浅析ZigBee无线通信技术在智能照明系统中的应用

丁国保

摘要：文章首先就ZigBee无线通信技术的主要应用优势进行了分析，进而结合安哥拉赞谷市政照明工程实例，针对智能照明系统中ZigBee无线通信技术的应用以及硬件、软件设计的注意事项进行了综合分析与探讨，希望能够为后续同类工程的开展提供一定的参考与借鉴。

关键词：无线通信 ZigBee技术 智能照明系统 应用

当前的智能照明控制系统多基于有线模式，虽可达到控制效果，但施工布线比较复杂，系统扩展性较差，投入使用后即较为固定，难以移动。因此，为了提高智能照明系统的可移动性、可拓展性，就需要将智能控制建立在无线通信基础上，发挥ZigBee等技术的无线通讯优势，从而与智能照明系统的发展趋势良好配合。

1 ZigBee技术无线通信技术优势分析

ZigBee技术是一种基于双向的无线通讯技术。此种技术的应用优势体现在：传输功耗低、传输成本低、传输设备简便等。同时，在ZigBee技术支持下所对应的移动设备相对更加的固定与便携。从数据传输的角度上来说，可将ZigBee技术作用于间隔距离较短、运行功耗较低的电子设备数据传输领域，或者是数据周期性、间歇性传输作业。当前技术条件支持下，ZigBee技术所对应的数据传输模块与常规意义上的移动网络基站有一定的相似性，但其通讯距离范围扩展至75米乃至百米以上单位。

在将无线通信技术融入智能照明系统领域的过程当中，主要采用的无线通信技术包括以下几种类型：其一为基于WiFi的数据传输技术；其二为基于蓝牙的数据传输技术；其三为基于ZigBee的数据传输技术。从协议标准的角度上来说，WiFi传输以802.11a.b.g为标准通讯协议，蓝牙技术以802.15.1为标准通讯协议，而ZigBee技术则以802.15.4为标准通讯协议；从占用系统资源的角度上来说，WiFi技术系统资源可达到1.0 M以上，蓝牙技术系统资源可达到250.0 Kb以上，而ZigBee技术系统资源可达到50.0～60.0 B左右；从支撑网络节点数量的角度上来说，WiFi技术对应网络节点数为32个，蓝牙技术所对应网络节点数为7个，而ZigBee技术对应网络节点数则为65536个；从最大通信距离的角度上来说，WiFi技术支持最大通讯直线距离为100.0m，蓝牙技术所支持最大通讯直线距离为10.0m，ZigBee技术所支持最大通讯直线距离为100.0m以上。

综合以上分析可知：以上三种无线通信技术均具有其独特的优势，适用于不同的工作环境及领域。而在智能照明系统领域中，考虑到整个运行系统中的节点数量较多，而在光源控制的过程当中对网络容量要求较大，且需要最大限度的节约功耗，建议在智能照明控制系统中基于ZigBee技术完成组网设计。

2 工程概况

安哥拉赞谷8000套市政电力及基础道路照明工程项目由中信建设EPC总包。本项目位于首都罗安达省ZANGO地区，项目占地面积416公顷。工程内容包括8000套公寓、5所幼儿园、4所小学和3所中学及配套的市政基础工程，总居住户数8000户，总居住人数约48000人。

道路采用杆式照明，大市政道路照明采用的路灯类型有：16米三头路灯、16米双头路灯、12米单头路灯、9.5米单头路灯、8米双头路灯和8米单头路灯等。小市政道路照明采用4.5米单头庭院灯及3.5米单头庭院灯。大小市政路灯总量4480余套，整个系统设智能照明调控装置，优化电力质量，进行多时段节能电压设置并能实时稳压、控压，从而起到节电的效果，且不产生高次谐波，对电网无污染。结合本道路照明系统实际需求，引入ZigBee技术进行系统设计，现就硬软件应用要点展开探讨。

3 智能照明系统硬件设计分析

在对系统芯片进行选择的过程当中，基于对ZigBee技术的维护需求，要求芯片满足以下几个方面的性能要求：其一，成本低廉；其二，能耗水平低；其三，集成水平高；其四，电压水平低。综合以上要求，选取CC2430芯片作为优选方案。在当前的技术条件支持下，本芯片建立在CMOS工艺基础之上形成，元器件需求较少，运行功耗低。且，芯片内部设置有基于数字直接序列的扩频调制解调模块，该模块在正常运行状态下可实现的扩频增益水平为9.0dB，同时设置基于ZigBee技术的协议栈。

整个ZigBee技术支持下智能照明系统硬件结构设置为网络拓扑结构模式。整个智能照明系统网络节点由协调器设备、以及终端节点设备两个模块构成。其中，对于协调器设备而言，其具有基于802.15.4 ZigBee技术所对应的全部协议栈内容，因而可以作为全功能设备应用。结合实践经验来看，一般来说一个完整的ZigBee协议栈所占用空间为32.0KB，而在以上器件的配合运行下，储存空间可降低至4.0KB，达到节约成本的目的。

其一，从协调器硬件设计的角度上来说，考虑到协调器需要负责完成包括网络维护、数据传输、指令传输、系统管理、以及运行监测在内的多个方面的工作任务，因而功耗相对较高，为了确保其运行的持续性与稳定性，要求在硬件设计期间，通过外接电源的方式，确保供电可靠。同时，建立在USB接口之上实现与PC机的可靠联通。具体而言，协调器的硬件设计结构如下图所示（见图1）。

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其二，从终端节点硬件设计的角度上来说，通过安置光照传感器的方式，可及时检测环境中的光照强弱。硬件系统要求：在热释电传感器检测所覆盖区域内无人的情况下，可执行关闭照明灯具。同时，若感知光线亮度过大，可通过光传感器度亮度进行调整。建立在ZigBee网络支持下，要求面向各个灯节点进行信息传输控制。具体而言，终端节点的硬件设计结构如下图所示（见图2）。

4 智能照明系统软件设计分析

首先，从协调器装置的角度上来说，在基于ZigBee技术所构建的智能照明系统当中，协调器所具备的两大关键功能为：①构建网络支持运行；②网络管理。在构建基于ZigBee网络，并按照智能照明系统实际需求，对网络地址进行分配，对绑定列表进行维护的过程当中，要求协调器装置通过扫描空闲信道的方式创新网络，并基于独立扫描程序，保障连接设备能够自动加入新创建网络。按照此种方式，整个协调器装置所对应的软件设计结构如下图所示（见图3）。

其次，从终端节点软件设计的角度上来说，其在智能照明系统当中的主要工作任务为：接受由协调器装置所发出的数据信息及操作指令，并根据对数据信息的处理结果，要求系统内灯具装置执行开关操作。在此基础之上，操作结果可反馈至协调器装置终端节点上。终端节点获取所反馈结果后，使用信道对近邻的协调器进行扫描搜寻，申请加入网络中，合并对系统进行控制。按照此种方式，整个终端节点装置所对应的软件设计结构如下图所示（见图4）。

5 结束语

在将ZigBee无线通信技术应用到智能照明系统运行的过程当中，极大程度的节约了耗电量，且支持多时段的定时性控制，也可基于PC电脑单机实现远程控制，成本低廉，体现了照明系统的智能化要求，值得在后续的实践工作中加以应用与推广。

参考文献：

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