基于ZigBee技術(shù)的小區(qū)照明系統(tǒng)的設(shè)計

摘 要：傳統(tǒng)的小區(qū)照明系統(tǒng)存在能耗高、燈光照明效果不理想、管理復(fù)雜等問題，為此提出了基于ZigBee技術(shù)的小區(qū)照明系統(tǒng)。系統(tǒng)以ZigBee模塊為控制核心，連接光照傳感器、人體紅外傳感器、燈光照明設(shè)備等，通過光照傳感器采集小區(qū)環(huán)境的光照強(qiáng)度及是否有人等信息，自動控制燈光的開啟與關(guān)閉。系統(tǒng)分為自動模式和手動模式。在自動模式下，系統(tǒng)根據(jù)光照強(qiáng)度和是否有人進(jìn)行判斷，自動打開或關(guān)閉照明設(shè)備。在手動模式下，單擊物聯(lián)網(wǎng)云平臺可視化界面中的燈具開關(guān)按鈕，實(shí)現(xiàn)手動控制燈光的開啟和關(guān)閉。系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于小區(qū)中的多個場景中，如樓道、車庫、小區(qū)出入口、室外公共區(qū)域等，能有效降低能耗，提升照明效果，節(jié)約小區(qū)管理成本。

關(guān)鍵詞：ZigBee；光照傳感器；物聯(lián)網(wǎng)云平臺；嵌入式開發(fā)；照明系統(tǒng)；人體紅外傳感器

中圖分類號：TP273.05 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）02-0-04

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和節(jié)能環(huán)保理念的興起，利用物聯(lián)網(wǎng)智能化技術(shù)對小區(qū)硬件設(shè)施進(jìn)行改造越來越受到人們關(guān)注。小區(qū)硬件設(shè)施中的照明系統(tǒng)在業(yè)主生活中起著重要的作用。然而，傳統(tǒng)的小區(qū)照明系統(tǒng)存在能耗高、燈光照明效果不理想、管理復(fù)雜等問題，基于ZigBee技術(shù)的照明系統(tǒng)（以下簡稱為“照明系統(tǒng)”）通過無線通信和云平臺技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)燈光的智能控制，為小區(qū)照明問題帶來了新的解決方案。照明系統(tǒng)中ZigBee終端模塊連接的光照傳感器、人體紅外傳感器，可以根據(jù)環(huán)境的光照強(qiáng)度及是否有人，實(shí)現(xiàn)智能化的能源管理，這不僅改善了照明效果，還降低了能耗。照明系統(tǒng)采用自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有較好的拓展性，可以添加和移除路由節(jié)點(diǎn)來調(diào)整網(wǎng)絡(luò)范圍，適應(yīng)不同規(guī)模的小區(qū)場景。利用照明系統(tǒng)，小區(qū)管理員可以方便地對所有燈具進(jìn)行集中管理，實(shí)時監(jiān)測環(huán)境及照明狀態(tài)，大大提高了管理效率和便利性。

1 關(guān)鍵技術(shù)

ZigBee技術(shù)：ZigBee是一種低成本、低功耗、網(wǎng)絡(luò)容量較大的短距離無線通信技術(shù)，可在各類物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)場景中廣泛應(yīng)用。ZigBee基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，適用于周期性、間歇性和可重復(fù)的低時延數(shù)據(jù)傳輸，支持868 MHz、915 MHz和2.4 GHz的ISM頻段[1]。相比WiFi、藍(lán)牙等其他無線通信技術(shù)，ZigBee具備網(wǎng)絡(luò)配置簡單、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活、數(shù)據(jù)傳輸可靠等優(yōu)點(diǎn)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持3種類型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分別為星型、網(wǎng)狀、樹狀。一個星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最多可包含254個從設(shè)備、1個主設(shè)備。通過ZigBee技術(shù)，小區(qū)內(nèi)的燈具及傳感器設(shè)備可以建立自組織網(wǎng)絡(luò)，相互通信，從而實(shí)現(xiàn)集中控制和智能化管理。

