基於ZIGBEE技術的無線定位系統研究開題報告
摘要：本次選擇AT89C51微控制器的主控晶片作為教室LED照明智慧控制器，透過熱釋電紅外感測器感應從而能判斷出教室內有人無人，透過光敏電阻感應教室內的光線強度，實現對教室內燈光的智慧控制，避免了教室用電的大量浪費。本文詳細闡述了系統的軟體設計過程，採用模組化的程式設計思想，使用C51語言編寫源程式，實現教室的節能照明功能。
該系統具有體積小，控制方便，可靠性高，專用性強，價效比合理等優點，可以滿足各類大、中專院校教室燈光控制的要求，很大程度的達到節能目的。
關鍵詞:教室智慧照明；軟體設計；熱釋電紅外感測器；智慧控制
1 研究背景
1.1研究的主要目的和意義
中國經濟在持續多年高速發展後的今天，能源問題日益突出。雖然我國能源總儲量佔據之首，但由於我國人口眾多，所以人均儲量少，單位產值的能耗 是發達國家的3-10倍。能源問題已成為制約我國國民經濟發展的關鍵問題。從環境和自然資源角度出發，能源問題也是我國長期可持續發展 戰略中一個重要關鍵因素。此外，能源問題不僅關係經濟發展和環境生態，在特定情況下還會對社會穩定有很大影響。隨著社會經濟和科學技術的快速發展，人們的生活水平也在不斷提高，導致用電負荷的加劇，又由於世界性的能源危機，能源缺乏以成為世界所面臨的嚴峻問題。中國城市每年用於公共照明的能源支出高達280多億，節能空間巨大。其中路燈照明能耗佔30%以上。發展城市道路照明的同時，路燈以供街道照明以外，還大力興建了很多的景觀照明亮化工程，美化城市的夜景，但同時也帶來了能耗的極大浪費。據統計2010年，我國全社會的總用電量將超過5000 億kWh，新增照明用電2000 億kWh。
對高等院校，據測算，其照明耗電佔本單位所有耗電的40% 左右，可見在對教室燈光進行自動控制，其節能效益和經濟效益都是相當可觀的。由於大學是開放型的管理模式，加上全員節能意識淡薄，教室無人時照明燈一直長明，造成電能的巨大浪費，由此提高教室用電效率實現智慧控制就成為首要考慮的問題。
目前對燈光的智慧控制，尤其是我國教室燈光的智慧控制尤為缺乏和不完善，依然是傳統式的人工管理。（如華東理工大學梅隴校區教室在白天無人時日光燈依舊開啟）各類大、中中專院校不斷擴招，教室不斷擴建，教室用電負荷不斷增加，教室用電管理不善，造成學校電能浪費，經濟損失，這種浪費與當今的節能理念相違背。再者，現代自動化程度不斷提高，計算機技術的普及，燈光的管理也朝著自動化、智慧化方向發展。於是，開發簡便、實用的教室燈光自動化控制系統便具有重要的現實意義。
1.2 研究的現狀
目前，國內照明大力採用高效照明產品代替傳統低效率照明產品實現節能，大力推行綠色照明工程，大量運用節能技術，不斷推出綠色光源和節能電器，採用大量的節能燈具，裝備新技術，尤其以LED綠色照明改造為國家大力推行。
現階段，世界各國都在採取不同的方式來節約能源，節約電能。LUMA公司推出的LEP等離子體燈替換傳統照明，節能效果能達到50%，飛利浦照明公司和OSRAM公司也都在大力研究LED照明，晶片光效由以前的100lm/W提升到150lm/W,丹麥的房屋建設就對節能有很多的要求，並且居民入住有節能裝置放置時，要支付的費用比沒有節能方案房屋高出8%。單純的光源節能加上有效智慧照明控制會讓節能的空間大力提升，研究智慧照明控制系統是是現在的'發展趨勢，綜合了照明、自動化控制、計算機技術、電力電子技術和網際網路+的的結合，透過充分利用自然環光來減少人工照明帶來的能源消耗，真正實現情景化、自動化、人性化的智慧照明技術。常見的照明控制系統有飛利浦公司下屬的邦奇Dynalite智慧照明控制系統，該系統主要由調光模組、開關模組、控制面板、液晶顯示觸控式螢幕、智慧感測器、程式設計插口、時鐘管理器、手持式程式設計器和PC監控機等部件組成。