燈飾的閃爍效果，適用于大量燈飾組成的燈群，但燈與 燈之間采用有線連接的集中式控制方式，燈的數(shù)量不能隨意增減，一旦出現(xiàn)故障也不易整 修；感應(yīng)式控制的燈具通過感應(yīng)周圍環(huán)境的變化來控制燈的亮滅，但控制方式單一且沒有 與其他燈具組成網(wǎng)絡(luò)進行信息交互。
[0003]隨著科技的進步和人們生活水平的提高，不斷上升的需求使燈具的功能和形式也 在進行著由“燈具”到“燈飾”再到“智能燈飾”的巨大變化。而“智能燈飾”提供的更為人 性化的藝術(shù)性服務(wù)進一步的體現(xiàn)了 “科技以人為本”的理念。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的主要目的是在燈飾控制方式上融入了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，解決傳統(tǒng) 控制方式靈活性低，信息交互程度低的問題，提供一套與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的、基于物 聯(lián)網(wǎng)的智能空間藝術(shù)燈飾系統(tǒng)，使得燈飾系統(tǒng)中的各個燈節(jié)點通過無線電波的形式互聯(lián)互 通，由分布在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點分開進行運算，從而分解龐大的計算量，實現(xiàn)獨 特的燈光效果。并為智能家居系統(tǒng)提供了先行的技術(shù)基礎(chǔ)，搭建了物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的智能家 居系統(tǒng)雛形。
[0005]本發(fā)明提供的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能空間藝術(shù)燈飾系統(tǒng)包括一組無線燈飾節(jié)點和狀 態(tài)控制子系統(tǒng)，各無線燈飾節(jié)點具體包括供電子系統(tǒng)、傳感器子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、燈飾控 制子系統(tǒng)和一組燈飾；
[0006]供電子系統(tǒng):包括低功耗供電模塊和燈飾供電模塊，低功耗供電模塊用于無線燈 飾節(jié)點中的傳感器子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)和燈飾控制子系統(tǒng)的供電，燈飾供電模塊用于無線 燈飾節(jié)點中的一組燈飾的供電；
[0007]為了更好的體現(xiàn)系統(tǒng)的靈活性與可擴展性，設(shè)計時將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(即無 線燈飾節(jié)點中的通信子系統(tǒng)、傳感器子系統(tǒng)和燈飾控制子系統(tǒng))的供電與藝術(shù)燈飾節(jié)點的 供電分開。考慮到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與燈飾節(jié)點供電電流差異較大，無線傳感器節(jié)點在 休眠時只需要幾納安的電流，工作時的電流只有幾毫安，無線發(fā)射時的峰值也只有十幾毫 安，而每個無線燈飾節(jié)點在LED全開時會流過150毫安左右的電流。所以不宜集中供電。另 外，一旦燈飾節(jié)點的電參數(shù)發(fā)生變化，該部分的供電系統(tǒng)可單獨更改，不需要對無線傳感器 節(jié)點進行重新設(shè)計，便于系統(tǒng)擴展。
[0008]傳感器子系統(tǒng):與通信子系統(tǒng)連接，主要用于感知外界的信號，并將感知到的外界信號輸入通信子系統(tǒng)，以啟動整個系統(tǒng)的工作；
[0009]傳感器子系統(tǒng)的設(shè)計要同時考慮可靠性與節(jié)能性。“本系統(tǒng)選擇一個由菲涅爾透鏡、熱釋電紅外傳感器和一枚BISS0001芯片組成的被動紅外傳感器作為感知外界的節(jié)點；”即圖2中的被動紅外模塊。菲涅爾透鏡能將探測區(qū)域分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入探測區(qū)域的移動物體能以溫度變化的形式在探測器上產(chǎn)生變化的熱釋紅外信號。BISS0001是一種高效的紅外傳感信號處理器，由運算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲控制器和封鎖時間定期器等數(shù)?；旌想娐窐?gòu)成，用于處理熱釋電紅外傳感器上的信號，并與處理器進行通信。
[0010]通信子系統(tǒng):與燈飾控制子系統(tǒng)連接，接收傳感器子系統(tǒng)發(fā)送的系統(tǒng)工作啟動信號；通信子系統(tǒng)一方面進行運算，將運算形成的控制信號輸入至燈飾控制子系統(tǒng)；一方面發(fā)射通信信號，與其他節(jié)點中的通信子系統(tǒng)交互，實現(xiàn)無線燈飾節(jié)點之間的互動互通。
