基于物联网的智能空间艺术灯饰系统的制作方法
【专利摘要】一种基于物联网的智能空间艺术灯饰系统。该系统包括一组无线灯饰节点和状态控制子系统，无线灯饰节点包括供电子系统、传感器子系统、通信子系统、灯饰控制子系统和一组灯饰；传感器子系统与通信子系统连接，用于感知外界的信号，以启动整个系统的工作；通信子系统与灯饰控制子系统连接，接收传感器子系统发送的系统工作启动信号；灯饰控制子系统，将通信子系统的控制信号转化为能够驱动艺术灯饰的控制信号。状态控制子系统：用于遥控无线灯饰节点，并负责控制这些无线灯饰节点状态的转换，以控制灯饰工作。该系统各个灯节点通过无线电波的形式互联互通，由各个节点分开进行运算，从而分解庞大的计算量，实现独特的灯光效果。
【专利说明】基于物联网的智能空间艺术灯饰系统
【技术领域】
[0001]本发明属于灯饰控制领域，在灯光控制方式上提升了信息交互程度，涉及无线传 感器网络，分布式计算方法和节点动态定位技术。
【背景技术】
[0002]传统的LED灯饰主要有两种控制方式:其控制方式大致分为两种:一种是定时控 制，例如常见的节日闪烁彩灯；另一种是感应式控制，例如楼道用于照明的感应灯。定时控 制的灯具由事先编好的程序来控制灯饰的闪烁效果，适用于大量灯饰组成的灯群，但灯与 灯之间采用有线连接的集中式控制方式，灯的数量不能随意增减，一旦出现故障也不易整 修；感应式控制的灯具通过感应周围环境的变化来控制灯的亮灭，但控制方式单一且没有 与其他灯具组成网络进行信息交互。
[0003]随着科技的进步和人们生活水平的提高，不断上升的需求使灯具的功能和形式也 在进行着由“灯具”到“灯饰”再到“智能灯饰”的巨大变化。而“智能灯饰”提供的更为人 性化的艺术性服务进一步的体现了 “科技以人为本”的理念。
【发明内容】
[0004]本发明的主要目的是在灯饰控制方式上融入了无线传感器网络的技术，解决传统 控制方式灵活性低，信息交互程度低的问题，提供一套与无线传感器网络相结合的、基于物 联网的智能空间艺术灯饰系统，使得灯饰系统中的各个灯节点通过无线电波的形式互联互 通，由分布在无线传感器网络中的各个节点分开进行运算，从而分解庞大的计算量，实现独 特的灯光效果。并为智能家居系统提供了先行的技术基础，搭建了物联网基础上的智能家 居系统雏形。
[0005]本发明提供的基于物联网的智能空间艺术灯饰系统包括一组无线灯饰节点和状 态控制子系统，各无线灯饰节点具体包括供电子系统、传感器子系统、通信子系统、灯饰控 制子系统和一组灯饰；
[0006]供电子系统:包括低功耗供电模块和灯饰供电模块，低功耗供电模块用于无线灯 饰节点中的传感器子系统、通信子系统和灯饰控制子系统的供电，灯饰供电模块用于无线 灯饰节点中的一组灯饰的供电；
[0007]为了更好的体现系统的灵活性与可扩展性，设计时将无线传感器网络节点(即无 线灯饰节点中的通信子系统、传感器子系统和灯饰控制子系统)的供电与艺术灯饰节点的 供电分开。考虑到无线传感器网络节点与灯饰节点供电电流差异较大，无线传感器节点在 休眠时只需要几纳安的电流，工作时的电流只有几毫安，无线发射时的峰值也只有十几毫 安，而每个无线灯饰节点在LED全开时会流过150毫安左右的电流。所以不宜集中供电。另 外，一旦灯饰节点的电参数发生变化，该部分的供电系统可单独更改，不需要对无线传感器 节点进行重新设计，便于系统扩展。
[0008]传感器子系统:与通信子系统连接，主要用于感知外界的信号，并将感知到的外界信号输入通信子系统，以启动整个系统的工作；
