小區路燈照明系統是樓宇智慧的一部分，但受制於佈線、成本等的問題，難以得以實施。隨著計算機技術的迅猛發展，無線網路技術越來越成熟，ZigBee無線網路成本低、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無線網路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。
方法/步驟
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。現代小區智慧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組與通訊功能，導致了成本的增加，使得遠端統一控制得不到廣泛的應用。ZigBee是一種基於2.4G頻段的無線網路技術，它具有低功耗、傳輸距離遠、網路性強、成本低等的特點，非常適合於資料量不大、節點數多的網路控制，被廣泛應用於物聯網領域。本文設計一種基於無線感測器技術的小區照明控制系統，在無需進行網路佈線的前提下，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慧化得以實現。
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，小區路燈照明屬於小區自主控制，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閒、放鬆、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。由此可見，小區照明系統並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。
隨著資訊行業和計算機產業的高速發展，智慧樓宇技術迅速發展，樓宇自動化、通訊自動化、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慧樓宇系統的通訊介質大部分採用匯流排型與電力線載波，匯流排型需要鋪設網路通訊線路，分佈廣泛、佈線複雜，成本很高，若採用電力載波方式接入，雖然不用另外鋪設網路線路，但需要昂貴的調製解調裝置，成本也難以降低。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慧樓宇控制系統中是解決矛盾的關鍵。
3.ZigBee
ZigBee是基於IEEE802.15.4標準的低功耗區域網協議。它來源於蜜蜂的八字舞，由於蜜蜂（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資訊。ZigBee網路協議與其他無線網路協議相比，如表1所示，有著顯著的特點。藍芽與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，特別適合於資料量低的感測器與控制場合。
3.1.ZigBee技術概述
ZigBee與IEEE 802.15.4是基於標準的協議，它們為無線感測器網路應用提供所需的網路基礎設施。802.15.4定義了物理層（PHY）和媒體訪問層（MAC），ZigBee定義了網路層（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路解決方案。
3.2.ZigBee裝置型別
ZigBee網路包含2種功能型別裝置，3種節點型別。功能型別有：全功能裝置FFD（Full Function Device）和精簡功能裝置RFD（Reduced Function Device）。顧名思義，全功能裝置具有完整的協議功能，而精簡功能裝置目的是為了實現簡單的協議即可。3種節點型別：協調器（ZC）、路由器（ZR）與終端裝置（ZE）。全功能裝置可以作為協調器、路由或者終端裝置，精簡裝置只能作為終端裝置使用。全功能裝置可以與任何裝置通訊，而精簡功能裝置只能與全功能裝置通訊，不能與精簡功能裝置互通。它們共同構成ZigBee網路，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路，儲存關於網路的資訊。它也是網路的第一個裝置。協調器選擇一個通道和一個網路ID（也稱之為PAN ID，即Personal Area Network ID），隨後啟動整個網路。如果網路需要加密，密匙可存放在協調器，協調器的角色主要涉及網路的啟動和配置，一旦這些都完成後，協調器的工作就像一個路由器。
路由器的作用是擴充套件網路覆蓋面，在障礙周圍動態路由，並提供備份路由以防止網路擁擠和裝置失敗，它們可以聯絡到協調器與其他路由。
終端裝置的作用是傳送或接受一個資訊，但是不能執行任何路由操作，它們必須連線到協調器或路由器，終端裝置是網路的最終端，因此不支援子裝置。
3.3.ZigBee網路
ZigBee有3種拓撲結構及2種工作模式。3種網路包括有：星形網路（Star network）、樹狀網路（Cluster tree network）和網狀網路（Mesh network），拓撲如圖3所示。
星形網路由一個協調器與多個終端裝置組成，協調器位於網路中心，負責發起建立和維護整個網路。
圖2.ZigBee網路的三種裝置型別
圖3.ZigBee的三種網路拓撲
星形網路的控制與同步比較簡單。
樹狀網路由一個協調器與一個或者多個星形網路構成。很明顯，樹狀網路的拓撲空間很大，但是空間的增大使得訊號的傳輸延時會增加。
