基于ZigBee的智能太阳伞

袁海朝 高宏宇 王青青

摘要：我国太阳伞仅仅是一个固定在地面或者指定位置的伞，并不能随着太阳的照射角度来移动位置，完全靠人工移动位置来躲避太阳光的照射。如果太阳光很强，并且遮阳伞无法移动的话，强烈的太阳紫外线很容易把人的皮肤晒伤，并且有一系列不好的影响。这也是传统太阳伞的弊端所在，功能少，不实用，所以综合利用ZigBee技术复杂度低，功耗低、延时短、速率低、成本低的特点，设计一款智能的太阳伞为人们的生活提供了便利。

针对需要多个太阳伞的海边、沙滩类似地区的太阳伞设计方案：在太阳伞的两侧安装带有光敏传感器的终端节点，通过传感器采集东西两方向的光照度值，并将采集到的光照度发送到协调器端，协调器进行接收并实时传输到上位机，上位机实时监控东西两边的光照强度，进行光照度的比较和判断并向电机发送相应的指令，哪边的光照度强就给电机发送往哪边转，从而实现整个智能太阳伞的设计。

针对路边、咖啡馆、校门口摊位需要单个太阳伞地区的设计方案：通过一个安装有两侧的光敏传感器的终端节点和电机设备的智能太阳伞，根据自身采集到的东西方向的光照值进行电机运转方向的判断，进而进行单个太阳伞方向的调整。

关键词：ZigBee；智能；光敏传感器；终端节点；协调器

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）20-0202-03

对太阳伞来说，不同行业的用户对其要求也不尽相同。有的用户是用于沙滩风景区，有的用户则是在学校门口摆摊卖水，还有的用户则是在咖啡厅和西餐厅外面使用，方便顾客等待。但是不论哪一类的，它的作用都是遮防太阳光直接照射。当太阳光的紫外线照射皮肤时，虽然有杀菌作用，但更多的是，对人类的皮表、毛发和生理环境等造成不可挽回的伤害。为了保护皮肤和眼睛，防止紫外线危害，买一把太阳伞是必不可少的。自从1890年以来，随着大气层的臭氧层被破坏。太阳光紫外线的辐射也就愈加厉害对人体的伤害则更强。所以太阳伞的作用对于人类有着不可替代的作用，无时无刻在奉献着它们的作用。我们在海滩，路边商贩，街道随处可以见到太阳伞的身影，它们在炎炎夏日发挥着巨大的作用。太阳伞为人们遮挡太阳带来短暂的清凉，可是太阳伞是固定在地上或者某一个位置不动的，这往往就会带来传统太阳伞的局限性。所以说传统太阳伞无法遮挡任何角度射来的阳光，人们不得不来回移动位置来躲避阳光。这样极不方便也不省心。智能家居不断创新于人类生活中各领域的应用，比户外智能来说，更多的我们会想到室内智能家居的应用。其实还有一种智能设备可以给我们带来很大的帮助，那就是太阳伞。近些年，越来越多的科技公司在发展智能太阳伞。所以我们在想为什么不能发展智能太阳伞？可以根据阳光方向自动调整角度。在太阳伞的两侧放置光敏传感器，通过传感器搜集光敏值的讯息。将搜集到的讯息利用Zig Bee技术进行无线实时发送。从而利用电机转动伞体，从而达到遮挡阳光的作用，这样就大大减少了对人体皮肤的伤害，提高太阳伞的销量。

1项目服务及整体系统设计

1.1 ZigBee特征

1）低功率：在低功率待机模式，两节普通的5号电池能够支撑一个节点工作长达52年，可能会更持久，这就是ZigBee技术的突出优势。

2）低成本：经过大规模精简协议，对通讯控制器的条件进行下调，分析预料，使用8051的微型控制器运算，实现主节点的全部功能只需要32KB，对于实现子功能节点起码要4KB。而且每块芯片的价格大约是$2。

