基于ZigBee Light Link的樓宇照明系統(tǒng)設(shè)計

譚志強，楊俊杰，樓志斌，魏春娟

（1.上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，上?！?00090；2.上海科學(xué)院，上?！?01203）

基于ZigBee Light Link的樓宇照明系統(tǒng)設(shè)計

譚志強1，楊俊杰1，樓志斌2，魏春娟1

（1.上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，上海200090；2.上?？茖W(xué)院，上海201203）

傳統(tǒng)的樓宇照明系統(tǒng)大部分采取有線網(wǎng)絡(luò)，存在安裝不易，靈活性低，能源消耗大等問題。針對該問題設(shè)計了一種基于ZigBee Light Link的樓宇照明系統(tǒng)。系統(tǒng)由智能燈、遙控器、無線網(wǎng)關(guān)、監(jiān)控中心、查詢控制器等五部分構(gòu)成。其中，智能燈與遙控器和無線網(wǎng)關(guān)的連接符合ZigBee Light Link標(biāo)準(zhǔn)，無線網(wǎng)關(guān)與監(jiān)控中心通過有線方式連接，監(jiān)控中心通過以太網(wǎng)或WiFi與查詢控制器連接。該系統(tǒng)能對整個樓宇的照明進行綜合統(tǒng)一管理，實現(xiàn)節(jié)約能源、安全穩(wěn)定、舒適便捷的樓宇照明系統(tǒng)。

智能照明；遙控器；無線網(wǎng)關(guān)；ZigBee Light Link

0　引　言

隨著計算機技術(shù)和通信技術(shù)的高速發(fā)展，智能建筑、智能小區(qū)、智能家居等應(yīng)運而生，樓宇自動化、家居自動化、控制自動化等各類自動化系統(tǒng)不斷出現(xiàn)，使得傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)受到了極大的沖擊，越來越不適應(yīng)時代的需要，也不滿足當(dāng)今社會低碳節(jié)能的要求［1］?，F(xiàn)代照明系統(tǒng)的發(fā)展方向不能僅局限于實現(xiàn)基本照明，還應(yīng)該能夠滿足不同消費者、不同環(huán)境、不同時間對照明的氛圍、亮度、色彩以及節(jié)能等方面的需求［2-4］。

現(xiàn)有的樓宇照明設(shè)計中，一般使用傳統(tǒng)的設(shè)計方法或在設(shè)計中簡單的串聯(lián)樓宇自控系統(tǒng)，其安裝操作復(fù)雜、線路布局繁瑣且不滿足低碳環(huán)保的要求。根據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)在建筑中照明對于能源的消耗已經(jīng)高達35%，而且逐年增加，因此節(jié)能照明受到各行各業(yè)的廣泛重視，推出的各種節(jié)能照明燈具也起到了一定的節(jié)能效果，但是由于管理不善、操作不當(dāng)?shù)仍蛟斐烧彰鳠艟吒鼡Q頻繁，使用戶處于一種節(jié)能不節(jié)錢的尷尬狀況［5-7］。本文設(shè)計的系統(tǒng)能對整個樓宇的照明進行綜合統(tǒng)一管理，采用國際標(biāo)準(zhǔn)ZLL協(xié)議，實現(xiàn)對燈具的開關(guān)、亮度及顏色的無線智能控制，也可以通過預(yù)設(shè)命令自動控制燈具。從而實現(xiàn)節(jié)約能源、安全可靠、健康穩(wěn)定、舒適便捷的樓宇照明系統(tǒng)，對樓宇節(jié)能照明和樓宇智能化的發(fā)展具有重要意義。

