2016年，國(guó)務(wù)院印發(fā)了《全民健身計(jì)劃(2016—2020年)》[1]，該計(jì)劃明確提出以下三點(diǎn)：第一，統(tǒng)籌建設(shè)全民健身場(chǎng)地，方便群眾就近就便健身;第二，將青少年作為實(shí)施全民健身計(jì)劃重點(diǎn)人群，大力普及青少年體育活動(dòng);第三，強(qiáng)化全民健身科技創(chuàng)新，推進(jìn)全民健身場(chǎng)地設(shè)施創(chuàng)新，促進(jìn)全民建設(shè)場(chǎng)地設(shè)施升級(jí)換代�！�2018中國(guó)籃球產(chǎn)業(yè)白皮書》[2]則指出：第一，在中國(guó)體育產(chǎn)業(yè)中籃球已成為第一運(yùn)動(dòng)，籃球愛好者主要為35歲以下年輕人;第二，中國(guó)籃球場(chǎng)地?cái)?shù)量已接近60萬個(gè)，73.6%受訪者主要在室外打籃球，而常在室內(nèi)打球者僅為11.5%�；@球作為我國(guó)最流行的體育運(yùn)動(dòng)之一，深受年輕人喜愛并對(duì)刺激體育相關(guān)消費(fèi)貢獻(xiàn)突出。當(dāng)前我國(guó)室內(nèi)籃球場(chǎng)場(chǎng)地固定、數(shù)量較少且需要付費(fèi)，因此位置便利、數(shù)量眾多且免費(fèi)使用的室外籃球場(chǎng)便成為大多數(shù)籃球愛好者的主要運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所。對(duì)于大多數(shù)年輕人而言，只有在放學(xué)或下班之后才有空開展籃球運(yùn)動(dòng)。然而，在夜幕降臨之后，大多數(shù)室外籃球場(chǎng)因?yàn)槿狈φ彰飨到y(tǒng)而無法進(jìn)行籃球訓(xùn)練或比賽，而對(duì)于安裝有球場(chǎng)燈光的室外籃球場(chǎng)往往因?yàn)槿狈�專門管理人員而導(dǎo)致大多數(shù)晚上不會(huì)啟用照明系統(tǒng)。因此，設(shè)計(jì)一種“有人打球時(shí)自動(dòng)開燈、無人打球時(shí)自動(dòng)關(guān)燈”的室外籃球場(chǎng)智能照明控制系統(tǒng)對(duì)于推進(jìn)全民健身國(guó)家戰(zhàn)略、提升青少年身體素質(zhì)、構(gòu)建籃球運(yùn)動(dòng)氛圍、促進(jìn)體育產(chǎn)業(yè)消費(fèi)等具有重要作用。本設(shè)計(jì)采用的室外籃球場(chǎng)照明布燈的方案為6套分別立在場(chǎng)地兩側(cè)的LED燈[3]，如圖1所示。其中，1，2號(hào)燈和籃板1對(duì)應(yīng)左半球場(chǎng);5，6號(hào)燈和籃板2分布在右半球場(chǎng);3，4號(hào)燈則立在球場(chǎng)兩側(cè)的中間位置。筆者擬設(shè)計(jì)一套基于ZigBee的室外籃球場(chǎng)智能照明控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將光照傳感節(jié)點(diǎn)(根據(jù)外界光照度決定是否需要開啟照明)、壓力傳感節(jié)點(diǎn)(根據(jù)籃板上是否有籃球撞擊決定是否開啟照明)和濕度傳感節(jié)點(diǎn)(根據(jù)空氣濕度判斷是否為晴天以決定是否開啟照明，同時(shí)也能避免較大雨滴對(duì)籃板產(chǎn)生壓力干擾)嵌入籃板背面采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過ZigBee無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式采集至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器基于預(yù)設(shè)規(guī)則處理數(shù)據(jù)并輸出控制信號(hào)至照明開關(guān)，照明開關(guān)做出對(duì)應(yīng)打開或關(guān)閉燈光的動(dòng)作，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)球場(chǎng)照明系統(tǒng)的智能控制。