採用DyNet網路連線，DyNet是一個分散式智慧化網路，使用RS-485通訊協議。以施耐德公司為主的使用的C-Bus智慧照明控制系統，C-Bus系統是一個二線制的匯流排型式的智慧控制系統，系統所有的單元器件（除電源外）均內建微處理器和儲存單元，由一對訊號線（雙絞線）連線成網路。每個單元均設定唯一的單元地址並用軟體設定其功能，透過輸出單元格控制各回路負載。輸入單元透過群組地址和輸出組建立對應連線。當有輸入時，輸入單元格將其轉變為C-Bus訊號在C-Bus系統總線上廣播。所有輸出單元接收並做出判斷，控制相應迴路輸出。快思聰為主的是ABB i-Bus EIB智慧安裝系統，EIB智慧系統由匯流排、匯流排電源、智慧感測器（光線感測器、模糊開關、時間控制器、移動感測器）、智慧開關驅動器和其他智慧元件（邏輯模組匯流排耦合器）構成。每個元件就是節點，這些節點連線在一根2芯雙絞線介質的總線上，不分主從隸屬關係實現相互之間的通訊從而實現控制和被控制。
2文獻綜述
2.1 系統設計要點
照明作為教室智慧控制的子系統之一，它對教室智慧控制的舒適性、經濟性、方便性具有重要的意義。利用人體的存在訊號和環境光訊號的識別和智慧判斷，可以有效的對教室照明進行智慧控制，避免了教學大樓照明用電的大量浪費。本設計以AT89C51微控制器作為控制裝置的智慧部件，採用熱釋紅外人體感測器檢測人體的存在（沒人時教室裡燈全關，有人則進行環境燈光自動感應進行下步行動），採用光敏三極體構成的電路檢測環境光的強度（照度達到時燈全關，照度不夠時燈開啟補足光照度）；在特殊環境及要求下（如多媒體教學和電影文學欣賞）可以透過手動來控制燈的開關。一號按鈕控制手動與自動，二號按鈕控制燈的開關盞數（按0次沒燈開，按1次開2盞燈，按2次開4盞燈，按3次開8盞燈，按4次後返回到0）。
在本次系統設計中，設計方法的選用是系統設計能否成功的關鍵所在。硬體電路是採用結構化系統設計方法，該方法保證設計電路的標準化、模組化。硬體電路的設計最重要的選擇用於控制的微控制器，並確定與之配套的外圍晶片，使所設計的系統既經濟又高效能。硬體電路設計還包括輸入輸出介面設計，畫出詳細電路圖，標出晶片的型號、器件引數值，根據電路圖在模擬機上進行除錯，發現設計不當及時修改，達到最終的設計目的。軟體設計的方法與開發環境的選取有著直接的關係，本系統由於是採用51系列微控制器，因此使用匯編語言進行開發。
2.2系統性能指標及技術要求
首先微控制器透過按鈕1判定是自動還是手動，若是自動則人體存在訊號採集電路和光敏三極體採光電路先後工作判定室內是否有人，和室內關照度，微控制器再決定是否開燈，開幾盞燈。最後透過LCD顯示開了幾盞燈和關閉了幾盞燈。
手動/自動
（1）自動
A 全關
B 開4盞燈
C 開8盞燈
（2）手動
A 全關
B 開2盞燈
C 開4盞燈
D 開8盞燈
2.3本課題的主要內容
①燈光總體控制方案的研究；
②燈光控制檢測方案的研究；
④熱釋電紅外感測器的資訊處理；
⑤人體與自然光照強度訊號採集與處理；
⑥開發微控制器系統；
⑦實驗測試與資料分析。
2.4擬採用的研究方法或措施
本次課題主要研製的控制器以自然光強度和人體存在作為控制器的主要輸入引數。可以真正的實現自動與手動控制相互相容。在自然光照度達標時，無論教室是否有人存在，都不開燈;在教室自然光照度達不到要求時候，有人存在時燈光會自動開啟而且達到均衡的照度，有人存在時控制器自動開啟電燈，直到人離開後再延時120S後關燈。同時，還要改用機械開關來手動控制，以解決因特殊情況下，自動控制器的不人性化執行。
