ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)在小區路燈照明系統的應用

　　摘 要：小區路燈照明系統是樓宇智能的一部分，但受制于布線(xiàn)、成本等的問(wèn)題，難以得以實(shí)施。隨著(zhù)計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)越來(lái)越成熟，ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )成本低、功耗低、傳輸距離遠等的特點(diǎn)，非常適合在無(wú)線(xiàn)路燈控制的應用。本文在介紹了小區路燈照明系統的特點(diǎn)，結合ZigBee組網(wǎng)技術(shù)，設計了一套ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的小區路燈照明系統的應用，通過(guò)實(shí)驗證明了該技術(shù)在小區路燈監控的可行性，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

　　1. 引言

　　小區路燈照明系統是相對封閉的電力系統，它與街道、公路照明系統不同，由小區內部的電力系統控制?，F代小區智能樓宇控制應當包含有小區路燈照明系統，使得小區照明更節能環(huán)保、更人性化、個(gè)性化，照明系統由小區的電氣控制中心統一調控。為了實(shí)現照明系統的統一控制，需要在照明路燈上加裝控制模塊與通信功能，導致了成本的增加，使得遠程統一控制得不到廣泛的應用。ZigBee是一種基于2.4 G頻段的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，它具有低功耗、傳輸距離遠、網(wǎng)絡(luò )性強、成本低等的特點(diǎn)，非常適合于數據量不大、節點(diǎn)數多的網(wǎng)絡(luò )控制，被廣泛應用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。本文設計一種基于無(wú)線(xiàn)傳感器技術(shù)的小區照明控制系統，在無(wú)需進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)的前提下，低成本實(shí)現集中統一控制小區內的路燈，使得小區的照明系統的智能化得以實(shí)現。

　　2. 小區路燈照明系統

　　小區路燈照明是小區建設非常重要的一個(gè)部分，雖然同是照明系統，它與公共照明（如街道、廣場(chǎng)、公路等照明）不同，小區路燈照明屬于小區自主控制，消耗的電費也由小區業(yè)主承擔，因此小區照明需要考慮到個(gè)性化控制、節能、安防等因素。另外，隨著(zhù)人們生活水平的提高，人們對居住環(huán)境的要求也越來(lái)越高居住的環(huán)境也成為了一種重要的休閑、放松、享受生活的重要場(chǎng)所，小區照明由以前的單純照明演變成為一種景觀(guān)系統工程，人們追求的不僅僅是亮度上的主觀(guān)感受，更重要的是視覺(jué)、身心的一種享受［1］ 。由此可見(jiàn)，小區照明系統并不能簡(jiǎn)單地照搬普通的照明系統，個(gè)性化、節能環(huán)保是現代小區設計的重要一環(huán)。

　　隨著(zhù)信息行業(yè)和計算機產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，智能樓宇技術(shù)迅速發(fā)展，樓宇自動(dòng)化、通信自動(dòng)化、辦公自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化等各種自動(dòng)化系統不斷出現，現代小區使用最多最普遍的是安防系統、門(mén)禁系統、停車(chē)場(chǎng)系統等，小區內的照明系統卻應用的不多，原因主要是：小區的路燈照明系統接入智能樓宇系統的通信介質(zhì)大部分采用總線(xiàn)型與電力線(xiàn)載波，總線(xiàn)型需要鋪設網(wǎng)絡(luò )通信線(xiàn)路，分布廣泛、布線(xiàn)復雜，成本很高，若采用電力載波方式接入，雖然不用另外鋪設網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)路，但需要昂貴的調制解調設備，成本也難以降低［2］ 。因此如何低成本地將小區的路燈照明系統加入到小區的智能樓宇控制系統中是解決矛盾的關(guān)鍵。

　　3. ZigBee

　　ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。它來(lái)源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來(lái)與同伴傳遞花粉所在方位信息。ZigBee網(wǎng)絡(luò )協(xié)議與其他無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議相比，如表1所示，有著(zhù)顯著(zhù)的特點(diǎn)。藍牙與WIFI技術(shù)速率高，但ZigBee在傳輸距離、功耗、成本等方面有先天的優(yōu)勢，特別適合于數據量低的傳感器與控制場(chǎng)合。

　　3.1. ZigBee技術(shù)概述

　　ZigBee與IEEE 802.15.4是基于標準的協(xié)議，它們?yōu)闊o(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用提供所需的網(wǎng)絡(luò )基礎設施。802.15.4定義了物理層（PHY）和媒體訪(fǎng)問(wèn)層（MAC），ZigBee定義了網(wǎng)絡(luò )層（NWK）和應用層（API），如圖1所示 ［3］ 。由此可見(jiàn)，ZigBee是一套非常完整的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )解決方案。

