ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在小區(qū)路燈照明系統(tǒng)的應(yīng)用

　　摘 要：小區(qū)路燈照明系統(tǒng)是樓宇智能的一部分，但受制于布線、成本等的問題，難以得以實(shí)施。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)越來越成熟，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)成本低、功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)等的特點(diǎn)，非常適合在無線路燈控制的應(yīng)用。本文在介紹了小區(qū)路燈照明系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合ZigBee組網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的小區(qū)路燈照明系統(tǒng)的應(yīng)用，通過實(shí)驗(yàn)證明了該技術(shù)在小區(qū)路燈監(jiān)控的可行性，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

　　1. 引言

　　小區(qū)路燈照明系統(tǒng)是相對封閉的電力系統(tǒng)，它與街道、公路照明系統(tǒng)不同，由小區(qū)內(nèi)部的電力系統(tǒng)控制?，F(xiàn)代小區(qū)智能樓宇控制應(yīng)當(dāng)包含有小區(qū)路燈照明系統(tǒng)，使得小區(qū)照明更節(jié)能環(huán)保、更人性化、個性化，照明系統(tǒng)由小區(qū)的電氣控制中心統(tǒng)一調(diào)控。為了實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的統(tǒng)一控制，需要在照明路燈上加裝控制模塊與通信功能，導(dǎo)致了成本的增加，使得遠(yuǎn)程統(tǒng)一控制得不到廣泛的應(yīng)用。ZigBee是一種基于2.4 G頻段的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它具有低功耗、傳輸距離遠(yuǎn)、網(wǎng)絡(luò)性強(qiáng)、成本低等的特點(diǎn)，非常適合于數(shù)據(jù)量不大、節(jié)點(diǎn)數(shù)多的網(wǎng)絡(luò)控制，被廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。本文設(shè)計(jì)一種基于無線傳感器技術(shù)的小區(qū)照明控制系統(tǒng)，在無需進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)布線的前提下，低成本實(shí)現(xiàn)集中統(tǒng)一控制小區(qū)內(nèi)的路燈，使得小區(qū)的照明系統(tǒng)的智能化得以實(shí)現(xiàn)。

　　2. 小區(qū)路燈照明系統(tǒng)

　　小區(qū)路燈照明是小區(qū)建設(shè)非常重要的一個部分，雖然同是照明系統(tǒng)，它與公共照明（如街道、廣場、公路等照明）不同，小區(qū)路燈照明屬于小區(qū)自主控制，消耗的電費(fèi)也由小區(qū)業(yè)主承擔(dān)，因此小區(qū)照明需要考慮到個性化控制、節(jié)能、安防等因素。另外，隨著人們生活水平的提高，人們對居住環(huán)境的要求也越來越高居住的環(huán)境也成為了一種重要的休閑、放松、享受生活的重要場所，小區(qū)照明由以前的單純照明演變成為一種景觀系統(tǒng)工程，人們追求的不僅僅是亮度上的主觀感受，更重要的是視覺、身心的一種享受［1］ 。由此可見，小區(qū)照明系統(tǒng)并不能簡單地照搬普通的照明系統(tǒng)，個性化、節(jié)能環(huán)保是現(xiàn)代小區(qū)設(shè)計(jì)的重要一環(huán)。

　　隨著信息行業(yè)和計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，智能樓宇技術(shù)迅速發(fā)展，樓宇自動化、通信自動化、辦公自動化、家庭自動化等各種自動化系統(tǒng)不斷出現(xiàn)，現(xiàn)代小區(qū)使用最多最普遍的是安防系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、停車場系統(tǒng)等，小區(qū)內(nèi)的照明系統(tǒng)卻應(yīng)用的不多，原因主要是：小區(qū)的路燈照明系統(tǒng)接入智能樓宇系統(tǒng)的通信介質(zhì)大部分采用總線型與電力線載波，總線型需要鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)通信線路，分布廣泛、布線復(fù)雜，成本很高，若采用電力載波方式接入，雖然不用另外鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)線路，但需要昂貴的調(diào)制解調(diào)設(shè)備，成本也難以降低［2］ 。因此如何低成本地將小區(qū)的路燈照明系統(tǒng)加入到小區(qū)的智能樓宇控制系統(tǒng)中是解決矛盾的關(guān)鍵。