[0011]燈飾系統(tǒng)采用由德州儀器公司設(shè)計生產(chǎn)的CC2530芯片。CC2530是工作在2.4GHz頻段的第二代ZigBee芯片，它將一個高性能2.4GHz DSSS (直接序列擴頻)射頻收發(fā)器核心和一顆小巧的工業(yè)級8051控制器集成在一起，并能從硬件上支持ZigBee協(xié)議。該芯片的特點是它的極低功耗，電壓供電僅為2V-3.6V，中斷允許的待機電流為0.4 μ A，發(fā)射機處于接收狀態(tài)耗電為24mA，發(fā)射狀態(tài)耗電為29mA，很適合用于采用電池供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。此外，該芯片還具有三個定時/計數(shù)器、隨機數(shù)發(fā)生器以及硬件中斷，綜合考慮到協(xié)議的支持、功耗、體積、與算法的配合等方面，該芯片完全能夠勝任本系統(tǒng)的需求。
[0012]燈飾控制子系統(tǒng):與通信子系統(tǒng)連接，將通信子系統(tǒng)通用IO端口的控制信號轉(zhuǎn)化為能夠驅(qū)動藝術(shù)燈飾的控制信號。
[0013]為了使燈飾的藝術(shù)效果發(fā)揮的淋漓盡致，合適的燈光控制算法和有效可靠的硬件是很必要的。燈飾控制子系統(tǒng)(即圖2中的燈飾驅(qū)動模塊)由一組光電隔離開關(guān)(AQW214S芯片)、電流放大器和燈飾組成。為燈飾設(shè)計的分布式集群算法引入了群智能(SwarmIntelligence)的概念,用以模擬燈群的燈光變化效果。所謂群智能，就是利用個體的簡單智能實現(xiàn)群體的高智能，例如鳥群或魚群的路線搜索技能，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的燈飾群正可以模擬動物群體的交流與思維方式，最終模擬出類似于鳥群優(yōu)美飛行或是魚群靈活聚散的效果，形成一種震撼的視覺體驗。
[0014]狀態(tài)控制子系統(tǒng):該子系統(tǒng)獨立于無線燈飾節(jié)點，用于遙控無線燈飾節(jié)點，并負責控制這些無線燈飾節(jié)點狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，以控制燈飾工作。
[0015]為了使燈飾系統(tǒng)能量消耗最低，設(shè)置了狀態(tài)控制子系統(tǒng)。狀態(tài)控制子系統(tǒng)由狀態(tài)遙控器構(gòu)成，這部分的設(shè)計要考慮兩個方面要求，一是狀態(tài)控制子系統(tǒng)發(fā)出的狀態(tài)命令要盡可能確保系統(tǒng)中的每個無線燈飾節(jié)點都能收到；二是無線燈飾節(jié)點收到狀態(tài)控制子系統(tǒng)發(fā)出命令后要有所反饋。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果:
[0017]本發(fā)明通過改變傳統(tǒng)燈飾的集中式控制方式，采用新穎的分布式控制方式，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)搭建了一套智能空間藝術(shù)燈飾系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，各個燈節(jié)點通過無線電波的形式互聯(lián)互通，由分布在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點分開進行運算，從而分解龐大的計算量，實現(xiàn)獨特的燈光效果。
[0018]本發(fā)明所采用的分布式計算方法使得每一個燈飾節(jié)點都能獨立思考，并與其他燈飾節(jié)點通信組成燈飾群，形成了人-燈-環(huán)境三位一體的交互系統(tǒng)，帶來全新的視覺體驗。 本發(fā)明構(gòu)建的“智能燈飾”提供的更為人性化的藝術(shù)性服務(wù)進一步的體現(xiàn)了 “科技以人為 本”的理念。同時，體現(xiàn)了從“燈飾”到“智能燈飾”的巨大變化，具有良好的應(yīng)用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是智能空間藝術(shù)燈飾系統(tǒng)組成示意圖。
[0020]圖2是無線燈飾節(jié)點硬件基本結(jié)構(gòu)框圖。
[0021 ] 圖3是無線燈飾節(jié)點電原理圖。
[0022]圖4是無線通信模塊電路原理圖。
【具體實施方式】:
[0023]實施例1
[0024]如圖1所示，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能空間藝術(shù)燈飾系統(tǒng)包括一組無線燈飾節(jié)點和狀態(tài) 控制子系統(tǒng)。各無線燈飾節(jié)點具體包括供電子系統(tǒng)、傳感器子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、燈飾控制 子系統(tǒng)和一組燈飾(見圖2)。供電子系統(tǒng):包括低功耗供電模塊和燈飾供電模塊，低功耗供 電模塊用于無線燈飾節(jié)點中的傳感器子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)和燈飾控制子系統(tǒng)的供電，燈飾 供電模塊用于無線燈飾節(jié)點中的一組燈飾的供電。
