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，難以得以實施。隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，無線網(wǎng)絡技術越來越成熟，ZigBee無線網(wǎng)絡成本低、功耗低、傳輸距離遠等的特點，非常適合在無線路燈控制的應用。本文在介紹了小區(qū)路燈照明系統(tǒng)的特點，結合ZigBee組網(wǎng)技術，設計了一套ZigBee無線網(wǎng)絡技術的小區(qū)路燈照明系統(tǒng)的應用，通過實驗證明了該技術在小區(qū)路燈監(jiān)控的可行性，具有一定的實用價值。

　　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)內部的電力系統(tǒng)控制?，F(xiàn)代小區(qū)智能樓宇控制應當包含有小區(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)一調控。為了實現(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，導致了成本的增加，使得遠程統(tǒng)一控制得不到廣泛的應用。ZigBee是一種基于2.4 G頻段的無線網(wǎng)絡技術，它具有低功耗、傳輸距離遠、網(wǎng)絡性強、成本低等的特點，非常適合于數(shù)據(jù)量不大、節(jié)點數(shù)多的網(wǎng)絡控制，被廣泛應用于物聯(lián)網(wǎng)領域。本文設計一種基于無線傳感器技術的小區(qū)照明控制系統(tǒng)，在無需進行網(wǎng)絡布線的前提下，低成本實現(xiàn)集中統(tǒng)一控制小區(qū)內的路燈，使得小區(qū)的照明系統(tǒng)的智能化得以實現(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，消耗的電費也由小區(qū)業(yè)主承擔，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)設計的重要一環(huán)。

　　隨著信息行業(yè)和計算機產業(yè)的高速發(fā)展，智能樓宇技術迅速發(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)內的照明系統(tǒng)卻應用的不多，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)的通信介質大部分采用總線型與電力線載波，總線型需要鋪設網(wǎng)絡通信線路，分布廣泛、布線復雜，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)絡線路，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(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)絡協(xié)議與其他無線網(wǎng)絡協(xié)議相比，如表1所示，有著顯著的特點。藍牙與WIFI技術速率高，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技術概述

　　ZigBee與IEEE 802.15.4是基于標準的協(xié)議，它們?yōu)闊o線傳感器網(wǎng)絡應用提供所需的網(wǎng)絡基礎設施。802.15.4定義了物理層（PHY）和媒體訪問層（MAC），ZigBee定義了網(wǎng)絡層（NWK）和應用層（API），如圖1所示 ［3］ 。由此可見，ZigBee是一套非常完整的無線網(wǎng)絡解決方案。

　　表1. ZigBee與其他無線網(wǎng)絡協(xié)議

　　圖1. ZigBee與IEEE802.15.4網(wǎng)絡架構圖

　　3.2. ZigBee設備類型

　　ZigBee網(wǎng)絡包含2種功能類型設備，3種節(jié)點類型。功能類型有：全功能設備FFD （Full Function Device）和精簡功能設備RFD （Reduced Function Device）。顧名思義，全功能設備具有完整的協(xié)議功能，而精簡功能設備目的是為了實現(xiàn)簡單的協(xié)議即可。3種節(jié)點類型：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，而精簡功能設備只能與全功能設備通信，不能與精簡功能設備互通。它們共同構成ZigBee網(wǎng)絡，如圖2是ZigBee的一種拓撲結構。

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

　　路由器的作用是擴展網(wǎng)絡覆蓋面，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)調器或路由器，終端設備是網(wǎng)絡的最終端，因此不支持子設備。

　　3.3. ZigBee網(wǎng)絡

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

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

　　圖2. ZigBee網(wǎng)絡的三種設備類型

　　圖3. ZigBee的三種網(wǎng)絡拓撲

　　星形網(wǎng)絡的控制與同步比較簡單。

　　樹狀網(wǎng)絡由一個協(xié)調器與一個或者多個星形網(wǎng)絡構成。很明顯，樹狀網(wǎng)絡的拓撲空間很大，但是空間的增大使得信號的傳輸延時會增加。