　　3. ZigBee

　　ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。它來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息。ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與其他無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相比，如表1所示，有著顯著的特點(diǎn)。藍(lán)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(shù)據(jù)量低的傳感器與控制場合。

　　3.1. ZigBee技術(shù)概述

　　ZigBee與IEEE 802.15.4是基于標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議，它們?yōu)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供所需的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。802.15.4定義了物理層（PHY）和媒體訪問層（MAC），ZigBee定義了網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層（API），如圖1所示 ［3］ 。由此可見，ZigBee是一套非常完整的無線網(wǎng)絡(luò)解決方案。

　　表1. ZigBee與其他無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

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

　　3.2. ZigBee設(shè)備類型

　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)包含2種功能類型設(shè)備，3種節(jié)點(diǎn)類型。功能類型有：全功能設(shè)備FFD （Full Function Device）和精簡功能設(shè)備RFD （Reduced Function Device）。顧名思義，全功能設(shè)備具有完整的協(xié)議功能，而精簡功能設(shè)備目的是為了實(shí)現(xiàn)簡單的協(xié)議即可。3種節(jié)點(diǎn)類型：協(xié)調(diào)器（ZC）、路由器（ZR）與終端設(shè)備（ZE）。全功能設(shè)備可以作為協(xié)調(diào)器、路由或者終端設(shè)備，精簡設(shè)備只能作為終端設(shè)備使用。全功能設(shè)備可以與任何設(shè)備通信，而精簡功能設(shè)備只能與全功能設(shè)備通信，不能與精簡功能設(shè)備互通。它們共同構(gòu)成ZigBee網(wǎng)絡(luò)，如圖2是ZigBee的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

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

　　路由器的作用是擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋面，在障礙周圍動態(tài)路由，并提供備份路由以防止網(wǎng)絡(luò)擁擠和設(shè)備失敗，它們可以聯(lián)系到協(xié)調(diào)器與其他路由。

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

　　3.3. ZigBee網(wǎng)絡(luò)

　　ZigBee有3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及2種工作模式。3種網(wǎng)絡(luò)包括有：星形網(wǎng)絡(luò)（Star network）、樹狀網(wǎng)絡(luò)（Cluster tree network）和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（Mesh network），拓?fù)淙鐖D3所示。

　　星形網(wǎng)絡(luò)由一個協(xié)調(diào)器與多個終端設(shè)備組成，協(xié)調(diào)器位于網(wǎng)絡(luò)中心，負(fù)責(zé)發(fā)起建立和維護(hù)整個網(wǎng)絡(luò)。

　　圖2. ZigBee網(wǎng)絡(luò)的三種設(shè)備類型

　　圖3. ZigBee的三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

　　星形網(wǎng)絡(luò)的控制與同步比較簡單。

　　樹狀網(wǎng)絡(luò)由一個協(xié)調(diào)器與一個或者多個星形網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。很明顯，樹狀網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇臻g很大，但是空間的增大使得信號的傳輸延時(shí)會增加。

　　網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)由若干個FFD構(gòu)成骨干網(wǎng)，它們之間是對等關(guān)系，每個節(jié)點(diǎn)都可以與其他節(jié)點(diǎn)對等通信。網(wǎng)絡(luò)中所有具有路由功能的節(jié)點(diǎn)可以直接互聯(lián)，但它們中有一個會被推薦為協(xié)調(diào)器。實(shí)際上網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是基于樹狀網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，由路由器的路由表配合實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路由。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是具有自恢復(fù)能力，數(shù)據(jù)路徑有多條選擇，當(dāng)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，但是樹狀網(wǎng)絡(luò)需要更多的存儲空間。