1　系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，與有線網(wǎng)絡(luò)相比具有無需布線、布局靈活、維護簡單等優(yōu)點。同時，由于ZigBee特有的低成本、低功耗、傳輸距離較遠、支持多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)、可以自由組網(wǎng)且不產(chǎn)生運營費用等技術(shù)優(yōu)勢，故選擇將其應(yīng)用于本樓宇照明控制系統(tǒng)［8-9］。系統(tǒng)由智能燈、遙控器、無線網(wǎng)關(guān)、監(jiān)控主機、查詢控制器等五部分組成。其中，智能燈采集節(jié)點數(shù)據(jù)并傳送給無線網(wǎng)關(guān)，通過自組通信網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)燈光的最優(yōu)控制，從而提供節(jié)能、舒適、智能、便捷的樓宇生活、工作環(huán)境。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)的智能燈與遙控器和無線網(wǎng)關(guān)均采用ZigBee Light Link（ZLL）標(biāo)準(zhǔn)，ZLL標(biāo)準(zhǔn)深化了ZigBee無線技術(shù)在智能照明領(lǐng)域的推廣和發(fā)展，為用戶提供了高效靈活易用的照明方案［10］。ZLL是一項基于ZigBee的全球無線標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對燈具和開關(guān)設(shè)備進行了專業(yè)的定義，對燈具種類和特性進行了擴展，定義了包括LED調(diào)光、LED彩色調(diào)節(jié)等特色功能。同時，ZLL標(biāo)準(zhǔn)定義了通過便捷的按鍵操作就能完成系統(tǒng)的組建和控制。ZLL協(xié)議棧的組成如圖2所示。

圖2　ZLL協(xié)議棧組成

采用該項標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的燈具、遙控器與開關(guān)能方便地接入網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)相互間的控制操作。只要是符合ZLL標(biāo)準(zhǔn)的燈具和開關(guān)，通過簡單的操作就能實現(xiàn)無線照明系統(tǒng)的組建和控制，有效地解決了單個照明產(chǎn)品與其他產(chǎn)品的兼容性問題［11］。傳統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)的安全機制依賴于協(xié)調(diào)器，而ZLL組建的網(wǎng)絡(luò)以分布式方式構(gòu)成和運作，不需要路由節(jié)點管理網(wǎng)絡(luò)和通信，只包括燈設(shè)備和開關(guān)設(shè)備兩大類，使系統(tǒng)易于安裝和維護，并且由于不存在單一故障點，因此系統(tǒng)十分安全可靠。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1智能燈的設(shè)計

智能燈作為ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點，符合ZLL標(biāo)準(zhǔn)，主要功能是照明，具有路由、開關(guān)控制、亮度控制、顏色控制及用電信息采集等功能，可通過ZigBee無線方式與遙控器、無線網(wǎng)關(guān)或其他智能燈進行信息交互。

智能燈的結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括直流電源單元、用電信息采集單元、傳感器單元、ZigBee模塊、恒流驅(qū)動等部分。傳感器單元由光強傳感器和人體紅外傳感器組成，可以采集環(huán)境光照強弱和是否有人等信息，并將采集到的信息傳遞給ZigBee模塊，無線網(wǎng)關(guān)根據(jù)這些信息發(fā)送相應(yīng)指令，通過控制電路對照明設(shè)備進行開關(guān)、亮度、顏色的操作，實現(xiàn)智能照明控制［12］。ZigBee模塊與其他ZigBee設(shè)備進行信息交互并負責(zé)輸出相應(yīng)四路PWM信號，恒流驅(qū)動單元根據(jù)PWM信號控制輸出恒定電流，驅(qū)動紅、綠、藍、白四色LED發(fā)光，合成不同顏色效果，根據(jù)PWM信號的大小控制燈具的開、關(guān)、亮度和顏色。

圖3　智能燈結(jié)構(gòu)圖

2.2遙控器的設(shè)計

遙控器作為ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點，符合ZLL標(biāo)準(zhǔn)，通過ZigBee無線方式控制智能燈的開關(guān)、亮度和顏色等。

遙控器的結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括干電池單元、ZigBee模塊、控制面板單元等三部分。ZigBee模塊與智能燈進行信息交互，并檢測控制面板按鍵情況，通過相應(yīng)按鍵，觸發(fā)調(diào)整燈具的開、關(guān)、亮度、顏色等控制信號。