　　1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

　　如圖2所示，室外籃球場(chǎng)智能照明控制系統(tǒng)由終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器、照明開關(guān)、上位機(jī)和電源等組成。終端節(jié)點(diǎn)內(nèi)嵌于籃板，并根據(jù)球場(chǎng)的兩個(gè)籃板進(jìn)行編號(hào)，分別為光照節(jié)點(diǎn)1，2，壓力節(jié)點(diǎn)1，2和濕度節(jié)點(diǎn)1，2。終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器通過ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，協(xié)調(diào)器輸出控制信號(hào)至照明開關(guān)，協(xié)調(diào)器與上位機(jī)通過串口通信。控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)步驟如下：(1)內(nèi)嵌于籃板的光照節(jié)點(diǎn)、濕度節(jié)點(diǎn)和壓力節(jié)點(diǎn)分別用于感應(yīng)當(dāng)前外界光照度、空氣濕度以及籃板所受壓力，并將上述采集數(shù)據(jù)輸出至協(xié)調(diào)器;(2)協(xié)調(diào)器根據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，依據(jù)處理結(jié)果輸出控制信號(hào)至照明開關(guān)，控制球場(chǎng)為無照明、半場(chǎng)照明或全場(chǎng)照明狀態(tài);(3)協(xié)調(diào)器將相關(guān)數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至上位機(jī);(4)上位機(jī)查看相關(guān)數(shù)據(jù)，或向協(xié)調(diào)器發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

　　2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括傳感器模塊、無線通信模塊、照明開關(guān)模塊、上位機(jī)和電源模塊。2.1傳感器模塊傳感器模塊包括光照傳感器、壓力傳感器和濕度傳感器。BH1750是一款數(shù)字型光照度傳感器集成芯片，由光敏二極管、運(yùn)算放大器、ADC采集、晶振等組成。光敏二極管通過光生伏特效應(yīng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算放大器放大后，由ADC和數(shù)字邏輯電路將采集的電壓轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。BH1750提供I2C總線接口與單片機(jī)通信[4]，如圖3所示，BH1750通過SCL、SDA兩個(gè)端口與CC2530的GPIO口連接。FSR402是一款電阻式力敏傳感器，傳感器感應(yīng)面積的直徑為12.7mm，使用壽命大于100萬次擠壓。如圖4所示，該傳感器的工作原理是將施加在力敏傳感器薄膜區(qū)域的壓力變換為電阻值，壓力與電阻成反比，根據(jù)電阻值的大小獲取壓力信息[5]。該傳感器具備測(cè)量精度高、重量輕體積小、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。DHT11是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的數(shù)字溫濕度傳感器，包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)測(cè)溫元件[6]。專用的溫濕度傳感技術(shù)和數(shù)字模塊采集技術(shù)保證該傳感器具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。體積小、功耗低、傳輸距離長(zhǎng)(可達(dá)20m以上)，使DHT11成為各類應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選擇。DHT11電路連接如圖5所示。2.2無線通信模塊本設(shè)計(jì)采用的無線通信網(wǎng)絡(luò)為ZigBee網(wǎng)絡(luò)。ZigBee具有小功耗、低成本、慢速率、自配置和靈活化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等特征，并被廣泛應(yīng)用于智能家居、智慧城市、工業(yè)控制等智能化自動(dòng)化領(lǐng)域[7]。無線通信模塊采用支持Z-Stack協(xié)議棧的CC2530芯片來實(shí)現(xiàn)。CC2530是TI公司經(jīng)過ZigBee認(rèn)證的網(wǎng)絡(luò)處理器，支持IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)/ZigBee/ZigBeeRF4CE。CC2530結(jié)合了8051微處理器、RF收發(fā)器、8KBRAM以及其他強(qiáng)大的外設(shè)與支持功能。另外，該芯片還具有3種電源管理模式：中斷模式、睡眠模式和喚醒模式，3種模式相互切換，從而大幅降低功耗[8]。2.3照明開關(guān)模塊照明開關(guān)模塊根據(jù)協(xié)調(diào)器發(fā)出的控制信號(hào)來控制籃球場(chǎng)照明燈光的開關(guān)狀態(tài)。照明開關(guān)模塊主要包括光耦合器和繼電器，光耦合器與繼電器相連[9]。光耦合器從輸入端到輸出端實(shí)現(xiàn)了“電—光—電”的轉(zhuǎn)換，抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了單向傳輸信號(hào)。繼電器是具有隔離功能的自動(dòng)開關(guān)元件，具有控制、保護(hù)、調(diào)節(jié)和傳遞信息的作用。協(xié)調(diào)器通過光耦合器向繼電器發(fā)出控制信號(hào)，從而控制照明燈光的開關(guān)狀態(tài)。