[0009]传感器子系统的设计要同时考虑可靠性与节能性。“本系统选择一个由菲涅尔透镜、热释电红外传感器和一枚BISS0001芯片组成的被动红外传感器作为感知外界的节点；”即图2中的被动红外模块。菲涅尔透镜能将探测区域分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在探测器上产生变化的热释红外信号。BISS0001是一种高效的红外传感信号处理器，由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟控制器和封锁时间定期器等数模混合电路构成，用于处理热释电红外传感器上的信号，并与处理器进行通信。
[0010]通信子系统:与灯饰控制子系统连接，接收传感器子系统发送的系统工作启动信号；通信子系统一方面进行运算，将运算形成的控制信号输入至灯饰控制子系统；一方面发射通信信号，与其他节点中的通信子系统交互，实现无线灯饰节点之间的互动互通。
[0011]灯饰系统采用由德州仪器公司设计生产的CC2530芯片。CC2530是工作在2.4GHz频段的第二代ZigBee芯片，它将一个高性能2.4GHz DSSS (直接序列扩频)射频收发器核心和一颗小巧的工业级8051控制器集成在一起，并能从硬件上支持ZigBee协议。该芯片的特点是它的极低功耗，电压供电仅为2V-3.6V，中断允许的待机电流为0.4 μ A，发射机处于接收状态耗电为24mA，发射状态耗电为29mA，很适合用于采用电池供电的无线传感器网络节点。此外，该芯片还具有三个定时/计数器、随机数发生器以及硬件中断，综合考虑到协议的支持、功耗、体积、与算法的配合等方面，该芯片完全能够胜任本系统的需求。
[0012]灯饰控制子系统:与通信子系统连接，将通信子系统通用IO端口的控制信号转化为能够驱动艺术灯饰的控制信号。
[0013]为了使灯饰的艺术效果发挥的淋漓尽致，合适的灯光控制算法和有效可靠的硬件是很必要的。灯饰控制子系统(即图2中的灯饰驱动模块)由一组光电隔离开关(AQW214S芯片)、电流放大器和灯饰组成。为灯饰设计的分布式集群算法引入了群智能(SwarmIntelligence)的概念,用以模拟灯群的灯光变化效果。所谓群智能，就是利用个体的简单智能实现群体的高智能，例如鸟群或鱼群的路线搜索技能，无线传感器网络构建的灯饰群正可以模拟动物群体的交流与思维方式，最终模拟出类似于鸟群优美飞行或是鱼群灵活聚散的效果，形成一种震撼的视觉体验。
[0014]状态控制子系统:该子系统独立于无线灯饰节点，用于遥控无线灯饰节点，并负责控制这些无线灯饰节点状态的转换，以控制灯饰工作。
[0015]为了使灯饰系统能量消耗最低，设置了状态控制子系统。状态控制子系统由状态遥控器构成，这部分的设计要考虑两个方面要求，一是状态控制子系统发出的状态命令要尽可能确保系统中的每个无线灯饰节点都能收到；二是无线灯饰节点收到状态控制子系统发出命令后要有所反馈。
[0016]本发明的优点和积极效果:
[0017]本发明通过改变传统灯饰的集中式控制方式，采用新颖的分布式控制方式，基于无线传感器网络搭建了一套智能空间艺术灯饰系统。在该系统中，各个灯节点通过无线电波的形式互联互通，由分布在无线传感器网络中的各个节点分开进行运算，从而分解庞大的计算量，实现独特的灯光效果。
[0018]本发明所采用的分布式计算方法使得每一个灯饰节点都能独立思考，并与其他灯饰节点通信组成灯饰群，形成了人-灯-环境三位一体的交互系统，带来全新的视觉体验。 本发明构建的“智能灯饰”提供的更为人性化的艺术性服务进一步的体现了 “科技以人为 本”的理念。同时，体现了从“灯饰”到“智能灯饰”的巨大变化，具有良好的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是智能空间艺术灯饰系统组成示意图。
