基于IoT和Zigbee的设计与仿真智能照明系统外文翻译资料

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基于IoT和Zigbee的设计与仿真智能照明系统

Bevek Subba, Choki Wangchuk, Seema Ghalley, Jigmi, Lhendup Jamtsho, Sangay Chedup

摘要：随着物联网技术的进步，固态照明和控制技术系统方面也在不断发展，智能照明正受到广泛关注。这一概念不断发展，以满足下一代设备的需求。

在现代住宅建筑中和物联网一起工作，室内照明占总能耗的15-20%。本课题的目标是设计低成本的嵌入式节能照明系统，可以通过internet提供系统的实时信息和监控。在光的帮助下电阻（LDR）和被动红外（PIR）传感器，只要有人进入，就可以控制灯泡的照明一个房间。这意味着不使用时灯将保持关闭。在这种帮助下，系统设计成为可能传感器和编程微控制器。传感器数据也可以从Zigbee发射机发送到Zigbee接收器通过无线信道，使作为接收器的人可以随时监控灯光的使用情况。新型科技如STEMSEL（科学技术工程数学社会企业学习）开发板在项目中也使用了，以便将物联网注入系统。最后，传感器数据将从发射机到接收机通过无线和网站将被处理，可以从任何地方通过互联网访问互联网。为了验证系统的能量效率，还进行了实例分析。

关键词：物联网、LDR、PIR、Zigbee、STEMSEL、智能照明

一 导言

能源作为驱动现代世界的最基本的东西，对世界如何可持续地使用这些能源产生了巨大的影响。利用率最高的能源是电力，它似乎正在逐渐退化，特别是由不可再生资源产生的电力。所以可以说，节省的能量是非常重要的。每一个小小的行动都可以节约能源，因为在当今世界的这个阶段，能源效率是整个世界繁荣的目标。为了促进可持续能源的发展，需要把重点放在能源效率和可再生能源上。许多国家已经实施了能源效率是国家安全的最佳效益的政策，因为这一战略可以用来减少能源的总使用量，从而减少能源进口和减少消耗能源资源。在当今的住宅建筑中，室内照明占总能耗的15-20%[1]。因此，本课题主要是为节能照明系统的嵌入式系统的开发而设计和实施的，该系统可以通过internet提供系统的实时信息。减少能源消耗的方法有很多，但照明控制被证明是减少能源消耗和能源浪费的最有效的方法。

智能照明是为节能、方便和安全而设计的照明技术，也是迈向自动化物联网技术的第一步。智能照明使用智能连接设备，使照明系统更可持续、响应更快、效率更高、用户更安全。智能照明可以使用一个灯泡或一个连接了必要传感器的智能插座，两者都通过Wi-Fi模块连接到互联网，用户可以通过Wi-Fi模块监控灯泡的能耗。智能照明是最便捷的消费节能方式之一。它使用户能够远程控制照明，最大限度地减少不必要的能源使用。这种技术或策略不仅节约了能源，而且为用户提供了舒适和方便。智能照明使用了一个简单的概念，即在不使用时只需关闭灯光即可有效利用自然光或能源[1-5]。这是在使用Arduino和Stemsel的各种传感器（如PIR传感器和LDR传感器）的帮助下完成的。物联网是由相互关联的设备和机器组成的，这些设备和机器能够在没有人类干预的情况下通过网络传输信息[3-9]。物联网设备和机器的应用种类繁多，分为消费、商业、工业和智能家居。物联网设备用于家庭自动化，包括照明、供暖、安全和媒体，借助一个可以控制所有连接到它的设备的集线器。物联网帮助用户监控物联网设备使用的整体环境。物联网自动化系统通过在不使用时自动关灯，确保长期节能。本文介绍了一种以节能为重点的自动智能照明系统的设计。该系统价格合理，使用方便。

二 相关工程

文[4]利用Xbee无线模块、LDR、单片机设计了智能路灯监控系统。控制器将处理数据，并在Xbee的帮助下与控制中心进行无线通信。通过这种技术，控制中心可以跟踪不工作的灯。当不使用特定的灯时，这些灯也可以以低亮度亮起。在[5]中，智能LED系统被用于工业和家庭用途。在文[6]中，设计了利用光传感器和光电传感器根据情况自动开关路灯的系统。提出了传感器检测人体运动时控制光强的思想。这盏灯在白天熄灭，以促进节能。[7] 提出了一种基于物联网的嵌入式路灯系统，利用LDR、红外传感器、UART、中继、arduino和Wifi模块实现节能。系统还检测运动。相应地打开/关闭灯，并使用Wifi模块更新物联网页面。在[8]中，GSM技术用于控制亮度的灯光开关。在[9]中，PIR传感器也与LDR一起使用，用于人的感知，Zigbee用于通信目的。打开和关闭路灯，取决于从Zigbee模块接收到的数据。该系统使用太阳能和备用电池。[10-12]强调使用互联网的家庭安全系统。当房子里有入侵者时，信息就会发送给房主。闹钟将从手机远程触发。