　　3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)主要包括終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)。3.1終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器確定個(gè)域網(wǎng)ID、無線射頻通信信道和收發(fā)地址等參數(shù)后發(fā)起創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求加入并被判斷基本參數(shù)是否與協(xié)調(diào)器一致，一致則成功地加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。如圖6所示，終端節(jié)點(diǎn)的程序流程為：終端節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行系統(tǒng)初始化后請(qǐng)求加入ZigBee無線網(wǎng)絡(luò);加入成功后，啟動(dòng)定時(shí)器，等待定時(shí)器時(shí)間到達(dá)后，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至協(xié)調(diào)器。3.2協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計(jì)室外籃球場(chǎng)的布燈方案為6套LED燈分布在球場(chǎng)的兩側(cè)。1，2號(hào)，3，4號(hào)和5，6號(hào)照明燈分別分布在左半球場(chǎng)、中間球場(chǎng)和右半球場(chǎng)。左半場(chǎng)被使用時(shí)，1，2號(hào)照明燈亮，其余燈光滅;右半場(chǎng)被使用時(shí)，5，6號(hào)照明燈亮，1～4號(hào)燈光滅;全場(chǎng)被使用時(shí)，1～6號(hào)照明燈全亮。如圖7所示，籃球場(chǎng)全場(chǎng)燈光控制單元實(shí)時(shí)地讀取半場(chǎng)亮燈情況，并對(duì)此做出相應(yīng)操作。當(dāng)1，2號(hào)，5，6號(hào)燈同時(shí)啟用時(shí)，3，4號(hào)燈自動(dòng)開啟;否則，3，4號(hào)燈一直處于關(guān)閉狀態(tài)。其中，半場(chǎng)燈光控制程序的具體流程如圖8所示�；@球場(chǎng)半場(chǎng)燈光控制程序流程為：協(xié)調(diào)器創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，等待并接收終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng);終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)后，協(xié)調(diào)器接收終端節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù);判斷上述數(shù)據(jù)是否滿足開燈條件，若滿足則打開節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)燈并且持續(xù)亮燈15min，否則判斷節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)燈是否已持續(xù)亮燈15min，若是，執(zhí)行關(guān)閉燈操作。其中，終端節(jié)點(diǎn)由終端節(jié)點(diǎn)1和2組成，節(jié)點(diǎn)1(包括光照節(jié)點(diǎn)1、壓力節(jié)點(diǎn)1和濕度節(jié)點(diǎn)1)對(duì)應(yīng)1，2號(hào)燈，節(jié)點(diǎn)2(包括光照節(jié)點(diǎn)2、壓力節(jié)點(diǎn)2和濕度節(jié)點(diǎn)2)對(duì)應(yīng)5，6號(hào)燈。開燈條件是指球場(chǎng)附近的光線不足且有人在打球?qū)�籃板有一定撞擊壓力且籃板較為干燥，具體為傳感器采集到光照度、濕度低于閾值，并且壓力大于一定數(shù)值。

　　4結(jié)語

　　夜幕降臨后，照明問題是室外籃球場(chǎng)的一大痛點(diǎn)，無燈會(huì)嚴(yán)重影響籃球運(yùn)動(dòng)的開展，即使有燈往往因?yàn)槿狈�管理人員而不會(huì)經(jīng)常開啟使用。針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)一套基于ZigBee的室外籃球場(chǎng)智能照明控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采集當(dāng)前外界光照度、空氣濕度和籃板所受壓力并將其輸出至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器根據(jù)設(shè)定規(guī)則對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，依據(jù)處理結(jié)果輸出控制信號(hào)至照明開關(guān)，控制球場(chǎng)實(shí)現(xiàn)無照明、半場(chǎng)照明和全場(chǎng)照明三種照明狀態(tài)，從而在晴天夜晚做到“有人打球時(shí)自動(dòng)亮燈、無人打球時(shí)自動(dòng)關(guān)燈”的室外球場(chǎng)燈光智能控制，并能改善城市公共運(yùn)動(dòng)設(shè)施條件，提高群眾體育運(yùn)動(dòng)參與度，促進(jìn)青少年“五育一體”全面發(fā)展。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]佚名.國(guó)務(wù)院印發(fā)《全民健身計(jì)劃(2016—2020年)》[N].人民日?qǐng)?bào)，2016-06-24.

　　[2]騰訊體育，企鵝智庫(kù).2018中國(guó)籃球產(chǎn)業(yè)報(bào)告[EB/OL].[2018-11-23].

　　[3]劉輝，杜峰.關(guān)于燈光球場(chǎng)夜間照明的相關(guān)問題淺析：以福州市某燈光籃球場(chǎng)為例[J].福建建筑，2013，24(12)：106-108.

　　[4]蘇楚怡，黃金旭，劉灼權(quán)，等.基于ZigBee的智能LED照明系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2017，7(7)：83-85.

　　[5]谷善茂，劉云龍，紀(jì)志祥.基于ZigBee的家用智能防水浸探測(cè)器設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(6)：77-80.

　　《室外籃球場(chǎng)智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究》來源：《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)》，作者：朱曉君 申昊 李沛熹 馮廣宇 李權(quán)