2016年，國務院印發(fā)了《全民健身計劃(2016—2020年)》[1]，該計劃明確提出以下三點：第一，統(tǒng)籌建設全民健身場地，方便群眾就近就便健身;第二，將青少年作為實施全民健身計劃重點人群，大力普及青少年體育活動;第三，強化全民健身科技創(chuàng)新，推進全民健身場地設施創(chuàng)新，促進全民建設場地設施升級換代。《2018中國籃球產(chǎn)業(yè)白皮書》[2]則指出：第一，在中國體育產(chǎn)業(yè)中籃球已成為第一運動，籃球愛好者主要為35歲以下年輕人;第二，中國籃球場地數(shù)量已接近60萬個，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%。籃球作為我國最流行的體育運動之一，深受年輕人喜愛并對刺激體育相關消費貢獻突出。當前我國室內(nèi)籃球場場地固定、數(shù)量較少且需要付費，因此位置便利、數(shù)量眾多且免費使用的室外籃球場便成為大多數(shù)籃球愛好者的主要運動場所。對于大多數(shù)年輕人而言，只有在放學或下班之后才有空開展籃球運動。然而，在夜幕降臨之后，大多數(shù)室外籃球場因為缺乏照明系統(tǒng)而無法進行籃球訓練或比賽，而對于安裝有球場燈光的室外籃球場往往因為缺乏專門管理人員而導致大多數(shù)晚上不會啟用照明系統(tǒng)。因此，設計一種“有人打球時自動開燈、無人打球時自動關燈”的室外籃球場智能照明控制系統(tǒng)對于推進全民健身國家戰(zhàn)略、提升青少年身體素質(zhì)、構建籃球運動氛圍、促進體育產(chǎn)業(yè)消費等具有重要作用。本設計采用的室外籃球場照明布燈的方案為6套分別立在場地兩側的LED燈[3]，如圖1所示。其中，1，2號燈和籃板1對應左半球場;5，6號燈和籃板2分布在右半球場;3，4號燈則立在球場兩側的中間位置。筆者擬設計一套基于ZigBee的室外籃球場智能照明控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將光照傳感節(jié)點(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(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(根據(jù)空氣濕度判斷是否為晴天以決定是否開啟照明，同時也能避免較大雨滴對籃板產(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無線通信技術實現(xiàn)多點分布式采集至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器基于預設規(guī)則處理數(shù)據(jù)并輸出控制信號至照明開關，照明開關做出對應打開或關閉燈光的動作，最終實現(xiàn)對球場照明系統(tǒng)的智能控制。

　　1系統(tǒng)整體設計

　　如圖2所示，室外籃球場智能照明控制系統(tǒng)由終端節(jié)點、協(xié)調(diào)器、照明開關、上位機和電源等組成。終端節(jié)點內(nèi)嵌于籃板，并根據(jù)球場的兩個籃板進行編號，分別為光照節(jié)點1，2，壓力節(jié)點1，2和濕度節(jié)點1，2。終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器通過ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡互聯(lián)，協(xié)調(diào)器輸出控制信號至照明開關，協(xié)調(diào)器與上位機通過串口通信。控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)步驟如下：(1)內(nèi)嵌于籃板的光照節(jié)點、濕度節(jié)點和壓力節(jié)點分別用于感應當前外界光照度、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)預設規(guī)則對采集數(shù)據(jù)進行處理，依據(jù)處理結果輸出控制信號至照明開關，控制球場為無照明、半場照明或全場照明狀態(tài);(3)協(xié)調(diào)器將相關數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至上位機;(4)上位機查看相關數(shù)據(jù)，或向協(xié)調(diào)器發(fā)出指令，實現(xiàn)遠程控制。

