基于ZigBee的教室照明监控系统设计

黄 强，余立建

(西南交通大学 信息科学与技术学院，四川 成都 610031)

随着教育的发展，学校对硬件投入加大，校园照明系统不断扩大，在带来绚丽和方便的同时，也带来了费用高、管理难、故障汇报慢等问题。一套高效的照明监控系统可以大大节省人力财力。当今无线通信技术、自动控制技术快速发展，为集中控制每一盏灯、远程识别故障灯、测控各种电参数及选用多种控制策略为一体的教室智能照明控制系统提供了技术支撑。

1 ZigBee简介

2009年济南园博园已经实现了小范围内基于ZigBee的路灯和景观灯监控，基于ZigBee技术的照明监控系统将是未来照明监控系统的一个主要发展方向。ZigBee是一种新兴的短距离、低速率、低成本、低复杂度的无线通信技术[1]，目前在近距离无线网络领域得到了广泛应用。它是基于IEEE 802.15.4标准的低功耗无线个人局域网协议，可工作在免费的2.4 GHz公共频段，传输速率为10 Kbps～250 Kbps，单节点实际传输距离根据发送功率大小和应用模式而定，在无遮挡情况下能达到100 m以上。ZigBee可以组成高可靠性的Mesh网，不仅能自组织，而且能够自恢复，保证了系统整体稳定性。ZigBee实行严格的功率管理机制，主要通过降低收发信机的忙闲以及数据传输的频率来降低开销，例如关机及睡眠模式[2]。以上特点，正好符合对离散分布的照明灯具进行组网的需要。

ZigBee 协议定义了3 种设备[3]， 即全功能设备(FFD)、精简功能设备(RFD)和网络协调器设备。具备控制器的功能RFD 在网络中通常作为终端节点，相互之间不能直接通信，只能与FFD或协调器通信。FFD除具有RFD功能外，一般可用作网络路由节点。网络协调器实际上是FFD的一种，只是拥有更多的计算能力和系统资源，它在网络组建中担任协调者，负责建立网络，并与其它的FFD或RFD连接。

2 系统设计

2.1 网络结构

Zigbee网络支持三种拓扑结构：星型、树状型、网状型[4]。在星型结构中协调器在中心发挥协调作用，所有节点只与协调器通信，其它节点可以是FFD，也可以是 RFD；在树状型网络中有多个FFD和RFD，远距离终端节点只能经过FFD路由才能与协调器通信；在网状结构中存在多个路由节点和终端节点，任意两个路由节点可互相通信，终端节点则只能经路由节点与协调器通信。

由于教学楼内环境相对复杂，信号遮挡较多，呈现出空间立体特点，故采用网状拓扑结构进行组网。为了能够保证zigbee网络有效连通性，在每层楼楼梯口等通信效果较好的地方要放置一个路由节点，以此来实现两层楼之间的路由。以每间教室为单元，设置一个路由节点，这样避免一个教室出现故障而导致整个网络瘫痪的现象，在距离协调器最近端和最远端的教室可以设置RFD节点。为避免信号因穿墙而减弱，可以将节点模块安装在教室外墙，该节点通过扩展与各个灯组的传感器和继电器进行连接。

监控中心由计算机和协调器组成，具有遥测、遥控、存储和管理数据功能，可以对整个教学楼照明系统进行实时监控。协调器主要负责建立、管理和维护网络，同时接收各个路由节点的信息，然后通过串口将数据发给计算机，在计算机终端显示实时状况并发送控制命令。路由节点具有终端控制、信息采集、自动报警的功能。

2.2 硬件设计

教室节点主要由ZigBee模块、传感器、继电器及扩展/选择电路组成，硬件结构如图1所示。

图1 教室节点硬件结构图Fig.1 hardware structure of classroom node

ZigBee模块采用CC2530作为控制电路核心，该芯片是专门针对2.4G IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的片上系统解决方案，其特点是以极低的总材料成本建立较为强大的网络节点[5]。芯片内部已经集成了一个8051微处理器与高性能RF收发器，并集成了模数转换、ZigBee射频前端、定时器等模块。系统内可编程闪存最高可达128KB，同时具有多种运行模式，且运行模式之间的转换时间很短，进一步降低能源消耗。而一个CC2530只有21个I/O引脚，无法达到分别控制并采集信号的要求，在此可以通过扩展/选择电路来实现对多个灯的控制或信号采集。对于灯较多的教室，可以分配两个或三个节点。

