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、成本等的問題，難以得以實施。隨著計算機技術的迅猛發展，無線網絡技術越來越成熟，ZigBee無線網絡成本低、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。本文在介紹了小區路燈照明系統的特點，結合ZigBee組網技術，設計了一套ZigBee無線網絡技術的小區路燈照明系統的應用，通過實驗證明了該技術在小區路燈監控的可行性，具有一定的實用價值。

　　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。現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保、更人性化、個性化，照明系統由小區的電氣控制中心統一調控。為了實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頻段的無線網絡技術，它具有低功耗、傳輸距離遠、網絡性強、成本低等的特點，非常適合于數據量不大、節點數多的網絡控制，被廣泛應用于物聯網領域。本文設計一種基于無線傳感器技術的小區照明控制系統，在無需進行網絡布線的前提下，低成本實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部分，雖然同是照明系統，它與公共照明（如街道、廣場、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主承擔，因此小區照明需要考慮到個性化控制、節能、安防等因素。另外，隨著人們生活水平的提高，人們對居住環境的要求也越來越高居住的環境也成為了一種重要的休閑、放松、享受生活的重要場所，小區照明由以前的單純照明演變成為一種景觀系統工程，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，小區照明系統并不能簡單地照搬普通的照明系統，個性化、節能環保是現代小區設計的重要一環。

　　隨著信息行業和計算機產業的高速發展，智能樓宇技術迅速發展，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不斷出現，現代小區使用最多最普遍的是安防系統、門禁系統、停車場系統等，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大部分采用總線型與電力線載波，總線型需要鋪設網絡通信線路，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鍵。

　　3. ZigBee

　　ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議。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網絡協議與其他無線網絡協議相比，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勢，特別適合于數據量低的傳感器與控制場合。

　　3.1. ZigBee技術概述

　　ZigBee與IEEE 802.15.4是基于標準的協議，它們為無線傳感器網絡應用提供所需的網絡基礎設施。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絡解決方案。

　　表1. ZigBee與其他無線網絡協議

　　圖1. ZigBee與IEEE802.15.4網絡架構圖

　　3.2. ZigBee設備類型

　　ZigBee網絡包含2種功能類型設備，3種節點類型。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議功能，而精簡功能設備目的是為了實現簡單的協議即可。3種節點類型：協調器（ZC）、路由器（ZR）與終端設備（ZE）。全功能設備可以作為協調器、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網絡，如圖2是ZigBee的一種拓撲結構。

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

　　路由器的作用是擴展網絡覆蓋面，在障礙周圍動態路由，并提供備份路由以防止網絡擁擠和設備失敗，它們可以聯系到協調器與其他路由。

　　終端設備的作用是發送或接受一個信息，但是不能執行任何路由操作，它們必須連接到協調器或路由器，終端設備是網絡的最終端，因此不支持子設備。

　　3.3. ZigBee網絡

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

　　星形網絡由一個協調器與多個終端設備組成，協調器位于網絡中心，負責發起建立和維護整個網絡。

　　圖2. ZigBee網絡的三種設備類型

　　圖3. ZigBee的三種網絡拓撲

　　星形網絡的控制與同步比較簡單。

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

　　網狀網絡由若干個FFD構成骨干網，它們之間是對等關系，每個節點都可以與其他節點對等通信。網絡中所有具有路由功能的節點可以直接互聯，但它們中有一個會被推薦為協調器。實際上網狀網絡是基于樹狀網絡的基礎，由路由器的路由表配合實現網絡路由。網狀網絡的特點是具有自恢復能力，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，但是樹狀網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。信標模式規定了一種“超幀”的格式，在超幀的開始發送信標幀，各節點經過競爭方式、非競爭方式接入、非活躍時期與休眠狀態幾個時期，結束后等待下一個超幀周期的開始又發送信標幀。非信標模式則比較靈活，節點均以競爭方式接入信道，不需要周期性的發送信標幀。顯然，信標方式同步性能好，但這種同步網絡的規模不能很大。

　　4. 基于ZigBee技術的小區照明系統

　　4.1. 硬件設計

　　ZigBee傳輸距離遠、功耗低、成本低等的特點，非常適合于小區路燈照明系統。硬件上參考TI公司開發的ZigBee專用CC2530單片機的母版設計 ［4］ ，終端設備使用BH1750FVI數字光照傳感器進行光照強度的數據采集，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。

　　協調器與路由器也參考TI母版電路，協調器在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開發平臺與TI公司的Z-stack協議棧，該協議棧由TI公司提供給用戶的一個開放的ZigBee網絡開發包，是ZigBee的一種具體實現，Z-Stack包含了網狀網絡拓撲的幾近于全功能的協議棧，用戶可以直接使用Z-stack進行開發 ［5］ ，其框架如圖5所示。Z-stack已經將系統平臺層與協議層封裝好了，用戶只需根據自己的網絡與程序對應用層進行修改，使得用戶的開發周期大大縮短，而且網絡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，系統采用網狀網絡結構，路由根據路燈的分布情況帶若干個終端設備，終端設備進行數據采集以及控制，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，按節點數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故障斷電，ZigBee模塊可以使用鋰電池繼續進行工作，通過ZigBee網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編寫終端監控軟件顯示各個終端設備采集的信息，發送繼電器閉合與斷開指令信號。在斷電的情況下，備用電池可以繼續維持單片機的供電，并將斷電信息發送回PC終端。

　　圖5. Z-stack協議棧框架

　　圖6. ZigBee技術的路燈控制網絡

　　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。

　　由實驗數據可知，使用ZigBee網絡進行小區路燈監控是可行的，在協調器端對數據進行打包可以與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中進行統一監控。

　　5. 總結

　　文設計了一種基于ZigBee無線網絡技術的小區路燈控制系統，實驗證明ZigBee無線網絡技術在遠程監測路燈下的光照強度、斷路故障等信息是可行的，具有一定的實用性，在協調器端與智能樓宇系統的連接上可以進行靈活的編程，以滿足監控系統的需求，因此，ZigBee無線網絡技術可以擴展到其他設備的監控上，大大減少了布線的成本，無論是作為無線傳感器網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 佛山職業技術學院機電工程系