淺析ZigBee無線通信技術(shù)在智能照明系統(tǒng)中的應(yīng)用

丁國保

摘要：文章首先就ZigBee無線通信技術(shù)的主要應(yīng)用優(yōu)勢進(jìn)行了分析，進(jìn)而結(jié)合安哥拉贊谷市政照明工程實(shí)例，針對智能照明系統(tǒng)中ZigBee無線通信技術(shù)的應(yīng)用以及硬件、軟件設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)進(jìn)行了綜合分析與探討，希望能夠?yàn)楹罄m(xù)同類工程的開展提供一定的參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：無線通信 ZigBee技術(shù) 智能照明系統(tǒng) 應(yīng)用

當(dāng)前的智能照明控制系統(tǒng)多基于有線模式，雖可達(dá)到控制效果，但施工布線比較復(fù)雜，系統(tǒng)擴(kuò)展性較差，投入使用后即較為固定，難以移動。因此，為了提高智能照明系統(tǒng)的可移動性、可拓展性，就需要將智能控制建立在無線通信基礎(chǔ)上，發(fā)揮ZigBee等技術(shù)的無線通訊優(yōu)勢，從而與智能照明系統(tǒng)的發(fā)展趨勢良好配合。

1 ZigBee技術(shù)無線通信技術(shù)優(yōu)勢分析

ZigBee技術(shù)是一種基于雙向的無線通訊技術(shù)。此種技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢體現(xiàn)在：傳輸功耗低、傳輸成本低、傳輸設(shè)備簡便等。同時(shí)，在ZigBee技術(shù)支持下所對應(yīng)的移動設(shè)備相對更加的固定與便攜。從數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕嵌壬蟻碚f，可將ZigBee技術(shù)作用于間隔距離較短、運(yùn)行功耗較低的電子設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域，或者是數(shù)據(jù)周期性、間歇性傳輸作業(yè)。當(dāng)前技術(shù)條件支持下，ZigBee技術(shù)所對應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸模塊與常規(guī)意義上的移動網(wǎng)絡(luò)基站有一定的相似性，但其通訊距離范圍擴(kuò)展至75米乃至百米以上單位。

在將無線通信技術(shù)融入智能照明系統(tǒng)領(lǐng)域的過程當(dāng)中，主要采用的無線通信技術(shù)包括以下幾種類型：其一為基于WiFi的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)；其二為基于藍(lán)牙的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)；其三為基于ZigBee的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。從協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的角度上來說，WiFi傳輸以802.11a.b.g為標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，藍(lán)牙技術(shù)以802.15.1為標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，而ZigBee技術(shù)則以802.15.4為標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議；從占用系統(tǒng)資源的角度上來說，WiFi技術(shù)系統(tǒng)資源可達(dá)到1.0 M以上，藍(lán)牙技術(shù)系統(tǒng)資源可達(dá)到250.0 Kb以上，而ZigBee技術(shù)系統(tǒng)資源可達(dá)到50.0～60.0 B左右；從支撐網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的角度上來說，WiFi技術(shù)對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)為32個(gè)，藍(lán)牙技術(shù)所對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)為7個(gè)，而ZigBee技術(shù)對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)則為65536個(gè)；從最大通信距離的角度上來說，WiFi技術(shù)支持最大通訊直線距離為100.0m，藍(lán)牙技術(shù)所支持最大通訊直線距離為10.0m，ZigBee技術(shù)所支持最大通訊直線距離為100.0m以上。

綜合以上分析可知：以上三種無線通信技術(shù)均具有其獨(dú)特的優(yōu)勢，適用于不同的工作環(huán)境及領(lǐng)域。而在智能照明系統(tǒng)領(lǐng)域中，考慮到整個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，而在光源控制的過程當(dāng)中對網(wǎng)絡(luò)容量要求較大，且需要最大限度的節(jié)約功耗，建議在智能照明控制系統(tǒng)中基于ZigBee技術(shù)完成組網(wǎng)設(shè)計(jì)。

2 工程概況

安哥拉贊谷8000套市政電力及基礎(chǔ)道路照明工程項(xiàng)目由中信建設(shè)EPC總包。本項(xiàng)目位于首都羅安達(dá)省ZANGO地區(qū)，項(xiàng)目占地面積416公頃。工程內(nèi)容包括8000套公寓、5所幼兒園、4所小學(xué)和3所中學(xué)及配套的市政基礎(chǔ)工程，總居住戶數(shù)8000戶，總居住人數(shù)約48000人。

道路采用桿式照明，大市政道路照明采用的路燈類型有：16米三頭路燈、16米雙頭路燈、12米單頭路燈、9.5米單頭路燈、8米雙頭路燈和8米單頭路燈等。小市政道路照明采用4.5米單頭庭院燈及3.5米單頭庭院燈。大小市政路燈總量4480余套，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)智能照明調(diào)控裝置，優(yōu)化電力質(zhì)量，進(jìn)行多時(shí)段節(jié)能電壓設(shè)置并能實(shí)時(shí)穩(wěn)壓、控壓，從而起到節(jié)電的效果，且不產(chǎn)生高次諧波，對電網(wǎng)無污染。結(jié)合本道路照明系統(tǒng)實(shí)際需求，引入ZigBee技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，現(xiàn)就硬軟件應(yīng)用要點(diǎn)展開探討。

