基于ZigBee技術(shù)的教學(xué)樓智慧照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

周揚(yáng)帆

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源短缺問(wèn)題日益突出，但是目前在很多高校教學(xué)樓普遍存在著室內(nèi)無(wú)人卻燈火通明的現(xiàn)象，造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。文章提出采用ZigBee技術(shù)組建網(wǎng)絡(luò)，介紹了ZigBee技術(shù)的相關(guān)知識(shí)，包括其協(xié)議結(jié)構(gòu)、優(yōu)勢(shì)、設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其選擇，以一棟教學(xué)樓為對(duì)象，提出了系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案，對(duì)智慧燈光控制器和無(wú)線網(wǎng)關(guān)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)樓照明系統(tǒng)的智慧控制。

關(guān)鍵詞：智慧控制；ZigBee；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；物理設(shè)備；網(wǎng)關(guān)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）07-1608-03

教學(xué)樓照明是學(xué)校公共設(shè)施的重要組成部分，目前國(guó)內(nèi)的教學(xué)樓照明系統(tǒng)大部分沒(méi)有采用網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控管理，只能以樓層或教室為單位對(duì)照明設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)燈控制，這樣的控制方法不能實(shí)時(shí)的獲得每盞電燈的狀況，也無(wú)法根據(jù)具體情況調(diào)整電燈亮度，不能有效的節(jié)省電能。本設(shè)計(jì)基于ZigBee無(wú)線通信協(xié)議，對(duì)教學(xué)樓的燈光實(shí)現(xiàn)智慧管理，從而達(dá)到節(jié)約電能的目的。

1 ZigBee的相關(guān)知識(shí)

ZigBee是一種新興的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它具有距離短，成本低，功耗低，復(fù)雜度低，速率低，安全性能高等特點(diǎn)，其基礎(chǔ)是IEEE802.15.4。

1.1 ZigBee協(xié)議結(jié)構(gòu)

ZigBee協(xié)議只有OSI七層協(xié)議模型中的四層，包括物理層（PHY），媒介訪問(wèn)控制層（MAC），網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層（APL）。其中ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)制定網(wǎng)絡(luò)層以上的協(xié)議，IEEE制定物理層和媒介訪問(wèn)控制層標(biāo)準(zhǔn)，用戶自己編寫(xiě)最高層應(yīng)用協(xié)議，如圖1所示。

其中物理層是協(xié)議的最底層，承擔(dān)與外界直接作用的任務(wù)，主要是控制RF收發(fā)器工作。媒介訪問(wèn)控制層是負(fù)責(zé)設(shè)備間無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路的建立、維護(hù)和結(jié)束，確認(rèn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。網(wǎng)絡(luò)層的作用是建立新網(wǎng)絡(luò)，保證數(shù)據(jù)的傳輸，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，保證數(shù)據(jù)的完成性。應(yīng)用層根據(jù)服務(wù)和需求使多個(gè)器件之間進(jìn)行通信，具體應(yīng)用由用戶開(kāi)發(fā)。

1.2 ZigBee的優(yōu)勢(shì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用的是無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)間通信以一跳或多跳的形式自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)，與傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相比，有以下優(yōu)勢(shì)：

1）功耗低：設(shè)備非常省電，發(fā)射功率僅為1mW，在待機(jī)模式下，兩節(jié)普通的5號(hào)電池就可以維持6-24個(gè)月左右。

2）速率低：其傳輸速率低只有10-250KB/s，協(xié)議簡(jiǎn)單。

3）成本低：ZigBee芯片非常便宜，大概在10-20元左右，隨著以后的廣泛使用將會(huì)更便宜，且ZigBee協(xié)議是免費(fèi)的。

4）容量大：一個(gè)ZigBee設(shè)備可與254臺(tái)節(jié)點(diǎn)設(shè)備連接，而加入節(jié)點(diǎn)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納65000個(gè)設(shè)備，且組網(wǎng)靈活。

5）安全性高：ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，采用AES-128加密算法，各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。