傳感器技術(shù)：傳感器技術(shù)在照明系統(tǒng)中起著重要作用。通過光照傳感器，可以實(shí)時感知環(huán)境光照強(qiáng)度的變化；通過人體紅外傳感器，可以獲悉當(dāng)前環(huán)境是否有人，并將信息傳輸給控制器；燈具控制器根據(jù)傳感器反饋的數(shù)據(jù)，智能開啟或關(guān)閉燈光，以達(dá)到節(jié)能和舒適照明的目的。此外，還可以集成其他類型的傳感器，如聲控傳感器，用于感知環(huán)境聲音，實(shí)現(xiàn)多方位的照明控制。

云平臺技術(shù)：物聯(lián)網(wǎng)云平臺可以與設(shè)備通信，包括接收設(shè)備數(shù)據(jù)以及對設(shè)備下發(fā)命令[2]，是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)和管理的平臺。云平臺提供了一系列工具和服務(wù)，用于連接、收集、存儲、分析和管理物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)，在一定程度上縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期并降低了開發(fā)難度，同時提高了系統(tǒng)開發(fā)的實(shí)用性和可行性。目前常用的物聯(lián)網(wǎng)云平臺有阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺、微軟的Azure IoT平臺、小米IoT開發(fā)者平臺、華為物聯(lián)網(wǎng)平臺等。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

照明系統(tǒng)主要由感知層設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備和應(yīng)用層設(shè)備組成，照明系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

感知層設(shè)備由光照傳感器、人體紅外傳感器、執(zhí)行器（控制器）和燈具組成。在整個系統(tǒng)中，傳感器負(fù)責(zé)采集、發(fā)送環(huán)境數(shù)據(jù)，執(zhí)行器負(fù)責(zé)控制燈具的開啟或關(guān)閉。網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備包括ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee終端設(shè)備、路由器和交換機(jī)等，主要作用是連接感知層和上一層的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)層采用的傳輸方式也是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵[3]。本系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)等，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。應(yīng)用層部分包括物聯(lián)網(wǎng)云平臺、應(yīng)用程序等，能對上報的環(huán)境數(shù)據(jù)（光照強(qiáng)度、人體紅外狀態(tài)）進(jìn)行判斷，決定是否開啟或關(guān)閉燈光。

3 系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

3.1 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

照明系統(tǒng)中用到的ZigBee模塊采用的是以CC2530為主控芯片的開發(fā)板。CC2530為建立無線網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)處理的核心芯片，處理內(nèi)存為256 KB，兼容ZigBee 2007/Pro協(xié)議，該模塊具備組網(wǎng)容易、功耗較低、網(wǎng)絡(luò)信號較強(qiáng)、抗干擾性較好的特點(diǎn)[4]。根據(jù)小區(qū)照明使用場景及后續(xù)拓展的需要，在設(shè)計ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中，均采用全功能型設(shè)備。全功能型設(shè)備相比精簡設(shè)備，除了具備精簡設(shè)備的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能，還擁有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力、更大的數(shù)據(jù)存儲空間，而且可以作為協(xié)調(diào)器、路由器來使用。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，照明系統(tǒng)選擇樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。樹狀網(wǎng)絡(luò)由一個頂端協(xié)調(diào)器和若干終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)組成。整個網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立，協(xié)調(diào)器的子節(jié)點(diǎn)可以是路由節(jié)點(diǎn)或終端節(jié)點(diǎn)[5]。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)允許終端節(jié)點(diǎn)以多跳的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，適用于小區(qū)中范圍較大、節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限的場景，如樓道、地庫等。樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 設(shè)備組網(wǎng)及連接云平臺

可以利用ZigBee協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)設(shè)備組網(wǎng)，通過調(diào)用ZigBee協(xié)議棧中的相關(guān)組網(wǎng)函數(shù)，并配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)來建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備、協(xié)調(diào)器、路由器之間數(shù)據(jù)的通信。在IAR Embedded Workbench開發(fā)環(huán)境下，使用協(xié)議棧進(jìn)行ZigBee組網(wǎng)的具體步驟如下：

（1）配置協(xié)調(diào)器設(shè)備，包括網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、選擇信道、設(shè)置安全密鑰等。通過調(diào)用協(xié)議棧提供的初始化函數(shù)來完成這些操作。

（2）啟動ZigBee協(xié)議棧完成對各類事件及任務(wù)的處理。

（3）加入終端設(shè)備并分配網(wǎng)絡(luò)地址。協(xié)調(diào)器接收處理終端設(shè)備發(fā)送的加入請求，并為每個終端設(shè)備分配唯一的網(wǎng)絡(luò)地址。