3 智能照明系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分析

在對系統(tǒng)芯片進(jìn)行選擇的過程當(dāng)中，基于對ZigBee技術(shù)的維護(hù)需求，要求芯片滿足以下幾個(gè)方面的性能要求：其一，成本低廉；其二，能耗水平低；其三，集成水平高；其四，電壓水平低。綜合以上要求，選取CC2430芯片作為優(yōu)選方案。在當(dāng)前的技術(shù)條件支持下，本芯片建立在CMOS工藝基礎(chǔ)之上形成，元器件需求較少，運(yùn)行功耗低。且，芯片內(nèi)部設(shè)置有基于數(shù)字直接序列的擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)模塊，該模塊在正常運(yùn)行狀態(tài)下可實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)頻增益水平為9.0dB，同時(shí)設(shè)置基于ZigBee技術(shù)的協(xié)議棧。

整個(gè)ZigBee技術(shù)支持下智能照明系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)置為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模式。整個(gè)智能照明系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由協(xié)調(diào)器設(shè)備、以及終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備兩個(gè)模塊構(gòu)成。其中，對于協(xié)調(diào)器設(shè)備而言，其具有基于802.15.4 ZigBee技術(shù)所對應(yīng)的全部協(xié)議棧內(nèi)容，因而可以作為全功能設(shè)備應(yīng)用。結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，一般來說一個(gè)完整的ZigBee協(xié)議棧所占用空間為32.0KB，而在以上器件的配合運(yùn)行下，儲存空間可降低至4.0KB，達(dá)到節(jié)約成本的目的。

其一，從協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計(jì)的角度上來說，考慮到協(xié)調(diào)器需要負(fù)責(zé)完成包括網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、數(shù)據(jù)傳輸、指令傳輸、系統(tǒng)管理、以及運(yùn)行監(jiān)測在內(nèi)的多個(gè)方面的工作任務(wù)，因而功耗相對較高，為了確保其運(yùn)行的持續(xù)性與穩(wěn)定性，要求在硬件設(shè)計(jì)期間，通過外接電源的方式，確保供電可靠。同時(shí)，建立在USB接口之上實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的可靠聯(lián)通。具體而言，協(xié)調(diào)器的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如下圖所示（見圖1）。

■■

其二，從終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)的角度上來說，通過安置光照傳感器的方式，可及時(shí)檢測環(huán)境中的光照強(qiáng)弱。硬件系統(tǒng)要求：在熱釋電傳感器檢測所覆蓋區(qū)域內(nèi)無人的情況下，可執(zhí)行關(guān)閉照明燈具。同時(shí)，若感知光線亮度過大，可通過光傳感器度亮度進(jìn)行調(diào)整。建立在ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持下，要求面向各個(gè)燈節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息傳輸控制。具體而言，終端節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如下圖所示（見圖2）。

4 智能照明系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析

首先，從協(xié)調(diào)器裝置的角度上來說，在基于ZigBee技術(shù)所構(gòu)建的智能照明系統(tǒng)當(dāng)中，協(xié)調(diào)器所具備的兩大關(guān)鍵功能為：①構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)支持運(yùn)行；②網(wǎng)絡(luò)管理。在構(gòu)建基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并按照智能照明系統(tǒng)實(shí)際需求，對網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行分配，對綁定列表進(jìn)行維護(hù)的過程當(dāng)中，要求協(xié)調(diào)器裝置通過掃描空閑信道的方式創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)，并基于獨(dú)立掃描程序，保障連接設(shè)備能夠自動加入新創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)。按照此種方式，整個(gè)協(xié)調(diào)器裝置所對應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如下圖所示（見圖3）。

其次，從終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)的角度上來說，其在智能照明系統(tǒng)當(dāng)中的主要工作任務(wù)為：接受由協(xié)調(diào)器裝置所發(fā)出的數(shù)據(jù)信息及操作指令，并根據(jù)對數(shù)據(jù)信息的處理結(jié)果，要求系統(tǒng)內(nèi)燈具裝置執(zhí)行開關(guān)操作。在此基礎(chǔ)之上，操作結(jié)果可反饋至協(xié)調(diào)器裝置終端節(jié)點(diǎn)上。終端節(jié)點(diǎn)獲取所反饋結(jié)果后，使用信道對近鄰的協(xié)調(diào)器進(jìn)行掃描搜尋，申請加入網(wǎng)絡(luò)中，合并對系統(tǒng)進(jìn)行控制。按照此種方式，整個(gè)終端節(jié)點(diǎn)裝置所對應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如下圖所示（見圖4）。

5 結(jié)束語

在將ZigBee無線通信技術(shù)應(yīng)用到智能照明系統(tǒng)運(yùn)行的過程當(dāng)中，極大程度的節(jié)約了耗電量，且支持多時(shí)段的定時(shí)性控制，也可基于PC電腦單機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，成本低廉，體現(xiàn)了照明系統(tǒng)的智能化要求，值得在后續(xù)的實(shí)踐工作中加以應(yīng)用與推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳昌鵬，繆希仁.基于DALI協(xié)議的智能照明系統(tǒng)研究與開發(fā)[J].低壓電器，2009（14）：18-22.

[2]郭鐵橋，陳勇.基于CAN/LIN總線的智能照明系統(tǒng)[J].自動化儀表，2011，32（2）：46-48.

[3]張新順，金基宇，國偉等.道路智能照明系統(tǒng)中的傳感器布置優(yōu)化方案[C].//2011綠色照明與科學(xué)發(fā)展科技研討會暨第四屆中日韓照明大會論文集[A].2011：119-205.