摘 要：小区路灯照明体系是楼宇智能的一部分，但受制于布线、本钱等的问题，难以得以施行。跟着计算机技能的迅猛开展，无线网络技能越来越老练，ZigBee无线网络本钱低、功耗低、传输距离远等的特色，十分适合在无线路灯操控的运用。本文在介绍了小区路灯照明体系的特色，结合ZigBee组网技能，规划了一套ZigBee无线网络技能的小区路灯照明体系的运用，经过试验证明了该技能在小区路灯监控的可行性，具有必定的实用价值。
1. 导言
小区路灯照明体系是相对关闭的电力体系，它与大街、公路照明体系不同，由小区内部的电力体系操控。现代小区智能楼宇操控应当包含有小区路灯照明体系，使得小区照明更节能环保、更人性化、个性化，照明体系由小区的电气操控中心一致调控。为了完成照明体系的一致操控，需求在照明路灯上加装操控模块与通讯功用，导致了本钱的添加，使得长途一致操控得不到广泛的运用。ZigBee是一种依据2.4 G频段的无线网络技能，它具有低功耗、传输距离远、网络性强、本钱低一级的特色，十分适合于数据量不大、节点数多的网络操控，被广泛运用于物联网范畴。本文规划一种依据无线传感器技能的小区照明操控体系，在无需进行网络布线的前提下，低本钱完成集中一致操控小区内的路灯，使得小区的照明体系的智能化得以完成。
2. 小区路灯照明体系
小区路灯照明是小区建造十分重要的一个部分，尽管同是照明体系，它与公共照明（如大街、广场、公路等照明）不同，小区路灯照明归于小区自主操控，耗费的电费也由小区业主承当，因而小区照明需求考虑到个性化操控、节能、安防等要素。别的，跟着人们日子水平的进步，人们对寓居环境的要求也越来越高寓居的环境也成为了一种重要的休闲、放松、享用日子的重要场所，小区照明由曾经的单纯照明演化成为一种景象体系工程，人们寻求的不仅仅是亮度上的片面感触，更重要的是视觉、身心的一种享用［1］ 。由此可见，小区照明体系并不能简略地照搬一般的照明体系，个性化、节能环保是现代小区规划的重要一环。
跟着信息工作和计算机工业的高速开展，智能楼宇技能迅速开展，楼宇自动化、通讯自动化、办公自动化、家庭自动化等各种自动化体系不断呈现，现代小区运用最多最遍及的是安防体系、门禁体系、停车场体系等，小区内的照明体系却运用的不多，原因首要是：小区的路灯照明体系接入智能楼宇体系的通讯介质大部分选用总线型与电力线载波，总线型需求铺设网络通讯线路，散布广泛、布线杂乱，本钱很高，若选用电力载波方法接入，尽管不必别的铺设网络线路，但需求贵重的调制解调设备，本钱也难以下降［2］ 。因而怎么低本钱地将小区的路灯照明体系加入到小区的智能楼宇操控体系中是解决矛盾的要害。
3. ZigBee
ZigBee是依据IEEE802.15.4规范的低功耗局域网协议。它来源于蜜蜂的八字舞，因为蜜蜂（bee）是靠翱翔和“嗡嗡”（zig）地颤动翅膀的“舞蹈”来与伙伴传递花粉地点方位信息。ZigBee网络协议与其他无线网络协议比较，如表1所示，有着明显的特色。蓝牙与WIFI技能速率高，但ZigBee在传输距离、功耗、本钱等方面有先天的优势，特别适合于数据量低的传感器与操控场合。
3.1. ZigBee技能概述
ZigBee与IEEE 802.15.4是依据规范的协议，它们为无线传感器网络运用供给所需的网络根底设施。802.15.4界说了物理层（PHY）和媒体拜访层（MAC），ZigBee界说了网络层（NWK）和运用层（API），如图1所示 ［3］ 。由此可见，ZigBee是一套十分完好的无线网络解决方案。
表1. ZigBee与其他无线网络协议
图1. ZigBee与IEEE802.15.4网络架构图
3.2. ZigBee设备类型
ZigBee网络包含2种功用类型设备，3种节点类型。功用类型有：全功用设备FFD （Full Function Device）和精简功用设备RFD （Reduced Function Device）。望文生义，全功用设备具有完好的协议功用，而精简功用设备意图是为了完成简略的协议即可。3种节点类型：和谐器（ZC）、路由器（ZR）与终端设备（ZE）。全功用设备能够作为和谐器、路由或许终端设备，精简设备只能作为终端设备运用。全功用设备能够与任何设备通讯，而精简功用设备只能与全功用设备通讯，不能与精简功用设备互通。它们一起构成ZigBee网络，如图2是ZigBee的一种拓扑结构。
和谐器的作用是发动与操控网络，存储关于网络的信息。它也是网络的第一个设备。和谐器挑选一个信道和一个网络ID （也称之为PAN ID，即Personal Area Network ID），随后发动整个网络。假如网络需求加密，密匙可存放在和谐器，和谐器的人物首要触及网络的发动和装备，一旦这些都完成后，和谐器的作业就像一个路由器。
路由器的作用是扩展网络覆盖面，在妨碍周围动态路由，并供给备份路由以避免网络拥堵和设备失利，它们能够联系到和谐器与其他路由。