　　表1. ZigBee與其他無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議

　　圖1. ZigBee與IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò )架構圖

　　3.2. ZigBee設備類(lèi)型

　　ZigBee網(wǎng)絡(luò )包含2種功能類(lèi)型設備，3種節點(diǎn)類(lèi)型。功能類(lèi)型有：全功能設備FFD （Full Function Device）和精簡(jiǎn)功能設備RFD （Reduced Function Device）。顧名思義，全功能設備具有完整的協(xié)議功能，而精簡(jiǎn)功能設備目的是為了實(shí)現簡(jiǎn)單的協(xié)議即可。3種節點(diǎn)類(lèi)型：協(xié)調器（ZC）、路由器（ZR）與終端設備（ZE）。全功能設備可以作為協(xié)調器、路由或者終端設備，精簡(jiǎn)設備只能作為終端設備使用。全功能設備可以與任何設備通信，而精簡(jiǎn)功能設備只能與全功能設備通信，不能與精簡(jiǎn)功能設備互通。它們共同構成ZigBee網(wǎng)絡(luò )，如圖2是ZigBee的一種拓撲結構。

　　協(xié)調器的作用是啟動(dòng)與控制網(wǎng)絡(luò )，存儲關(guān)于網(wǎng)絡(luò )的信息。它也是網(wǎng)絡(luò )的第一個(gè)設備。協(xié)調器選擇一個(gè)信道和一個(gè)網(wǎng)絡(luò )ID （也稱(chēng)之為PAN ID，即Personal Area Network ID），隨后啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò )。如果網(wǎng)絡(luò )需要加密，密匙可存放在協(xié)調器，協(xié)調器的角色主要涉及網(wǎng)絡(luò )的啟動(dòng)和配置，一旦這些都完成后，協(xié)調器的工作就像一個(gè)路由器。

　　路由器的作用是擴展網(wǎng)絡(luò )覆蓋面，在障礙周?chē)鷦?dòng)態(tài)路由，并提供備份路由以防止網(wǎng)絡(luò )擁擠和設備失敗，它們可以聯(lián)系到協(xié)調器與其他路由。

　　終端設備的作用是發(fā)送或接受一個(gè)信息，但是不能執行任何路由操作，它們必須連接到協(xié)調器或路由器，終端設備是網(wǎng)絡(luò )的最終端，因此不支持子設備。

　　3.3. ZigBee網(wǎng)絡(luò )

　　ZigBee有3種拓撲結構及2種工作模式。3種網(wǎng)絡(luò )包括有：星形網(wǎng)絡(luò )（Star network）、樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò )（Cluster tree network）和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )（Mesh network），拓撲如圖3所示。

　　星形網(wǎng)絡(luò )由一個(gè)協(xié)調器與多個(gè)終端設備組成，協(xié)調器位于網(wǎng)絡(luò )中心，負責發(fā)起建立和維護整個(gè)網(wǎng)絡(luò )。

　　圖2. ZigBee網(wǎng)絡(luò )的三種設備類(lèi)型

　　圖3. ZigBee的三種網(wǎng)絡(luò )拓撲

　　星形網(wǎng)絡(luò )的控制與同步比較簡(jiǎn)單。

　　樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò )由一個(gè)協(xié)調器與一個(gè)或者多個(gè)星形網(wǎng)絡(luò )構成。很明顯，樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò )的拓撲空間很大，但是空間的增大使得信號的傳輸延時(shí)會(huì )增加。

　　網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )由若干個(gè)FFD構成骨干網(wǎng)，它們之間是對等關(guān)系，每個(gè)節點(diǎn)都可以與其他節點(diǎn)對等通信。網(wǎng)絡(luò )中所有具有路由功能的節點(diǎn)可以直接互聯(lián)，但它們中有一個(gè)會(huì )被推薦為協(xié)調器。實(shí)際上網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )是基于樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò )的基礎，由路由器的路由表配合實(shí)現網(wǎng)絡(luò )路由。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)是具有自恢復能力，數據路徑有多條選擇，當某條路徑故障，可以選擇其他路徑，因此它具有非常高的可靠性，但是樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò )需要更多的存儲空間。

　　ZigBee有兩種工作模式：信標（beacon）模式與非信標模式。信標模式規定了一種“超幀”的格式，在超幀的開(kāi)始發(fā)送信標幀，各節點(diǎn)經(jīng)過(guò)競爭方式、非競爭方式接入、非活躍時(shí)期與休眠狀態(tài)幾個(gè)時(shí)期，結束后等待下一個(gè)超幀周期的開(kāi)始又發(fā)送信標幀。非信標模式則比較靈活，節點(diǎn)均以競爭方式接入信道，不需要周期性的發(fā)送信標幀。顯然，信標方式同步性能好，但這種同步網(wǎng)絡(luò )的規模不能很大。