3）低速率：ZigBee技术的工作在一个较低的速率：20250kbps的。封闭的国家俄罗斯供应的250kbps的，40kbps的和起源数据吞吐量可达到20kbps，以适用于应用需要的数据传输速率较低的情况。

4）附近的：传输范围一般在10100m时，增大所述RF发送功率后，也可以提高到13公里，这里提到的是毗邻节点的距离。要是中继线路，并通过两节点互相通信，传输的距离可以更长。

5）容量高：ZigBee可能是各种类型的网络结构，有大量子主节点进行管理其他节点，主节点的功能是能夠处理254个左右的子节点。不过在主节点上可对网络节点进行处理，更多的情况下能够构成一个由6.5万节点的大型网络。

6）延迟短：相对比，一个蓝牙的延迟大大超过了ZigBee的延迟，需要310秒才能够完成，可是无线网络仅要3秒。

ZigBee同盟有望在以后的三到四年里，任何一个家庭可能会有达到50个各类型的ZigBee装备，未来可能会实现任意一个家庭会到达150个左右的装置，它的主要应用范围如下：

1）家庭范围：智能家居包括智能电器，智能电灯，智能窗户，智能楼道。

2）工业范围：各种的监视器，传感器的制作与应用。

3）经营范围：智能标签。

4）公共场所：烟雾探测器； 温度，湿度检测器。

5）农业防治：收集各种土壤信息和气候信息。

6）医疗：老年人和病人的紧急寻呼机和医疗传感器的流动性。

1.2 系统设计概述

我们设计的智能太阳伞就是可以通过光敏传感器感知哪个角度的阳光更加强烈，伞就会转动角度偏向阳光强烈的方向，从而合理的为人们遮住较强的紫外线，避免阳光过于强烈而晒伤皮肤，并且配备太阳能充电的功能，使系统更加节能环保。该系统主要采用ZigBee无线通信技术，通过两侧带有光敏传感器的终端节点进行光照采集，协调器将采集到的数据进行接收并上传到上位机实时监控东西两边的光强数值。监控界面实时显示东西光照强度并进行分析，远程控制太阳伞向光照强的一侧转动，云龙湖万人浴场的游客也会得到更好的庇护。系统完成的主要任务是对传统太阳伞进行创新和改造，有效的为游客以及游泳爱好者遮挡阳光，避免不必要的人力损失。系统部署图和整体流程图如图1和图2所示：

1.3 系统整体设计方案

系统由ZigBee无线通信网络和C#上位机实时显示判断并启动步进电机组成。我们设计通过放置在伞两侧的光敏传感器实时监测光源射进采集数据，协调器进行接收并传输到上位机并且实时监控东西两边的光照强度，上位机分析、处理数据给协调器发送启动电机的指令，实现整个智能太阳伞的的设计。系统整体框图如图3所示：

2 系统下位机的功能实现

2.1 ZigBee无线芯片的选择

CC2530是Chipon公司的第一款单芯片2.4GHz的无线电系统符合ZigBee标准。它具有CC2530无线芯片所特有的 RF收发器的高等功用组件以及行业准则要求的增强级别的8051类型的微控制器，具有的效用的SoC低难度的发展空间， 同时也适用于zigBee 2.4GHz主频以外的其他装置。

2.2 ZigBee无线通信模块设计

终端节点和协调器节点是基于ZigBee无线通信模块。这两种类型的节点仅在功能上不同，类似的硬件结构。在无线通信模块中通过串行端口的压力传感器连接的终端节点，信号处理电路后收集的传感器数据连接到针CC2530的硬件配置，CC2530经由射频天线发送到协调器节点。

2.3 Stack协议栈

协议栈简介：

Z-Stack 是Open式协议栈，此协议栈适用于 ZigBee 2006规则，此篇论文所写的软件代码被保存在应用层目次里，其主要实现的性能包括 ZigBee 网络的建立、数据的采集、数据的传输以及数据的接收等模块。