6）可靠性高：ZigBee采取CSMA/CA的碰撞避免策略，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避開(kāi)發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。媒介訪問(wèn)控制層采用完全確認(rèn)數(shù)據(jù)傳輸模式，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都須等待接收方的確認(rèn)信息，若傳輸過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題可重發(fā)。

7）頻段靈活：ZigBee無(wú)線有3個(gè)頻段可使用，全世界通用2.4GHz，歐洲使用868MHz，美國(guó)使用915MHz，而不同頻段可使用的信道分別是16、1、10個(gè)，在中國(guó)采用2.4GH頻段，是免申請(qǐng)和免使用費(fèi)的頻率。

8）自組織功能和自愈功能強(qiáng)：無(wú)需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能感知其他節(jié)點(diǎn)的存在，并確定連接組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)有增加、刪除，位置發(fā)生變動(dòng)，或發(fā)生故障等，網(wǎng)絡(luò)均能自我修復(fù)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，保證整個(gè)系統(tǒng)仍能正常工作。

1.3 ZigBee設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有兩種類型的物理設(shè)備，即全功能設(shè)備（FFD）和精簡(jiǎn)功能設(shè)備（RFD）。全功能設(shè)備可與網(wǎng)絡(luò)中的任何設(shè)備通信，可存在于任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的集中組織者、協(xié)調(diào)者，可以實(shí)現(xiàn)全部功能。精簡(jiǎn)功能設(shè)備只能與主器件通信或通過(guò)一個(gè)全功能設(shè)備向外轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，只能實(shí)現(xiàn)部分功能。

根據(jù)ZigBee聯(lián)盟所設(shè)定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，按功能分其網(wǎng)絡(luò)設(shè)備劃分為協(xié)調(diào)器，路由器和終端設(shè)備。其中終端設(shè)備可以是全功能設(shè)備，也可以是精簡(jiǎn)功能設(shè)備，但協(xié)調(diào)器和路由器必須是全功能設(shè)備。協(xié)調(diào)器在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中是唯一的，配置該網(wǎng)絡(luò)成員的地址，負(fù)責(zé)該網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)；路由器是中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)選擇適當(dāng)?shù)闹凡⑥D(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；終端設(shè)備只是負(fù)責(zé)發(fā)送和接收信息。

1）星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和若干個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成，它具有易組網(wǎng)、低成本、低能耗等優(yōu)點(diǎn)。但是可靠性差，若中心節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，則所有與中心節(jié)點(diǎn)相連的其他節(jié)點(diǎn)的通信就會(huì)中斷，因此星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適合節(jié)點(diǎn)少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小范圍的網(wǎng)絡(luò)。

2）樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的傳感器節(jié)點(diǎn)串聯(lián)在一條或多條支路上，若中間節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，則部分節(jié)點(diǎn)就會(huì)失去連接，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)斷裂。

3）網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的伸縮性好，可同時(shí)通過(guò)多條路由來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，傳輸可靠性高，允許路由，若某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，網(wǎng)絡(luò)會(huì)重新計(jì)算路由的新路徑，不影響網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn)正常通信，具有自愈功能。

在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中無(wú)論是路由器或終端設(shè)備都是直接與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，協(xié)調(diào)器則負(fù)責(zé)運(yùn)作與維護(hù)著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)；在樹(shù)型和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)初始化和建立網(wǎng)絡(luò)的操作，路由器則對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展，終端設(shè)備的信息由路由器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，只不過(guò)在樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中終端間的信息交換只能通過(guò)一級(jí)級(jí)向上傳遞到協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器將信息分發(fā)下去。

1.4 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇

教學(xué)樓屬于小型局域網(wǎng)，一般情況下采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以達(dá)到低成本、易連接、易擴(kuò)充和管理的目的。教學(xué)樓內(nèi)部無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接距離（一般在100m以內(nèi)）較短，小于ZigBee技術(shù)的最大傳輸距離，可以滿足教學(xué)樓網(wǎng)絡(luò)控制的需要。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