（4）路由配置。協(xié)調(diào)器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、信號強(qiáng)度等選擇最佳的路由路徑，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸。

（5）數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。網(wǎng)絡(luò)建立完成后，數(shù)據(jù)可以直接從終端設(shè)備發(fā)送到協(xié)調(diào)器，也可以通過路由進(jìn)行中繼傳輸。

在配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)時要注意的是，PANID指網(wǎng)絡(luò)編號，用來區(qū)分不同的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，在配置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符（PANID）時，如果定義為0xFFFF，則隨機(jī)產(chǎn)生PANID[6]，本例中PANID設(shè)置為0xAAAA。以IAR Embedded Workbench為開發(fā)環(huán)境，使用ZigBee協(xié)議棧組網(wǎng)的部分關(guān)鍵代碼如下：

ZDOInit（）;//初始化ZigBee協(xié)議棧

zgConfigPANID（0xAAAA）;//設(shè)置PANID

zgDefaultChannelList=CHANNEL_LIST_11_26;//設(shè)置信道

zgDefaultChannelListLen=sizeof（CHANNEL_LIST_11_26）;

zgDefaultStartingScan = MAC_SCAN_ACTIVE;//設(shè)置主動掃描

zgDefaultPermitJoinDuration=0xff;

zgSecurityMode=ZG_SECURITY_PRECONFIGURED;

//設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

osal_memcpy（NIB_nwkNetworkKey， networkKey，SEC_KEY_LEN）;

ZDApp_Init（）;

NLME_SetCoordinator（TRUE）;

afRegister（callbacks）;//注冊回調(diào)函數(shù)

osal_start_system（）;//啟動ZigBee協(xié)議棧

switch（pMsg-gt;event）

{case APP_SEND_DATA_EVT：sendData（childAddr）;break;

//發(fā)送數(shù)據(jù)

case AF_DATA_CONFIRM_EVT：break;//數(shù)據(jù)發(fā)送確認(rèn)處理

case AF_INCOMING_MSG_EVT：break;//接收到的數(shù)據(jù)處理

}

osal_msg_deallocate（pMsg）;

設(shè)備組網(wǎng)完成后，連接物聯(lián)網(wǎng)云平臺。連接云平臺的目的是將數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺，利用云平臺的策略功能實(shí)現(xiàn)燈具的自動控制。在照明系統(tǒng)中，使用的云平臺及網(wǎng)關(guān)設(shè)備均由新大陸科技有限公司提供。該平臺支持用戶及管理人員通過手機(jī)、平板、計算機(jī)等信息終端，實(shí)時掌握傳感設(shè)備數(shù)據(jù)，并可以手動/自動調(diào)整控制設(shè)備，使管理變得輕松簡單[7]。連接云平臺的具體步驟如下：

（1）將ZigBee協(xié)調(diào)器與網(wǎng)關(guān)設(shè)備連接，在網(wǎng)關(guān)中創(chuàng)建ZigBee連接器、傳感器和執(zhí)行器。

（2）設(shè)置網(wǎng)關(guān)連接方式，運(yùn)用CloudClient方式連接。

（3）設(shè)置TCP連接參數(shù)，包括云平臺域名、端口、設(shè)備標(biāo)識、密鑰，如圖3所示。

（4）登錄新大陸物聯(lián)網(wǎng)云平臺，在開發(fā)設(shè)置中生成API密鑰。

（5）在開發(fā)者中心創(chuàng)建項目，在項目中添加設(shè)備。添加設(shè)備時選擇TCP通信協(xié)議并綁定設(shè)備（網(wǎng)關(guān)）標(biāo)識。云平臺連接成功后，可以看到設(shè)備處于在線狀態(tài)，此時通過下發(fā)設(shè)備即可查看實(shí)時數(shù)據(jù)。本例中用光照傳感器、人體紅外傳感器以及兩組燈具進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。云平臺實(shí)時數(shù)據(jù)顯示界面如圖4所示。