　　網(wǎng)狀網(wǎng)絡由若干個FFD構成骨干網(wǎng)，它們之間是對等關系，每個節(jié)點都可以與其他節(jié)點對等通信。網(wǎng)絡中所有具有路由功能的節(jié)點可以直接互聯(lián)，但它們中有一個會被推薦為協(xié)調器。實際上網(wǎng)狀網(wǎng)絡是基于樹狀網(wǎng)絡的基礎，由路由器的路由表配合實現(xiàn)網(wǎng)絡路由。網(wǎng)狀網(wǎng)絡的特點是具有自恢復能力，數(shù)據(jù)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，但是樹狀網(wǎng)絡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(guī)定了一種“超幀”的格式，在超幀的開始發(fā)送信標幀，各節(jié)點經(jīng)過競爭方式、非競爭方式接入、非活躍時期與休眠狀態(tài)幾個時期，結束后等待下一個超幀周期的開始又發(fā)送信標幀。非信標模式則比較靈活，節(jié)點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)絡的規(guī)模不能很大。

　　4. 基于ZigBee技術的小區(qū)照明系統(tǒng)

　　4.1. 硬件設計

　　ZigBee傳輸距離遠、功耗低、成本低等的特點，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單片機的母版設計 ［4］ ，終端設備使用BH1750FVI數(shù)字光照傳感器進行光照強度的數(shù)據(jù)采集，設計CC2530還有繼電器輸出，用于驅動路燈的開關，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轉換芯片與服務器連接。

　　4.2. 軟件設計

　　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)絡開發(fā)包，是ZigBee的一種具體實現(xiàn)，Z-Stack包含了網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲的幾近于全功能的協(xié)議棧，用戶可以直接使用Z-stack進行開發(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)絡與程序對應用層進行修改，使得用戶的開發(fā)周期大大縮短，而且網(wǎng)絡系統(tǒng)的可靠性得到了很好的保護。

　　圖4. 終端設備電路圖

　　根據(jù)小區(qū)路燈照明系統(tǒng)的特點，系統(tǒng)采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構，路由根據(jù)路燈的分布情況帶若干個終端設備，終端設備進行數(shù)據(jù)采集以及控制，路由設置在Z-stack里修改f8wConfig.cfg文件進行設置，路由表大小設置MAX_RTG_ENTRIES，按節(jié)點數(shù)10:1進行設置，通信方式采用非信標模式。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行整流變壓供電，采用鋰電池作備用電源，當路燈電源線路出現(xiàn)故障斷電，ZigBee模塊可以使用鋰電池繼續(xù)進行工作，通過ZigBee網(wǎng)絡并將斷電故障信息上報至服務器。

　　4.3. 實驗

　　將ZigBee模塊按距離30米路燈的間隔進行分布，如圖6所示模擬路燈分布，布置20個終端設備對路燈進行光照強度的采集、供電信號的采集，并帶有繼電器控制輸出。按分布使用了6個路由設備，協(xié)調器使用RS232轉換芯片與PC串行口進行通信，服務器端使用VB編寫終端監(jiān)控軟件顯示各個終端設備采集的信息，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技術的路燈控制網(wǎng)絡

　　表2. 路由丟包率性能測試

　　實驗顯示，20個終端設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器端發(fā)送到終端設備，在路由測試上，分別對4個路由進行故障性測試，實驗數(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。

　　由實驗數(shù)據(jù)可知，使用ZigBee網(wǎng)絡進行小區(qū)路燈監(jiān)控是可行的，在協(xié)調器端對數(shù)據(jù)進行打包可以與PC、PLC等控制器進行通信，因此可以接入到智能樓宇控制系統(tǒng)中進行統(tǒng)一監(jiān)控。

　　5. 總結

　　文設計了一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡技術的小區(qū)路燈控制系統(tǒng)，實驗證明ZigBee無線網(wǎng)絡技術在遠程監(jiān)測路燈下的光照強度、斷路故障等信息是可行的，具有一定的實用性，在協(xié)調器端與智能樓宇系統(tǒng)的連接上可以進行靈活的編程，以滿足監(jiān)控系統(tǒng)的需求，因此，ZigBee無線網(wǎng)絡技術可以擴展到其他設備的監(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)技術學院機電工程系