圖4　遙控器結(jié)構(gòu)圖

2.3無線網(wǎng)關(guān)的設(shè)計

無線網(wǎng)關(guān)作為ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點，符合ZLL標(biāo)準(zhǔn)。無線網(wǎng)關(guān)是整個系統(tǒng)的核心，負責(zé)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)、接收網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點的數(shù)據(jù)以及向其他節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。

無線網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要包括電源單元、以太網(wǎng)接口、ARM芯片、ZigBee模塊等四部分。ARM控制芯片采用TCP/IP協(xié)議，通過以太網(wǎng)連接上位機，實現(xiàn)外部網(wǎng)絡(luò)連接與ZigBee模塊之間串口通信。同時，在ARM控制芯片中搭建嵌入式系統(tǒng)服務(wù)器，在上位機客戶端通過連接服務(wù)器IP地址訪問服務(wù)器，實現(xiàn)對照明系統(tǒng)的配置和控制。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點由Zig-Bee模塊和功能模塊通過模塊化組合搭建，可實現(xiàn)對智能燈的控制和光照信息的采集。

圖5　無線網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1終端節(jié)點程序設(shè)計

終端節(jié)點上電后，系統(tǒng)先進行初始化工作，然后搜索網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)信號。加入網(wǎng)絡(luò)成功后，終端節(jié)點上報自身的設(shè)備信息，等待網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器給自身分配網(wǎng)絡(luò)地址。終端節(jié)點加入成功后即進入監(jiān)控狀態(tài)，當(dāng)收到協(xié)調(diào)器或遙控器的控制信號時執(zhí)行相應(yīng)的命令，通過輸出不同的PWM值控制智能燈的開關(guān)、顏色、亮度。為了減少智能燈的電量消耗，并保證提供安全穩(wěn)定的照明，通過終端節(jié)點上的設(shè)備類型和配置信息分別讓智能燈以休眠，周期喚醒或持續(xù)工作的模式運行。終端節(jié)點的程序流程圖如圖6所示。

圖6　終端節(jié)點程序流程圖

3.2無線網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計

無線網(wǎng)關(guān)上電后，系統(tǒng)先進行初始化，協(xié)調(diào)器進行信道掃描、設(shè)置PANID、等待終端節(jié)點加入等一系列工作，完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立。

網(wǎng)絡(luò)建立完成后，進入無線監(jiān)控狀態(tài)，網(wǎng)關(guān)依次掃描是否有信號加入、是否有遙控指令、是否進入自動控制模式、是否有接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同的模式分別執(zhí)行相應(yīng)的程序。當(dāng)用戶通過上位機或移動客戶端登錄訪問網(wǎng)關(guān)服務(wù)器時，服務(wù)器獲得訪問信息并進行處理，將信息轉(zhuǎn)換成能夠在ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸并識別的數(shù)據(jù)幀，不同數(shù)據(jù)幀能匹配相應(yīng)的節(jié)點，這樣就可以把控制信息傳遞到節(jié)點，實現(xiàn)對相應(yīng)設(shè)備的控制［13］。當(dāng)網(wǎng)關(guān)從ZigBee網(wǎng)絡(luò)中接收到智能燈傳感器單元或遙控器發(fā)送來的數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)的命令控制燈光的開關(guān)、顏色、亮度等一些情景模式。網(wǎng)關(guān)程序流程圖如圖7所示。

圖7　網(wǎng)關(guān)程序流程圖

3.3人機交互程序設(shè)計

人機交互程序設(shè)計包括上位機和查詢控制器程序設(shè)計。上位機是基于VC++面向?qū)ο笈c可視化軟件開發(fā)平臺開發(fā)的相應(yīng)監(jiān)測控制軟件，其能夠?qū)λ兄悄軣暨M行綜合統(tǒng)一管理，對所有智能燈的運行狀態(tài)進行監(jiān)測、控制、存儲，記錄各智能燈的用電信息，接收查詢控制器的狀態(tài)查詢命令和控制命令，通過無線網(wǎng)關(guān)執(zhí)行控制命令等功能。上位機流程圖如圖8所示。