網狀網路由若干個FFD構成骨幹網，它們之間是對等關係，每個節點都可以與其他節點對等通訊。網路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。實際上網狀網路是基於樹狀網路的基礎，由路由器的路由表配合實現網路路由。網狀網路的特點是具有自恢復能力，資料路徑有多條選擇，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，但是樹狀網路需要更多的儲存空間。
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，在超幀的開始傳送信標幀，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，結束後等待下一個超幀週期的開始又傳送信標幀。非信標模式則比較靈活，節點均以競爭方式接入通道，不需要週期性的傳送信標幀。顯然，信標方式同步效能好，但這種同步網路的規模不能很大。
4.基於ZigBee技術的小區照明系統
4.1.硬體設計
ZigBee傳輸距離遠、功耗低、成本低等的特點，非常適合於小區路燈照明系統。硬體上參考TI公司開發的ZigBee專用CM210微控制器的母版設計，終端裝置使用BH1750FVI數字光照感測器進行光照強度的資料採集，設計CM210還有繼電器輸出，用於驅動路燈的開關，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CM210序列口上接入RS232轉換晶片與伺服器連線。
4.2.軟體設計
使用IAR開發平臺與TI公司的Z-stack協議棧，該協議棧由TI公司提供給使用者的一個開放的ZigBee網路開發包，是ZigBee的一種具體實現，Z-Stack包含了網狀網路拓撲的幾近於全功能的協議棧，使用者可以直接使用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，使用者只需根據自己的網路與程式對應用層進行修改，使得使用者的開發週期大大縮短，而且網路系統的可靠性得到了很好的保護。
圖4.終端裝置電路圖
根據小區路燈照明系統的特點，系統採用網狀網路結構，路由根據路燈的分佈情況帶若干個終端裝置，終端裝置進行資料採集以及控制，路由設定在Z-stack裡修改f8wConfig.cfg檔案進行設定，路由表大小設定MAX_RTG_ENTRIES，按節點數10：1進行設定，通訊方式採用非信標模式。另外，由於路燈系統本身有供電電源，因此ZigBee模組使用路燈的電源進行整流變壓供電，採用鋰電池作備用電源，當路燈電源線路出現故障斷電，ZigBee模組可以使用鋰電池繼續進行工作，通過ZigBee網路並將斷電故障資訊上報至伺服器。
4.3.實驗
將ZigBee模組按距離30米路燈的間隔進行分佈，如圖6所示模擬路燈分佈，佈置20個終端裝置對路燈進行光照強度的採集、供電訊號的採集，並帶有繼電器控制輸出。按分佈使用了6個路由裝置，協調器使用RS232轉換晶片與PC序列口進行通訊，伺服器端使用VB編寫終端監控軟體顯示各個終端裝置採集的資訊，傳送繼電器閉合與斷開指令訊號。在斷電的情況下，備用電池可以繼續維持微控制器的供電，並將斷電資訊傳送回PC終端。
圖5.Z-stack協議棧框架
根據小區路燈照明系統的特點，系統採用網狀網路結構，路由根據路燈的分佈情況帶若干個終端裝置，終端裝置進行資料採集以及控制，路由設定在Z-stack裡修改f8wConfig.cfg檔案進行設定，路由表大小設定MAX_RTG_ENTRIES，按節點數10：1進行設定，通訊方式採用非信標模式。另外，由於路燈系統本身有供電電源，因此ZigBee模組使用路燈的電源進行整流變壓供電，採用鋰電池作備用電源，當路燈電源線路出現故障斷電，ZigBee模組可以使用鋰電池繼續進行工作，通過ZigBee網路並將斷電故障資訊上報至伺服器。
4.3.實驗
將ZigBee模組按距離30米路燈的間隔進行分佈，如圖6所示模擬路燈分佈，佈置20個終端裝置對路燈進行光照強度的採集、供電訊號的採集，並帶有繼電器控制輸出。按分佈使用了6個路由裝置，協調器使用RS232轉換晶片與PC序列口進行通訊，伺服器端使用VB編寫終端監控軟體顯示各個終端裝置採集的資訊，傳送繼電器閉合與斷開指令訊號。在斷電的情況下，備用電池可以繼續維持微控制器的供電，並將斷電資訊傳送回PC終端。
實驗顯示，20個終端裝置的採集資訊可以完整的顯示，繼電器閉合與斷開的指令也能從伺服器端傳送到終端裝置，在路由測試上，分別對4個路由進行故障性測試，實驗資料如表2所示。由表2資料可知，在傳輸速率不高的情況下路由特性表現良好。
由實驗資料可知，使用ZigBee網路進行小區路燈監控是可行的，在協調器端對資料進行打包可以與PC、PLC等控制器進行通訊，因此可以接入到智慧樓宇控制系統中進行統一監控。
5.總結
文設計了一種基於ZigBee無線網路技術的小區路燈控制系統，實驗證明ZigBee無線網路技術在遠端監測路燈下的光照強度、斷路故障等資訊是可行的，具有一定的實用性，在協調器端與智慧樓宇系統的連線上可以進行靈活的程式設計，以滿足監控系統的需求，因此，ZigBee無線網路技術可以擴充套件到其他裝置的監控上，大大減少了佈線的成本，無論是作為無線感測器網路應用還是智慧樓宇控制應用的推廣，具有一定意義。