3.3 燈具控制策略設(shè)計

在云平臺中，基于邏輯控制和策略管理功能，照明系統(tǒng)中的燈具可根據(jù)光照強(qiáng)度、人體紅外狀態(tài)等信息實(shí)現(xiàn)自動開啟或關(guān)閉。具體設(shè)計思路：根據(jù)實(shí)時獲取的光照強(qiáng)度及人體紅外狀態(tài)進(jìn)行判斷。參考《城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，當(dāng)光照強(qiáng)度E=20 lx時，為小區(qū)道路的最低光照強(qiáng)度[8]，因此設(shè)置E≤20 lx，開啟燈光；當(dāng)20 lxlt;E≤100 lx，且照明系統(tǒng)判斷有人時，開啟燈光；其余情況則關(guān)閉燈光。該策略的設(shè)計既能保證在最低光照環(huán)境下自動開燈，又能在昏暗環(huán)境下根據(jù)是否有人來決定開燈或關(guān)燈，同時能在光照充足的環(huán)境下自動關(guān)燈。燈光自動控制設(shè)計流程如圖5所示。

在云平臺策略管理中添加4條策略，分別為：

（1）E≤20 lx，開啟燈光；

（2）20 lxlt;E≤100 lx，且照明系統(tǒng)判斷有人時，開啟燈光；

（3）20 lxlt;E≤100 lx，且照明系統(tǒng)判斷無人時，關(guān)閉燈光；

（4）Egt;100 lx，關(guān)閉燈光。

將策略設(shè)置為啟用狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)燈具的智能化管理。策略設(shè)置界面如圖6所示。

此外，在小區(qū)一些人流密集的照明場景中，如室外過道、室外健身區(qū)，也可以脫離云平臺對ZigBee模塊進(jìn)行單獨(dú)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)光照和燈具之間的聯(lián)動。這種方式不僅能夠節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源，而且可以更靈活地在小區(qū)內(nèi)進(jìn)行布局。使用BasicRF通信協(xié)議，根據(jù)光照強(qiáng)度控制兩盞燈的開啟或關(guān)閉。其中，BasicRF由TI公司提供，它具備IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)包的收發(fā)功能，還提供安全通信所使用的CCM-64身份驗(yàn)證和數(shù)據(jù)加密服務(wù)，可為雙向無線通信提供安全、穩(wěn)定的協(xié)議[9]。部分關(guān)鍵代碼如下：

//光照判斷及發(fā)送指令

float light=（400/12.0）*（get_adc（）/2.0）;

if（lightlt;=20）

{flag=1;

basicRfSendPacket（0x03，amp; flag，1）;

basicRfSendPacket（0x04，amp; flag，1）;}

elseif（lightgt;20amp;amp;lightlt;=100）

{flag=2;

basicRfSendPacket（0x03，amp;flag，1）;

basicRfSendPacket（0x04，amp;flag，1）;}

else

{flag=3;

basicRfSendPacket（0x03，amp;flag，1）;

basicRfSendPacket（0x04，amp;flag，1）;}

//燈具接收指令并執(zhí)行

if（basicRfPacketIsReady（））

{basicRfReceive（amp;flag，1，NULL）;

if（flag==1）

{P2_0=1;}

else if

{flag==2}

{……}

else

{……}}

在新大陸物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)設(shè)備中，光照和燈具聯(lián)動測試如圖7所示。圖7（a）中，E≤20 lx，兩盞燈亮；圖7（b）中，20 lxlt;E≤100 lx，一盞燈亮；圖7（c）中，Egt;100 lx，兩盞燈滅。

4 結(jié) 語

基于ZigBee技術(shù)的小區(qū)照明系統(tǒng)通過新大陸物聯(lián)網(wǎng)云平臺，可以實(shí)現(xiàn)燈光的自動控制及手動控制，從而實(shí)現(xiàn)小區(qū)內(nèi)燈光的控制和智能化管理。此外，通過在照明系統(tǒng)中增加路由節(jié)點(diǎn)，可以擴(kuò)展系統(tǒng)的照明覆蓋范圍；通過ZigBee模塊的獨(dú)立開發(fā)、功能聯(lián)動，又能夠靈活地進(jìn)行布局，具備良好的可擴(kuò)展性和靈活性。同時，本設(shè)計能夠充分合理使用當(dāng)?shù)氐娜肆Y源以及能源，提升當(dāng)?shù)匦^(qū)的智能化水平[10]。

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作者簡介：孫振華（1984—），男，江蘇丹陽人，碩士，講師，主要從事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、軟件設(shè)計、影視后期制作的研究。

收稿日期：2024-01-19 修回日期：2024-02-28