圖8　上位機流程圖

上位機控制界面如圖9所示，當(dāng)上位機軟件運行時，首先獲取服務(wù)器IP，建立網(wǎng)絡(luò)連接。然后，通過上位機與協(xié)調(diào)節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸、校驗以及上位機與手機、平板之間的數(shù)據(jù)傳輸就可以進行數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)對智能燈的控制。查詢控制器即手機、平板等移動設(shè)備，可以對智能燈進行狀態(tài)查詢與控制，包括智能燈的開關(guān)、亮度、顏色、設(shè)置情景模式等。

圖9　上位機控制界面圖

4　實驗測試

4.1實驗設(shè)計

選取某個實驗室布置一套簡單的演示系統(tǒng)進行現(xiàn)場測試。本測試系統(tǒng)包括5個智能燈、1個網(wǎng)關(guān)、1個遙控器、1臺上位機，對該系統(tǒng)所有功能進行測試和檢驗，所有節(jié)點組成一個ZLL標(biāo)準(zhǔn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其中，無線網(wǎng)關(guān)作為協(xié)調(diào)器，LED燈連接在終端設(shè)備上，無需路由節(jié)點。系統(tǒng)拓撲圖如圖10所示。

圖10　系統(tǒng)拓撲圖

本系統(tǒng)主要包括四方面的測試：通過人為模擬不同場景，測試系統(tǒng)工作是否正常；測試在室內(nèi)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的通信距離與節(jié)點布置高度和室內(nèi)有無障礙物之間的關(guān)系；測試當(dāng)有ZLL標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時能否成功組網(wǎng)；測試當(dāng)智能燈數(shù)量較多、地形較復(fù)雜時系統(tǒng)是否可靠。

4.2實驗結(jié)果

測試幾種常用功能：開關(guān)、顏色變化、亮度變化、閃爍、場景設(shè)置。通過上位機登錄系統(tǒng)，連接網(wǎng)關(guān)服務(wù)器成功后，可以對網(wǎng)絡(luò)中的照明燈單個分別進行控制，也可以把所有的照明燈作為一個整體同時進行控制；系統(tǒng)還可以設(shè)置成自動控制模式，由協(xié)調(diào)器根據(jù)光照傳感器和紅外傳感器采集的亮度信息和是否有人活動的信息，自動發(fā)送控制命令，完成對所有照明燈的控制。實驗測試如圖11所示。

圖11　實驗測試圖

選取一個無線網(wǎng)關(guān)和一盞智能燈來測試節(jié)點的通信距離。當(dāng)無線網(wǎng)關(guān)正常工作時，讓該智能燈加入網(wǎng)絡(luò)，通過上位機給智能燈發(fā)送控制命令，不斷改變智能燈與網(wǎng)關(guān)的距離，每移動一次記錄實驗結(jié)果，當(dāng)智能燈無法響應(yīng)上位機的命令時停止；然后將網(wǎng)關(guān)和智能燈分別放在一堵墻的兩側(cè)重復(fù)上述實驗。實驗的目的就是找出不同條件下節(jié)點之間的通信距離。實驗結(jié)果如圖12所示。

圖12　實驗結(jié)果圖

符合ZLL標(biāo)準(zhǔn)的燈具和遙控器均能成功加入網(wǎng)絡(luò)，完成組網(wǎng)和控制，遙控器各按鍵功能測試正常，響應(yīng)結(jié)果與預(yù)設(shè)完全一致。