[0025]智能空間藝術(shù)燈飾系統(tǒng)由一組無線燈飾節(jié)點組成，眾多燈飾節(jié)點組成物聯(lián)傳感網(wǎng) 絡(luò)，燈飾節(jié)點之間通過IEEE802.15.4協(xié)議聯(lián)通，進行數(shù)據(jù)交互，成為一個燈飾群，通過節(jié)點 間的動態(tài)定位技術(shù)實現(xiàn)信息交流和自我感知，也是設(shè)計燈光控制算法的基礎(chǔ)。一部分燈飾 節(jié)點被安裝了紅外傳感器，通過這些傳感器可感知外界游人的來往，從而形成人與燈群環(huán) 境的和諧互動。
[0026]為了方便系統(tǒng)的布設(shè)和擴展，每個燈飾節(jié)點都采用電池供電，獨立節(jié)點的增加與 刪減都不會受到布線的影響。為了降低無線燈飾節(jié)點的電源消耗，延長系統(tǒng)的使用時間，系 統(tǒng)有休眠和工作兩種狀態(tài)。處于休眠狀態(tài)的節(jié)點，LED燈將與電源斷開，同時無線電發(fā)射處 于靜默狀態(tài)。而處于工作狀態(tài)的節(jié)點，LED燈的電源處于可控狀態(tài)，同時能夠接收與發(fā)射信
肩、O
[0027]無線燈飾節(jié)點的硬件平臺的搭建
[0028]如圖2所示硬件基本結(jié)構(gòu):每個無線燈飾單元包括I個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(即無 線燈飾節(jié)點中的通信子系統(tǒng)、傳感器子系統(tǒng)和燈飾控制子系統(tǒng))和3個藝術(shù)燈飾節(jié)點。無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點體積很小，通過低功耗供電模塊供電，與電池一起被封裝在節(jié)點盒內(nèi)，燈飾 節(jié)點通過細電纜與節(jié)點盒相連。為了實現(xiàn)模塊化設(shè)計、高擴展性的要求，按照系統(tǒng)功能，將 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊設(shè)計為三部分，分別是無線通信模塊、被動紅外傳感器模塊和藝 術(shù)燈飾控制模塊，一并封裝于塑料節(jié)點盒中。紅外探測模塊負責探測周圍行人的情況，藝術(shù) 燈飾控制模塊負責處理紅外探測模塊的探測結(jié)果和實現(xiàn)系統(tǒng)的算法，無線通信模塊實現(xiàn)與 其他的燈飾節(jié)點相互通信，使控制算法得以實施。
[0029]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu):無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主要由I枚CC2530芯片、I枚 32MHz的貼片晶振、I枚32.768KHz的晶振、板載天線、外擴鞭狀天線以及電源濾波網(wǎng)絡(luò)、復(fù) 位電路和射頻諧振網(wǎng)絡(luò)組成。[0030]1.時鐘晶振的設(shè)計
[0031]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的時鐘晶振采用了雙基準設(shè)計，加入了 I枚32MHz的貼片晶振和I枚32.768KHz的晶振。32MHz的晶振為中央處理器單元全速工作狀態(tài)下提供高速時鐘基準，以達到高性能要求，32.768KHZ晶振為中央處理器低速省電的工作狀態(tài)提供低速的時鐘基準。
[0032]2.天線的設(shè)計
[0033]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的天線采用板載天線加外擴鞭狀天線的雙天線方案以增加靈活性。PCB板載天線的優(yōu)點是成本低，幾乎不增加硬件的成本，缺點是性能低下，占據(jù)的PCB板面積可能很大。鞭狀天線的優(yōu)點是性能很好，缺點是成本高、尺寸大，在某些特定的應(yīng)用中很難部署。所以我們設(shè)計的雙天線系統(tǒng)在不需要遠距離傳輸，體現(xiàn)節(jié)點小巧時，采用板載天線；當需要遠距離傳輸，對節(jié)點大小不敏感時，采用鞭狀天線。
[0034]PCB板載天線采用“倒F”形狀的天線，近似的全向天線，天線增益為1.1dbi，鞭狀天線采用可折疊形式，天線增益為2dbi，全向天線。
[0035]藝術(shù)燈飾群拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計
[0036]智能藝術(shù)燈飾系統(tǒng)的特點是:沒有中心節(jié)點，所有燈飾單元處于平等的地位，移除任何已有的燈飾單元或加入新的燈飾單元都不會影響系統(tǒng)的總體功能。因此在設(shè)計本系統(tǒng)的燈飾單元節(jié)點時，適當?shù)膶f(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點的功能結(jié)合起來，既保證了功能，又增加了睡眠時間，適合電池供電的情況。
[0037]為了適合這些要求，系統(tǒng)將Zstack協(xié)議作以修改，采用協(xié)調(diào)器、路由器的兩級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