[0020]图2是无线灯饰节点硬件基本结构框图。
[0021 ] 图3是无线灯饰节点电原理图。
[0022]图4是无线通信模块电路原理图。
【具体实施方式】:
[0023]实施例1
[0024]如图1所示，基于物联网的智能空间艺术灯饰系统包括一组无线灯饰节点和状态 控制子系统。各无线灯饰节点具体包括供电子系统、传感器子系统、通信子系统、灯饰控制 子系统和一组灯饰(见图2)。供电子系统:包括低功耗供电模块和灯饰供电模块，低功耗供 电模块用于无线灯饰节点中的传感器子系统、通信子系统和灯饰控制子系统的供电，灯饰 供电模块用于无线灯饰节点中的一组灯饰的供电。
[0025]智能空间艺术灯饰系统由一组无线灯饰节点组成，众多灯饰节点组成物联传感网 络，灯饰节点之间通过IEEE802.15.4协议联通，进行数据交互，成为一个灯饰群，通过节点 间的动态定位技术实现信息交流和自我感知，也是设计灯光控制算法的基础。一部分灯饰 节点被安装了红外传感器，通过这些传感器可感知外界游人的来往，从而形成人与灯群环 境的和谐互动。
[0026]为了方便系统的布设和扩展，每个灯饰节点都采用电池供电，独立节点的增加与 删减都不会受到布线的影响。为了降低无线灯饰节点的电源消耗，延长系统的使用时间，系 统有休眠和工作两种状态。处于休眠状态的节点，LED灯将与电源断开，同时无线电发射处 于静默状态。而处于工作状态的节点，LED灯的电源处于可控状态，同时能够接收与发射信
肩、O
[0027]无线灯饰节点的硬件平台的搭建
[0028]如图2所示硬件基本结构:每个无线灯饰单元包括I个无线传感器网络节点(即无 线灯饰节点中的通信子系统、传感器子系统和灯饰控制子系统)和3个艺术灯饰节点。无线 传感器网络节点体积很小，通过低功耗供电模块供电，与电池一起被封装在节点盒内，灯饰 节点通过细电缆与节点盒相连。为了实现模块化设计、高扩展性的要求，按照系统功能，将 无线传感器网络节点模块设计为三部分，分别是无线通信模块、被动红外传感器模块和艺 术灯饰控制模块，一并封装于塑料节点盒中。红外探测模块负责探测周围行人的情况，艺术 灯饰控制模块负责处理红外探测模块的探测结果和实现系统的算法，无线通信模块实现与 其他的灯饰节点相互通信，使控制算法得以实施。
[0029]无线传感器网络节点结构:无线传感器网络节点主要由I枚CC2530芯片、I枚 32MHz的贴片晶振、I枚32.768KHz的晶振、板载天线、外扩鞭状天线以及电源滤波网络、复 位电路和射频谐振网络组成。[0030]1.时钟晶振的设计
[0031]无线传感器网络节点的时钟晶振采用了双基准设计，加入了 I枚32MHz的贴片晶振和I枚32.768KHz的晶振。32MHz的晶振为中央处理器单元全速工作状态下提供高速时钟基准，以达到高性能要求，32.768KHZ晶振为中央处理器低速省电的工作状态提供低速的时钟基准。
[0032]2.天线的设计
[0033]无线传感器网络节点的天线采用板载天线加外扩鞭状天线的双天线方案以增加灵活性。PCB板载天线的优点是成本低，几乎不增加硬件的成本，缺点是性能低下，占据的PCB板面积可能很大。鞭状天线的优点是性能很好，缺点是成本高、尺寸大，在某些特定的应用中很难部署。所以我们设计的双天线系统在不需要远距离传输，体现节点小巧时，采用板载天线；当需要远距离传输，对节点大小不敏感时，采用鞭状天线。
[0034]PCB板载天线采用“倒F”形状的天线，近似的全向天线，天线增益为1.1dbi，鞭状天线采用可折叠形式，天线增益为2dbi，全向天线。