由于實驗成本有限，智能燈數(shù)量無法足夠多，各種情形無法全部滿足。經(jīng)過測試，一個無線網(wǎng)關(guān)能控制20盞燈正常工作，當(dāng)超過20盞會有少數(shù)無法加入網(wǎng)絡(luò)，可以預(yù)見當(dāng)智能燈數(shù)量超過20盞需要增加網(wǎng)關(guān)數(shù)量才能保證系統(tǒng)正常工作；當(dāng)樓宇只放置一個無線網(wǎng)關(guān)，每樓層不同位置放置一定數(shù)量智能燈，與網(wǎng)關(guān)相距一層樓以上或者中間障礙物較多時，無法加入網(wǎng)絡(luò)，考慮到實際情況，當(dāng)網(wǎng)關(guān)和智能燈位于同一樓層且障礙物較少時可保證正常工作，系統(tǒng)可靠性較高。

4.3實驗分析

通過實驗可知，本系統(tǒng)能對樓宇照明進行統(tǒng)一管理，智能控制所有燈具的照明，操作友好、便捷。由圖12可以看出，節(jié)點的通信距離與節(jié)點放置的高度有關(guān)。節(jié)點之間的通信距離隨節(jié)點放置的高度增加而增加，但當(dāng)放置高度達到一定高度時，通信距離增加就不明顯了。當(dāng)節(jié)點之間有墻壁或其他障礙物阻擋時，最大通信距離比在無障礙物時的通信距離小很多，但也能保證正常通信，說明節(jié)點有一定穿透障礙物通信的能力。當(dāng)樓宇障礙物較少、布置燈具適量時，每層布置一兩個網(wǎng)關(guān)就能保證工作，系統(tǒng)可靠性高，能夠滿足無線照明系統(tǒng)在樓宇中的應(yīng)用要求。

5　結(jié)　語

與傳統(tǒng)照明控制相比，基于ZigBee Light Link的智能照明控制系統(tǒng)功能強、范圍廣、自動化程度高，實現(xiàn)照明的智能化管理，不僅能提高工作效率，節(jié)約能源，而且減少了維護費用，延長燈具使用壽命。本系統(tǒng)基于ZLL標(biāo)準(zhǔn)的樓宇智能照明系統(tǒng)目前主要應(yīng)用在家居、辦公、公共設(shè)施等領(lǐng)域，可以對樓宇照明進行統(tǒng)一管理，并可對所有燈具的用電信息進行監(jiān)測并存儲，還可以通過各種移動設(shè)備、遙控器等實現(xiàn)對燈具的開關(guān)、亮度及顏色的無線智能查詢和控制，具有節(jié)能、安全、可靠、舒適、便捷等優(yōu)點。該系統(tǒng)在提高樓宇智能化管理控制方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Design of building lighting system based on ZigBee Light Link

TAN Zhiqiang1，YANG Junjie1，LOU Zhibin2，WEI Chunjuan1
（1.School of Electronics and Information Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China；2.Shanghai Academy of Science and Technology，Shanghai 201203，China）

The traditional building lighting system mostly uses the wired network，and exists the problems of difficult installation，low flexibility，and large energy consumption.Aiming at these problems，a building lighting system based on ZigBee Light Link was designed.The system is composed of intelligent light，remote controller，wireless gateway，monitoring center and query controller.The connection of intelligent light with remote controller and wireless gateway meets the ZigBee Light Link Standard.The wireless gateway and monitoring center are connected with the wired mode，and the monitoring center is connected to the query controller through Ethernet or WiFi.The system can manage the whole building lighting comprehensively，and realize a building lighting system with energy saving，safety，stability，convenience and comfort.

intelligent lighting；remote controller；wireless gateway；ZigBee Light Link

TN081-34；TM923

A

1004-373X（2016）19-0001-05

10.16652/j.issn.1004-373x.2016.19.001

2015-10-31

國家自然科學(xué)基金（61202369）；上海市自然科學(xué)基金（14ZR1417400）；上海市科技創(chuàng)新行動計劃地方院校能力建設(shè)項目（13160500900）；上海市教育委員會科研創(chuàng)新項目（12ZZ176，13YZ102）

譚志強（1990—），男，湖北天門人，碩士。研究方向為電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測。