从适用于ZigBee协议原则的Z-Stack协议栈软件生产工厂推出了TI的软件平台所使用的体系，协议栈经过认证的ZigBee同盟的统一标准化平台。本研究使用ZStack-CC2530-2.5.0堆栈版本，程序编译调试环境选择IAR EW8051-8.10.1软件，ZStack配合，CC2530-2.5.0栈文件包含了整个的ZigBee2007 / PRO协议栈结构，在本文中，网络软件设计工作主要是协议栈网络层和应用层的被修改，通过编译调试设计和开发能力，以适应各层次的节点的程序。

协议栈是网络协议层的总和，在整个协议栈包括物理层，媒体访问层，网络层和应用层的四个基本级别，ZigBee协议有许多协议层，每层中含有多种功能，用数据和管理两种接口来为上层供给相匹配的服务。

2.4 光敏传感器

全球市场上光敏传感器的品种层出不穷，丰富多彩，它具有各种各样的品种。光敏传感器和二极管相比，光敏传感器则拥有比较大的光电流扩大效用，也就是具有很强的灵活性。光敏传感器拥有了光敏电阻的特征，可以顶替光敏电阻实现作用，其优点就是绿色保护环境、统一性好。光敏传感器的选型智能太阳伞在策划制作的过程中，我们选用的光敏传感器型号是GL5516光敏传感器。

2.5 光敏传感器的信息采集

光敏传感器的信息采集主要是通过协调器以广播的形式进行组网，终端以单播的形式加入網络，向协调器发送光强数据，协调器接收通过串口送给电脑。在电脑串口助手中打开。

2.6 单片机步进电机的选型

本次设计单片机步进电机的选择大体上使用的是ULN2003步进电机。配有步进电机的标准接口。uln2003电机的内部结构是达林顿管，扩展了很多倍的级别较高的三极管，用户所使用到的管控极也就是它的基础极，因此仅需要0.7V便可以启动了，启动时还是要保证2V以上的电压，以避免不稳定运行。

2.7 系统电源的选择

系统电源的选择，我们首先考虑的是新能源的代表，太阳能进行供电。因此我们选用硅太阳能板，硅太阳能电板分为单晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜太阳能电池板三种。单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在工业生产中占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，单晶硅较为普及，各类电压型号多，选择多样性，而且在阴天或弱光发电时效率较高，缺点是面积稍大了一点。但是光电转换率大，即使20多把太阳伞设备的功率也不超过50W，因此缺点根本不会影响其在智能太阳伞技术中的应用。

3 系统上位机的功能实现

3.1 VS2013 C#简介

本次项目对于上位机的设计是基于VS2013 C#来制作的。该软件是2013年发布的，功能十分强大。内置asp.net，语言c#，c++，vb，可开发桌面应用，手机应用，网站应用。应用范围特别广泛，深受编程人士的喜爱。界面简洁，操作简单，运行平稳。

3.2 程序系统烧录

系统程序在硬件部分已经烧录进去的情况下，可以进入C#界面进行调试。选择合适的串口，点击启动，可以看到上位机界面实时显示出了光照强度：西边光强>东边光强。并无异常情况，程序运行一切正常。

4 结论

项目目标是为云龙湖的万人浴场或其他需求地区，基于向日葵的追光系统建立一个实用高效、智能的太阳伞，主要由光敏传感器采集到光敏信息值，然后通过zigbee射频模块发送，利用异步电机转动伞体，从而实现根据阳光方向自动调整角度的目的。此处仅以云龙湖地域做相关概述。云龙湖是夏天游泳爱好者聚集的地方，但是岸上的太阳伞由于数量的原因难以支撑强大的人流量，从而致使部分游泳爱好者上岸休息时不能得到有利的庇护从而晒伤。通过此系统可以有效减少人力成本、避免太阳光对人类造成的伤害，使得用户得到有效的庇护。

参考文献：

[1] 沈欣. ZigBee协议栈的研究与应用[D]. 苏州大学， 2012.

[2] 陈奎儒， 苗琪， 黄波. 一种新型的雨伞设计[J]. 商， 2014（50）.