[0038]藝術(shù)燈飾網(wǎng)絡(luò)中有兩`種地址，一種是64位的MAC地址，是全球唯一的，該地址用于燈飾節(jié)點在沒有建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的時候，使用MAC層進行通信；另一個地址是16位的ZigBee網(wǎng)絡(luò)地址，該地址在燈飾網(wǎng)絡(luò)中是唯一的，用于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的燈飾節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)層通信時的尋址。當?shù)谝粋€燈飾節(jié)點上電后，如在掃描周圍通信信道時未發(fā)現(xiàn)其他燈飾節(jié)點，他會將自己配置為協(xié)調(diào)器燈飾節(jié)點，完成網(wǎng)絡(luò)初始化。網(wǎng)絡(luò)一旦建立，這個協(xié)調(diào)器燈飾節(jié)點就變成普通的路由器燈飾節(jié)點了。其他的燈飾節(jié)點作為路由器節(jié)點就可以加入這個網(wǎng)絡(luò)并請求第一個節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)短地址并保存。至此，路由器燈飾節(jié)點不僅可以用MAC地址向協(xié)調(diào)器燈飾節(jié)點發(fā)射數(shù)據(jù)包，也可以利用網(wǎng)絡(luò)短地址和協(xié)調(diào)器燈飾節(jié)點進行網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的通信，路由器燈飾節(jié)點已經(jīng)成功加入了網(wǎng)絡(luò)。之后，每當有新的燈飾節(jié)點上電，都會將自己配置為路由器燈飾節(jié)點，按照上面的過程一一加入燈飾網(wǎng)絡(luò)中。此時，就形成了樹狀集群網(wǎng)絡(luò)，從而可以利用Zstack中的路由算法進行點對點或者廣播通信。本系統(tǒng)采用的通信信可以分為兩種方式，分別是單點傳輸和廣播傳輸。
[0039]藝術(shù)燈飾的控制算法的實現(xiàn)
[0040]1.動態(tài)定位算法
[0041]通常情況下在二維平面內(nèi)，已知各節(jié)點之間的距離，一個未知節(jié)點的坐標(x，y)能由三個或三個以上已知節(jié)點的坐標計算出來。我們將Xtl和10定義為即將進行估計的未知節(jié)點O的二維坐標,Xi和Yi是已知節(jié)點i的二維坐標，i=l, 2，3…N, N是已知坐標節(jié)點的總數(shù)。
[0042]由此可得兩點之間的距離Ditl滿足下面的公式:[0043]
【權(quán)利要求】
1.一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能空間藝術(shù)燈飾系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括一組無線燈飾節(jié)點和狀態(tài)控制子系統(tǒng)； 各無線燈飾節(jié)點具體包括供電子系統(tǒng)、傳感器子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、燈飾控制子系統(tǒng)和一組燈飾； 供電子系統(tǒng):包括低功耗供電模塊和燈飾供電模塊，低功耗供電模塊用于無線燈飾節(jié)點中的傳感器子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)和燈飾控制子系統(tǒng)的供電，燈飾供電模塊用于無線燈飾節(jié)點中的一組燈飾的供電； 傳感器子系統(tǒng):與通信子系統(tǒng)連接，主要用于感知外界的信號，并將感知到的外界信號輸入通信子系統(tǒng)，以啟動整個系統(tǒng)的工作； 通信子系統(tǒng):與燈飾控制子系統(tǒng)連接，接收傳感器子系統(tǒng)發(fā)送的系統(tǒng)工作啟動信號；通信子系統(tǒng)一方面進行運算，將運算形成的控制信號輸入至燈飾控制子系統(tǒng)；一方面發(fā)射通信信號，與其他節(jié)點中的通信子系統(tǒng)交互，實現(xiàn)無線燈飾節(jié)點之間的互動互通； 燈飾控制子系統(tǒng):與通信子系統(tǒng)連接，將通信子系統(tǒng)通用IO端口的控制信號轉(zhuǎn)化為能夠驅(qū)動藝術(shù)燈飾的控制信號； 狀態(tài)控制子系統(tǒng):該子系統(tǒng)獨立于無線燈飾節(jié)點，用于遙控無線燈飾節(jié)點，并負責控制這些無線燈飾節(jié)點狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，以控制燈飾工作。
【文檔編號】H04W84/18GK103533702SQ201310083806
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月14日
【發(fā)明者】王妙瓊, 徐昌 申請人:南開大學(xué)