教學(xué)樓智慧照明控制系統(tǒng)是由一系列ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和無(wú)線網(wǎng)關(guān)形成網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)即一個(gè)智慧燈光控制器（包括教室燈光控制器和公共照明控制器）。智慧燈光控制器通過(guò)ZigBee控制網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線網(wǎng)關(guān)相連接，無(wú)線網(wǎng)關(guān)通過(guò)IEEE802.11b/g接入以太網(wǎng)，通過(guò)遠(yuǎn)程WEB頁(yè)訪問(wèn)，對(duì)教室電燈或樓道電燈的燈光亮度進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和查詢。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.1 智慧燈光控制器的設(shè)計(jì)

在教室或樓道適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b智慧燈光控制器，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)教室電燈或樓道公共照明燈具進(jìn)行預(yù)設(shè)存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程控制等功能。智慧燈光控制器通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)終端通信。每個(gè)ZigBee單元都有唯一的64位MAC地址，網(wǎng)內(nèi)通信一般只使用16位的邏輯地址。各個(gè)單元都與無(wú)線網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，接收網(wǎng)關(guān)的命令，對(duì)教室電燈或樓道公共照明燈具進(jìn)行控制。

智慧燈光控制器主要由微控制器、按鍵、顯示、電源、調(diào)試接口和射頻模塊幾部分組成。其中射頻模塊采用的是CC2420，因?yàn)樗恍枰苌俚耐鈬骷?，性能穩(wěn)定，功耗低，對(duì)信號(hào)的選擇性和敏感性都超過(guò)了IEEE802.15.4的要求，通信可靠且有效。芯片天線采用單極天線，天線采用PCB布線平衡方式實(shí)現(xiàn)。

智慧燈光控制器只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，控制調(diào)光電路，管理終端設(shè)備，CC2420與PIC18LF4620的搭配芯片正是最佳的選擇。

2.2 無(wú)線網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

無(wú)線網(wǎng)關(guān)主要實(shí)現(xiàn)教學(xué)樓內(nèi)外部網(wǎng)絡(luò)的連接、協(xié)議轉(zhuǎn)換以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，設(shè)計(jì)主要考慮實(shí)現(xiàn)Internet接入及TCP/IP與ZigBee協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。

無(wú)線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)分硬件和軟件兩個(gè)方面。硬件設(shè)計(jì)方面，采用ARM芯片加上其他功能模塊，軟件設(shè)計(jì)方面，移植μClinux操作系統(tǒng)，并開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序。在網(wǎng)關(guān)上架設(shè)Web服務(wù)器與用戶進(jìn)行通信，并通過(guò)CGI接口調(diào)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端智慧控制器的指定操作。

無(wú)線網(wǎng)關(guān)的硬件做如下安排：微控制單元選用飛利浦PLC2210（ARM7）芯片；系統(tǒng)使用兩組電源，內(nèi)核及片內(nèi)外設(shè)是1.8V，I/O是3.3V；擴(kuò)展了4MB的RAM和16MB的FLASH；使用ARM的SPI1口，微處理器充當(dāng)SPI主器件，射頻收發(fā)器充當(dāng)從器件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；以太網(wǎng)接口電路是以RTL8255接口，由IEEE802.11b/g接入Internet，采取16位總線訪問(wèn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本校園照明系統(tǒng)基于ZigBee技術(shù)，對(duì)教學(xué)樓的燈光實(shí)現(xiàn)智慧管理。系統(tǒng)配備了時(shí)鐘，若出現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)記錄時(shí)間以及異常時(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)，為用戶查看和分析數(shù)據(jù)提供了方便；系統(tǒng)配備了液晶顯示設(shè)備，顯示屏使用字符型，使得顯示內(nèi)容豐富，界面友好，操作起來(lái)比較簡(jiǎn)單。教學(xué)樓照明控制系統(tǒng)的投入運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了節(jié)約能源、節(jié)省設(shè)備、適合現(xiàn)代化校園。

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