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

　　4. 基于ZigBee技術(shù)的小區(qū)照明系統(tǒng)

　　4.1. 硬件設(shè)計(jì)

　　ZigBee傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低、成本低等的特點(diǎn)，非常適合于小區(qū)路燈照明系統(tǒng)。硬件上參考TI公司開發(fā)的ZigBee專用CC2530單片機(jī)的母版設(shè)計(jì) ［4］ ，終端設(shè)備使用BH1750FVI數(shù)字光照傳感器進(jìn)行光照強(qiáng)度的數(shù)據(jù)采集，設(shè)計(jì)CC2530還有繼電器輸出，用于驅(qū)動路燈的開關(guān)，電路如圖4所示。

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

　　4.2. 軟件設(shè)計(jì)

　　使用IAR開發(fā)平臺與TI公司的Z-stack協(xié)議棧，該協(xié)議棧由TI公司提供給用戶的一個開放的ZigBee網(wǎng)絡(luò)開發(fā)包，是ZigBee的一種具體實(shí)現(xiàn)，Z-Stack包含了網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膸捉谌δ艿膮f(xié)議棧，用戶可以直接使用Z-stack進(jìn)行開發(fā) ［5］ ，其框架如圖5所示。Z-stack已經(jīng)將系統(tǒng)平臺層與協(xié)議層封裝好了，用戶只需根據(jù)自己的網(wǎng)絡(luò)與程序?qū)?yīng)用層進(jìn)行修改，使得用戶的開發(fā)周期大大縮短，而且網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性得到了很好的保護(hù)。

　　圖4. 終端設(shè)備電路圖

　　根據(jù)小區(qū)路燈照明系統(tǒng)的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，路由根據(jù)路燈的分布情況帶若干個終端設(shè)備，終端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以及控制，路由設(shè)置在Z-stack里修改f8wConfig.cfg文件進(jìn)行設(shè)置，路由表大小設(shè)置MAX_RTG_ENTRIES，按節(jié)點(diǎn)數(shù)10:1進(jìn)行設(shè)置，通信方式采用非信標(biāo)模式。另外，由于路燈系統(tǒng)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(dāng)路燈電源線路出現(xiàn)故障斷電，ZigBee模塊可以使用鋰電池繼續(xù)進(jìn)行工作，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)并將斷電故障信息上報(bào)至服務(wù)器。

　　4.3. 實(shí)驗(yàn)

　　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個終端設(shè)備對路燈進(jìn)行光照強(qiáng)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個路由設(shè)備，協(xié)調(diào)器使用RS232轉(zhuǎn)換芯片與PC串行口進(jìn)行通信，服務(wù)器端使用VB編寫終端監(jiān)控軟件顯示各個終端設(shè)備采集的信息，發(fā)送繼電器閉合與斷開指令信號。在斷電的情況下，備用電池可以繼續(xù)維持單片機(jī)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(yàn)顯示，20個終端設(shè)備的采集信息可以完整的顯示，繼電器閉合與斷開的指令也能從服務(wù)器端發(fā)送到終端設(shè)備，在路由測試上，分別對4個路由進(jìn)行故障性測試，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。由表2數(shù)據(jù)可知，在傳輸速率不高的情況下路由特性表現(xiàn)良好。

　　由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行小區(qū)路燈監(jiān)控是可行的，在協(xié)調(diào)器端對數(shù)據(jù)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(tǒng)中進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控。

　　5. 總結(jié)

　　文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的小區(qū)路燈控制系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)證明ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在遠(yuǎn)程監(jiān)測路燈下的光照強(qiáng)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(diào)器端與智能樓宇系統(tǒng)的連接上可以進(jìn)行靈活的編程，以滿足監(jiān)控系統(tǒng)的需求，因此，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以擴(kuò)展到其他設(shè)備的監(jiān)控上，大大減少了布線的成本，無論是作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用還是智能樓宇控制應(yīng)用的推廣，具有一定意義。
作者：劉志遠(yuǎn)，謝應(yīng)然 佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系