三 系统模型

LED灯泡用于照明光源具有持久和节能的优点[13]。PIR传感器用于120度范围内7米范围内的运动检测[14]。它检测到任何人进入房间，并触发灯泡打开。LDR传感器用于检测房间内的照明强度，当房间内的照明强度超过一定值时，会造成LED灯泡不亮的情况。Zigbee是一种无线通信协议，它为设备提供了一套规范，以便它们可以通过空中传输数据。两个Zigbee模块用于发送和接收数据，通过无线方式从LDR传感器传输数据。Arduino用作处理数据和代码的处理器。它是整个系统的控制单元

图1 使用Arduino的智能照明系统框图

输入由两个传感器（即LDR和PIR）提供给Arduino板，在该板上进行所有处理，如图1所示。只有当LDR传感器检测到低于一定水平的光照强度并且PIR传感器检测到运动时，灯泡才会打开。这个逻辑如图3所示的流程图所示。从PIR传感器和LDR传感器接收到的值被传输到控制单元（Arduino板），在那里根据程序进行处理。灯泡通过5V继电器连接，放在天花板或房间的俯瞰角上。连接到Arduino的Zigbee模块将信息传输到另一个Zigbee模块，该模块是一个接收器[15-21]。为了物联网的目的，STEMSEL板被用来接入互联网。从PIR传感器和LDR传感器接收到的值被传输到控制单元（STEMSEL板），在那里根据程序进行处理。灯泡通过5V继电器连接，放在天花板或房间的俯瞰角上。连接到电路板的Wi-Fi模块将信息传输到runlinc网页，该网页可以从世界任何地方访问。STEMSEL[22]及其Wifi模块用于访问网页。runlinc网页允许对端口进行编程、控制和监视。图2给出了使用STEMSEL的智能照明系统的框图

图2 使用STEMSEL的智能照明系统框图

图3 系统工作流程图

四 仿真与实现

表1显示了项目中使用的组件。根据电路框图设计了电路，并进行了仿真，如图5所示。硬件连接是用Arduino和Zigbee完成的，如图6所示，用STEMSEL完成的，如图7所示。

表1 项目中使用的组件

图4 电路仿真

图5 使用XCTU在实验室与Arduino和Zigbee进行硬件连接

图6 实验室中与STEMSEL的硬件连接

五 结果

5.1通过无线发送成功的数据

XCTU应用程序通过图形界面与射频模块进行交互。可从控制室的XCTU远程访问传感器数据，并可监控照明。在XCTU的帮助下，将两个Zigbee模块配置为发射机和接收机。读取的传感器值被打印在Arduino的串行绘图仪上，这些值被传输到Zigbee模块。当传感器数据写入Zigbee模块时，具有相同PAN ID的其他Zigbee将接收相同的数据。另一个Zigbee接收器连接到一台PC，以实时监测传感器值，延迟数秒。

图7 Arduino软件中串行监视器的读取

在协调器Zig-Bee中接收到传感器值后，路由器从协调器接收传感器值，因为它们具有相同的PAN ID。在协调器侧的串行绘图仪中显示的确切消息已显示在路由器侧的XCTU控制台日志中。

5.2. Runlinc网页创建

runlinc是Wi-Fi芯片内的网页。与在芯片中编程相比，编程是在浏览器中完成的。Wi-Fi芯片内的runlinc网页将命令微芯片进行传感、控制、数据记录物联网（IoT）。这个程序是用runlinc编写的，在传感器的帮助下，照明可以被巧妙地控制。主程序是用Java脚本和Java脚本循环编写的。HTML用于为STEMSEL创建控件网站，CSS用于用颜色装饰网站。输入runlinc的IP地址（192.168.137.98）就可以访问这个网站。该网站也可以访问使用移动电话，其中的照明系统可以控制使用开关按钮。

图8 XCTU路由器侧LDR传感器值读数

图9 runlinc网页

5.3能效案例研究

为了研究现有照明系统和智能照明系统的能耗及其效率，选择JNEC图书馆卫生间作为JNEC图书馆学生夜间经常使用的房间之一。本案例研究于20年7月13日至20年7月19 日晚上8点至10点进行，为期7天。在额定功率为12瓦的洗手间里使用了LED灯泡。在实施该系统之前，从晚上8点到晚上10点连续7天亮2小时的能耗计算为168瓦时。安装好灯后，只要有人进入洗手间，灯就会亮3分钟。由于这种智能照明只在夜间进入洗手间时使用，因此耗电量极低，7天内仅为50.73瓦时，如图13所示。

表2能效案例研究观察表

图

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