[0035]艺术灯饰群拓扑结构设计
[0036]智能艺术灯饰系统的特点是:没有中心节点，所有灯饰单元处于平等的地位，移除任何已有的灯饰单元或加入新的灯饰单元都不会影响系统的总体功能。因此在设计本系统的灯饰单元节点时，适当的将协调器、路由器和终端节点的功能结合起来，既保证了功能，又增加了睡眠时间，适合电池供电的情况。
[0037]为了适合这些要求，系统将Zstack协议作以修改，采用协调器、路由器的两级网络结构。
[0038]艺术灯饰网络中有两`种地址，一种是64位的MAC地址，是全球唯一的，该地址用于灯饰节点在没有建立ZigBee网络层的时候，使用MAC层进行通信；另一个地址是16位的ZigBee网络地址，该地址在灯饰网络中是唯一的，用于网络内部的灯饰节点在网络层通信时的寻址。当第一个灯饰节点上电后，如在扫描周围通信信道时未发现其他灯饰节点，他会将自己配置为协调器灯饰节点，完成网络初始化。网络一旦建立，这个协调器灯饰节点就变成普通的路由器灯饰节点了。其他的灯饰节点作为路由器节点就可以加入这个网络并请求第一个节点分配网络短地址并保存。至此，路由器灯饰节点不仅可以用MAC地址向协调器灯饰节点发射数据包，也可以利用网络短地址和协调器灯饰节点进行网络层和应用层的通信，路由器灯饰节点已经成功加入了网络。之后，每当有新的灯饰节点上电，都会将自己配置为路由器灯饰节点，按照上面的过程一一加入灯饰网络中。此时，就形成了树状集群网络，从而可以利用Zstack中的路由算法进行点对点或者广播通信。本系统采用的通信信可以分为两种方式，分别是单点传输和广播传输。
[0039]艺术灯饰的控制算法的实现
[0040]1.动态定位算法
[0041]通常情况下在二维平面内，已知各节点之间的距离，一个未知节点的坐标(x，y)能由三个或三个以上已知节点的坐标计算出来。我们将Xtl和10定义为即将进行估计的未知节点O的二维坐标,Xi和Yi是已知节点i的二维坐标，i=l, 2，3…N, N是已知坐标节点的总数。
[0042]由此可得两点之间的距离Ditl满足下面的公式:[0043]
【权利要求】
1.一种基于物联网的智能空间艺术灯饰系统，其特征在于该系统包括一组无线灯饰节点和状态控制子系统； 各无线灯饰节点具体包括供电子系统、传感器子系统、通信子系统、灯饰控制子系统和一组灯饰； 供电子系统:包括低功耗供电模块和灯饰供电模块，低功耗供电模块用于无线灯饰节点中的传感器子系统、通信子系统和灯饰控制子系统的供电，灯饰供电模块用于无线灯饰节点中的一组灯饰的供电； 传感器子系统:与通信子系统连接，主要用于感知外界的信号，并将感知到的外界信号输入通信子系统，以启动整个系统的工作； 通信子系统:与灯饰控制子系统连接，接收传感器子系统发送的系统工作启动信号；通信子系统一方面进行运算，将运算形成的控制信号输入至灯饰控制子系统；一方面发射通信信号，与其他节点中的通信子系统交互，实现无线灯饰节点之间的互动互通； 灯饰控制子系统:与通信子系统连接，将通信子系统通用IO端口的控制信号转化为能够驱动艺术灯饰的控制信号； 状态控制子系统:该子系统独立于无线灯饰节点，用于遥控无线灯饰节点，并负责控制这些无线灯饰节点状态的转换，以控制灯饰工作。
【文档编号】H04W84/18GK103533702SQ201310083806
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年3月14日 优先权日:2013年3月14日
【发明者】王妙琼, 徐昌 申请人:南开大学