本次課題所研究的教室燈光控制器主要是由硬體和軟體兩大部分組成。硬體部分是前提，是整個系統執行的基礎，它主要為軟體提供程式執行的平臺。而軟體部分，是對硬體埠所體現的訊號，加以採集、分析、處理，最終實現控制器所要實現的各項功能，達到控制器自動與手動相結合的教室照明智慧控制。
系統設計主要包括硬體和軟體兩大部分，依據控制系統的工作原理和技術性能，將硬體和軟體分開設計。
硬體設計部分包括電路原理圖、合理選擇元器件、繪製線路圖，然後對硬體進行除錯、測試，以達到設計要求。硬體電路是採用結構化系統設計方法，該方法保證設計電路的標準化、模組化。硬體電路的設計最重要的選擇用於控制的微控制器，並確定與之配套的外圍晶片，使本次設計的系統既經濟又高效能。硬體電路設計還包括輸入輸出介面設計，畫出詳細電路圖，標出晶片的型號、器件引數值，根據電路圖在模擬機上進行除錯，發現設計不當能及時修改，達到最終的設計目的。
軟體設計部分，首先在總體設計中完成系統總框圖和各模組的功能設計，擬定詳細的工作計劃；然後進行具體設計，包括各模組的流程圖，選擇合適的程式語言和工具，進行程式碼設計等；最後是對軟體進行除錯、測試，達到所需功能要求。軟體設計的方法與開發環境的選取有著直接的關係，本系統由於是採用51系列微控制器。本系統軟體設計採用模組化系統設計方法，先編寫各個功能模組子程式，然後進行組合與調整，經過除錯後，達到最終的設計功能要求。
2.5 系統硬體總述
為了使該模組化LED顯示屏控制照明系統更加方便且靈活性高，我對本次系統的硬體做了精心設計。硬體電路包括LED燈電路、顯示電路、開關控制電路等三大模組。整個照明系統有人為控制部分和自動控制部分，人為控制是靠一個開關來實現操作的，透過重複按壓可以點亮更多的LED燈，而自動控制是靠微控制器控制的，我們把程式寫入微控制器後，微控制器的系統時間透過顯示器顯示出來，並且利用時間來控制燈的亮與滅，用微控制器的P0口做燈光輸出，P1口做顯示輸出，P2口做開關輸入，即可完成硬體部分。在含有控制器的電路系統中，都必須要有相應的復位電路，這樣能夠使系統在上電後，很好地復位系統並使系統處於穩定的執行狀態。一般簡單的復位電路可以採用RC復位，這種電路的穩定性一般、可靠性較高。
2.6微控制器的應用技術
電子技術和微型計算機的迅速發展，促進微型計算機測量和控制技術的迅速發展和廣泛應用，微控制器（單片微型計算機）的應用已經滲透到國民經濟的各個部門和領域，它起到了越來越重要的作用。
單片微型計算機就是將中央處理單元、儲存器、定時/計數器和多種介面都整合到一塊積體電路晶片上的微型計算機。因此一塊晶片就構成了一臺計算機。它已成為工業控制領域、智慧儀器儀表、尖端武器、日常生活中最廣泛使用的計算機。
微控制器由硬體系統與軟體系統組成。硬體系統是指構成微機系統的實體與裝置，通常由運算器、控制器、儲存器、輸入介面電路和輸入裝置、輸出介面電路和輸出裝置等組成。其中運算器和控制器一般做在一個整合晶片上，統稱中央處理單元（Central Processing Unit），簡稱CPU，是微機的核心部件。CPU配上存放程式和資料的儲存器[2]、輸入/輸出（Input/Output，簡稱I/O）介面電路以及外部裝置即構成微控制器的硬體系統。軟體系統是微機系統所使用的各種程式的總稱，人們透過它對微機進行控制並與微機系統進行資訊交換，使微機按照人的意圖完成預定的任務。軟體系統與硬體系統共同構成完整的單片微型計算機系統，兩者相輔相成，缺一不可。
2.7 CPU效能介紹
本系統採用了ATMEL公司MCS-51系列微控制器中的AT89C51晶片，它是低壓高效能CMOS 8位微處理器，帶有4k位元組Flash閃速儲存器，128位元組內部RAM，15個I／O口線，兩個16位定時／計數器，—個5向量兩級中斷結構，一個全雙工序列通訊口。