终端设备的作用是发送或承受一个信息，可是不能履行任何路由操作，它们有必要衔接到和谐器或路由器，终端设备是网络的最终端，因而不支持子设备。
3.3. ZigBee网络
ZigBee有3种拓扑结构及2种作业形式。3种网络包含有：星形网络（Star network）、树状网络（Cluster tree network）和网状网络（Mesh network），拓扑如图3所示。
星形网络由一个和谐器与多个终端设备组成，和谐器坐落网络中心，担任建议树立和维护整个网络。
图2. ZigBee网络的三种设备类型
图3. ZigBee的三种网络拓扑
星形网络的操控与同步比较简略。
树状网络由一个和谐器与一个或许多个星形网络构成。很明显，树状网络的拓扑空间很大，可是空间的增大使得信号的传输延时会添加。
网状网络由若干个FFD构成骨干网，它们之间是对等关系，每个节点都能够与其他节点对等通讯。网络中所有具有路由功用的节点能够直接互联，但它们中有一个会被引荐为和谐器。实际上网状网络是依据树状网络的根底，由路由器的路由表合作完成网络路由。网状网络的特色是具有自恢复才能，数据途径有多条挑选，当某条途径毛病，能够挑选其他途径，因而它具有十分高的可靠性，可是树状网络需求更多的存储空间。
ZigBee有两种作业形式：信标（beacon）形式与非信标形式。信标形式规则了一种“超帧”的格局，在超帧的开端发送信标帧，各节点经过竞赛方法、非竞赛方法接入、非活泼时期与休眠状况几个时期，完毕后等候下一个超帧周期的开端又发送信标帧。非信标形式则比较灵敏，节点均以竞赛方法接入信道，不需求周期性的发送信标帧。明显，信标方法同步功能好，但这种同步网络的规划不能很大。
4. 依据ZigBee技能的小区照明体系
4.1. 硬件规划
ZigBee传输距离远、功耗低、本钱低一级的特色，十分适合于小区路灯照明体系。硬件上参阅TI公司开发的ZigBee专用CC2530单片机的母版规划 ［4］ ，终端设备运用BH1750FVI数字光照传感器进行光照强度的数据收集，规划CC2530还有继电器输出，用于驱动路灯的开关，电路如图4所示。
和谐器与路由器也参阅TI母版电路，和谐器在CC2530串行口上接入RS232转化芯片与服务器衔接。
4.2. 软件规划
运用IAR开发渠道与TI公司的Z-stack协议栈，该协议栈由TI公司供给给用户的一个敞开的ZigBee网络开发包，是ZigBee的一种详细完成，Z-Stack包含了网状网络拓扑的几近于全功用的协议栈，用户能够直接运用Z-stack进行开发 ［5］ ，其结构如图5所示。Z-stack现已将体系渠道层与协议层封装好了，用户只需依据自己的网络与程序对运用层进行修正，使得用户的开发周期大大缩短，并且网络体系的可靠性得到了很好的维护。
图4. 终端设备电路图
依据小区路灯照明体系的特色，体系选用网状网络结构，路由依据路灯的散布状况带若干个终端设备，终端设备进行数据收集以及操控，路由设置在Z-stack里修正f8wConfig.cfg文件进行设置，路由表巨细设置MAX_RTG_ENTRIES，按节点数10:1进行设置，通讯方法选用非信标形式。别的，因为路灯体系自身有供电电源，因而ZigBee模块运用路灯的电源进行整流变压供电，选用锂电池作备用电源，当路灯电源线路呈现毛病断电，ZigBee模块能够运用锂电池持续进行作业，经过ZigBee网络并将断电毛病信息上报至服务器。
4.3. 试验
将ZigBee模块按距离30米路灯的距离进行散布，如图6所示模仿路灯散布，安置20个终端设备对路灯进行光照强度的收集、供电信号的收集，并带有继电器操控输出。按散布运用了6个路由设备，和谐器运用RS232转化芯片与PC串行口进行通讯，服务器端运用VB编写终端监控软件显现各个终端设备收集的信息，发送继电器闭合与断开指令信号。在断电的状况下，备用电池能够持续保持单片机的供电，并将断电信息发送回PC终端。
图5. Z-stack协议栈结构
图6. ZigBee技能的路灯操控网络
表2. 路由丢包率功能测验
试验显现，20个终端设备的收集信息能够完好的显现，继电器闭合与断开的指令也能从服务器端发送到终端设备，在路由测验上，分别对4个路由进行毛病性测验，试验数据如表2所示。由表2数据可知，在传输速率不高的状况下路由特性体现杰出。
由试验数据可知，运用ZigBee网络进行小区路灯监控是可行的，在和谐器端对数据进行打包能够与PC、PLC等操控器进行通讯，因而能够接入到智能楼宇操控体系中进行一致监控。
5. 总结
文规划了一种依据ZigBee无线网络技能的小区路灯操控体系，试验证明ZigBee无线网络技能在长途监测路灯下的光照强度、断路毛病等信息是可行的，具有必定的实用性，在和谐器端与智能楼宇体系的衔接上能够进行灵敏的编程，以满意监控体系的需求，因而，ZigBee无线网络技能能够扩展到其他设备的监控上，大大减少了布线的本钱，无论是作为无线传感器网络运用仍是智能楼宇操控运用的推行，具有必定含义。
作者：刘志远，谢应然 佛山工作技能学院机电工程系