　　2系統(tǒng)硬件設計

　　系統(tǒng)硬件設計主要包括傳感器模塊、無線通信模塊、照明開關模塊、上位機和電源模塊。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將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)運算放大器放大后，由ADC和數(shù)字邏輯電路將采集的電壓轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)。BH1750提供I2C總線接口與單片機通信[4]，如圖3所示，BH1750通過SCL、SDA兩個端口與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]。該傳感器具備測量精度高、重量輕體積小、使用壽命長等優(yōu)點。DHT11是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的數(shù)字溫濕度傳感器，包括一個電阻式感濕元件和一個負溫度系數(shù)測溫元件[6]。專用的溫濕度傳感技術和數(shù)字模塊采集技術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(可達20m以上)，使DHT11成為各類應用場合的最佳選擇。DHT11電路連接如圖5所示。2.2無線通信模塊本設計采用的無線通信網(wǎng)絡為ZigBee網(wǎng)絡。ZigBee具有小功耗、低成本、慢速率、自配置和靈活化的網(wǎng)絡拓撲結構等特征，并被廣泛應用于智能家居、智慧城市、工業(yè)控制等智能化自動化領域[7]。無線通信模塊采用支持Z-Stack協(xié)議棧的CC2530芯片來實現(xiàn)。CC2530是TI公司經(jīng)過ZigBee認證的網(wǎng)絡處理器，支持IEEE802.15.4標準/ZigBee/ZigBeeRF4CE。CC2530結合了8051微處理器、RF收發(fā)器、8KBRAM以及其他強大的外設與支持功能。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照明開關模塊照明開關模塊根據(jù)協(xié)調(diào)器發(fā)出的控制信號來控制籃球場照明燈光的開關狀態(tài)。照明開關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現(xiàn)了“電—光—電”的轉(zhuǎn)換，抗干擾能力強，實現(xiàn)了單向傳輸信號。繼電器是具有隔離功能的自動開關元件，具有控制、保護、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，從而控制照明燈光的開關狀態(tài)。

　　3系統(tǒng)軟件設計

　　軟件設計主要包括終端節(jié)點軟件設計和協(xié)調(diào)器軟件設計。3.1終端節(jié)點的軟件設計ZigBee網(wǎng)絡由協(xié)調(diào)器確定個域網(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，終端節(jié)點請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。如圖6所示，終端節(jié)點的程序流程為：終端節(jié)點在進行系統(tǒng)初始化后請求加入ZigBee無線網(wǎng)絡;加入成功后，啟動定時器，等待定時器時間到達后，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)器的軟件設計室外籃球場的布燈方案為6套LED燈分布在球場的兩側。1，2號，3，4號和5，6號照明燈分別分布在左半球場、中間球場和右半球場。左半場被使用時，1，2號照明燈亮，其余燈光滅;右半場被使用時，5，6號照明燈亮，1～4號燈光滅;全場被使用時，1～6號照明燈全亮。如圖7所示，籃球場全場燈光控制單元實時地讀取半場亮燈情況，并對此做出相應操作。當1，2號，5，6號燈同時啟用時，3，4號燈自動開啟;否則，3，4號燈一直處于關閉狀態(tài)。其中，半場燈光控制程序的具體流程如圖8所示。籃球場半場燈光控制程序流程為：協(xié)調(diào)器創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡后，等待并接收終端節(jié)點入網(wǎng);終端節(jié)點入網(wǎng)后，協(xié)調(diào)器接收終端節(jié)點采集到的數(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)點對應燈并且持續(xù)亮燈15min，否則判斷節(jié)點對應燈是否已持續(xù)亮燈15min，若是，執(zhí)行關閉燈操作。其中，終端節(jié)點由終端節(jié)點1和2組成，節(jié)點1(包括光照節(jié)點1、壓力節(jié)點1和濕度節(jié)點1)對應1，2號燈，節(jié)點2(包括光照節(jié)點2、壓力節(jié)點2和濕度節(jié)點2)對應5，6號燈。開燈條件是指球場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結語

　　夜幕降臨后，照明問題是室外籃球場的一大痛點，無燈會嚴重影響籃球運動的開展，即使有燈往往因為缺乏管理人員而不會經(jīng)常開啟使用。針對上述問題，本文設計一套基于ZigBee的室外籃球場智能照明控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采集當前外界光照度、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)設定規(guī)則對采集數(shù)據(jù)進行處理，依據(jù)處理結果輸出控制信號至照明開關，控制球場實現(xiàn)無照明、半場照明和全場照明三種照明狀態(tài)，從而在晴天夜晚做到“有人打球時自動亮燈、無人打球時自動關燈”的室外球場燈光智能控制，并能改善城市公共運動設施條件，提高群眾體育運動參與度，促進青少年“五育一體”全面發(fā)展。

　　參考文獻

　　[1]佚名.國務院印發(fā)《全民健身計劃(2016—2020年)》[N].人民日報，2016-06-24.

　　[2]騰訊體育，企鵝智庫.2018中國籃球產(chǎn)業(yè)報告[EB/OL].[2018-11-23].

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

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

　　[5]谷善茂，劉云龍，紀志祥.基于ZigBee的家用智能防水浸探測器設計[J].電子技術應用，2015，41(6)：77-80.

　　《室外籃球場智能照明控制系統(tǒng)設計研究》來源：《物聯(lián)網(wǎng)技術》，作者：朱曉君 申昊 李沛熹 馮廣宇 李權