　　4. 基于ZigBee技術(shù)的小區照明系統

　　4.1. 硬件設計

　　ZigBee傳輸距離遠、功耗低、成本低等的特點(diǎn)，非常適合于小區路燈照明系統。硬件上參考TI公司開(kāi)發(fā)的ZigBee專(zhuān)用CC2530單片機的母版設計 ［4］ ，終端設備使用BH1750FVI數字光照傳感器進(jìn)行光照強度的數據采集，設計CC2530還有繼電器輸出，用于驅動(dòng)路燈的開(kāi)關(guān)，電路如圖4所示。

　　協(xié)調器與路由器也參考TI母版電路，協(xié)調器在CC2530串行口上接入RS232轉換芯片與服務(wù)器連接。

　　4.2. 軟件設計

　　使用IAR開(kāi)發(fā)平臺與TI公司的Z-stack協(xié)議棧，該協(xié)議棧由TI公司提供給用戶(hù)的一個(gè)開(kāi)放的ZigBee網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)包，是ZigBee的一種具體實(shí)現，Z-Stack包含了網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )拓撲的幾近于全功能的協(xié)議棧，用戶(hù)可以直接使用Z-stack進(jìn)行開(kāi)發(fā) ［5］ ，其框架如圖5所示。Z-stack已經(jīng)將系統平臺層與協(xié)議層封裝好了，用戶(hù)只需根據自己的網(wǎng)絡(luò )與程序對應用層進(jìn)行修改，使得用戶(hù)的開(kāi)發(fā)周期大大縮短，而且網(wǎng)絡(luò )系統的可靠性得到了很好的保護。

　　圖4. 終端設備電路圖

　　根據小區路燈照明系統的特點(diǎn)，系統采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )結構，路由根據路燈的分布情況帶若干個(gè)終端設備，終端設備進(jìn)行數據采集以及控制，路由設置在Z-stack里修改f8wConfig.cfg文件進(jìn)行設置，路由表大小設置MAX_RTG_ENTRIES，按節點(diǎn)數10:1進(jìn)行設置，通信方式采用非信標模式。另外，由于路燈系統本身有供電電源，因此ZigBee模塊使用路燈的電源進(jìn)行整流變壓供電，采用鋰電池作備用電源，當路燈電源線(xiàn)路出現故障斷電，ZigBee模塊可以使用鋰電池繼續進(jìn)行工作，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò )并將斷電故障信息上報至服務(wù)器。

　　4.3. 實(shí)驗

　　將ZigBee模塊按距離30米路燈的間隔進(jìn)行分布，如圖6所示模擬路燈分布，布置20個(gè)終端設備對路燈進(jìn)行光照強度的采集、供電信號的采集，并帶有繼電器控制輸出。按分布使用了6個(gè)路由設備，協(xié)調器使用RS232轉換芯片與PC串行口進(jìn)行通信，服務(wù)器端使用VB編寫(xiě)終端監控軟件顯示各個(gè)終端設備采集的信息，發(fā)送繼電器閉合與斷開(kāi)指令信號。在斷電的情況下，備用電池可以繼續維持單片機的供電，并將斷電信息發(fā)送回PC終端。

　　圖5. Z-stack協(xié)議?？蚣?/p>

　　圖6. ZigBee技術(shù)的路燈控制網(wǎng)絡(luò )

　　表2. 路由丟包率性能測試

　　實(shí)驗顯示，20個(gè)終端設備的采集信息可以完整的顯示，繼電器閉合與斷開(kāi)的指令也能從服務(wù)器端發(fā)送到終端設備，在路由測試上，分別對4個(gè)路由進(jìn)行故障性測試，實(shí)驗數據如表2所示。由表2數據可知，在傳輸速率不高的情況下路由特性表現良好。

　　由實(shí)驗數據可知，使用ZigBee網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行小區路燈監控是可行的，在協(xié)調器端對數據進(jìn)行打包可以與PC、PLC等控制器進(jìn)行通信，因此可以接入到智能樓宇控制系統中進(jìn)行統一監控。

　　5. 總結

　　文設計了一種基于ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的小區路燈控制系統，實(shí)驗證明ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)在遠程監測路燈下的光照強度、斷路故障等信息是可行的，具有一定的實(shí)用性，在協(xié)調器端與智能樓宇系統的連接上可以進(jìn)行靈活的編程，以滿(mǎn)足監控系統的需求，因此，ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)可以擴展到其他設備的監控上，大大減少了布線(xiàn)的成本，無(wú)論是作為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用還是智能樓宇控制應用的推廣，具有一定意義。
作者：劉志遠，謝應然 佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系