大学教室在上课或自习时人员分布不一，且面积较大，灯下各处的光照度也不一样，所以每个灯都安装人体探测器和光照度传感器，微处理器根据检测到的是否有人和自然光光照度来进行开关灯操作。人体探测器和光照度传感器的设计在此不作为设计重点。

无线信号在教学楼内传输时对发射功率和接收信号的灵敏度要求较高，虽然相邻两个教室节点距离很近，但是在转角或者上下楼层的地方CC2530不一定能够满足通信要求，要解决这一问题，可以在 CC2530 工作电路中加入 CC2591 射频前端来提高输出功率和接收灵敏度，从而达到增加传输距离的目的。 CC2591 通过一个功率放大器以增加输出功率，并通过一个低噪声放大器改进接收灵敏度。它采用 4mm×4mm QFN16 小尺寸封装，模块集成了功率放大器、低噪声放大器、收发切换开关、非平衡变压器和逻辑电路等高性能模块[6]。CC2530 射频输入/输出端具有高阻抗、差分的特性，在设计终端节点时，使用巴伦天线的布线方式来作为非平衡变压器，而CC2591内部本身就存在一个巴伦结构的非平衡变压器和一个匹配网络，由此可以实现CC2591 到 CC2530的无缝接口。

2.3 软件设计

系统启动后，首先进行初始化并由协调器组建ZigBee网络，组建成功后，各节点将采集到的数据经过路由节点发送至协调器，然后传至计算机，再保存在数据库中，管理员可根据实际情况进行开关灯操作，由于使用了扩展/选择电路，可以具体到每一盏灯。一般情况下系统处于自动控制状态。教室节点在每天教室关闭后进入休眠状态以降低功耗，在教室打开后进入工作状态，微处理器轮询各个灯的传感器输出端，根据各个灯的光照度和人员情况进行开关灯控制。如发生报警，如教室电流过高，则向监控中心发送报警信息以待确认和检修。节点自动控制流程图如图2所示。

图2 教室节点自动控制流程图Fig.2 Automatic control flow ofclassroom node

本系统采用C/S模式，以Microsoft Visual Studio 2010为监控软件开发平台，C#语言编制，数据库使用SQL Server 2008，上位机软件主要功能是实时接收由串口传递的数据并加以分包、计算、处理、显示以及保存，通过响应管理员指令，可对终端灯节点进行控制、配置、查询。上位机主界面如图3所示，主要功能包括：

图3 教室监控界面Fig.3 Classroom monitoring interface

显示与监控：实现对每个教室电压、电流、功率等数据采集；可以按楼层选择，查看当前功率、用电量、报警或故障；实现分区域开关及单灯开关的控制；

数据查询：节点配置信息与各教室状态信息均保存在数据库中，方便管理员查询历史数据；并能形成电流、电压等电量报表和运行日志报表；

参数配置：包括校正系统时间、设置zigbee节点短地址和各项报警参数，管理员设置好参数后，系统后台将通过协调器发送到各个节点。

教室监控界面如图3所示。

3 结论

此系统具有两个显著优势：一是控制方便，监控中心能控制到具体的每一盏灯，每一盏灯的状态也能在控制中心得到显示，还可以根据实际需要提花灵活多样的控制方案，以满足不同的场景照明需要。当通信网络某一节点故障时，其他节点不会受到影响，而故障节点还可以手动进行开关操作；二是成本低，只安装两个光感传感器，用于采集实时外界光照度，全程采用无线通信，无需布线、易安装且运行后无通信费用。本系统可以有效地实现教室照明系统科学高效的控制和资源整合，最终实现节能的目的，有着广阔的应用前景。

[1] 无线龙.Zigbee无线网络原理[M].北京：冶金工业出版社，2011.

[2] ZigBee Alliance.ZigBee Specification.2005：21～26.

[3] 江修波.ZigBee技术及其应用[J].低压电器，2005(7)：27～33.

[4] 原羿，苏鸿根.基于ZigBee技术的无线网络应用研究[J]. 计算机应用与软件，2004(6)：89～91.

[5] 熊志远.基于Zigbee技术的路灯监控系统的研究[D].武汉：华中科技大学，2011.

[6] Charlotte Seem, Torjus Kallerud.Using CC2591 Front End with CC2530[J]. IEEE Communication Magazine, 2008, 35(7): 53～56.