基于ZigBee技术的教学楼智慧照明控制系统的设计

周扬帆

摘要：随着经济的飞速发展，能源短缺问题日益突出，但是目前在很多高校教学楼普遍存在着室内无人却灯火通明的现象，造成了严重的资源浪费。文章提出采用ZigBee技术组建网络，介绍了ZigBee技术的相关知识，包括其协议结构、优势、设备、网络的拓扑结构及其选择，以一栋教学楼为对象，提出了系统整体设计方案，对智慧灯光控制器和无线网关进行了设计，实现对教学樓照明系统的智慧控制。

关键词：智慧控制；ZigBee；拓扑结构；物理设备；网关

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）07-1608-03

教学楼照明是学校公共设施的重要组成部分，目前国内的教学楼照明系统大部分没有采用网络化监控管理，只能以楼层或教室为单位对照明设备进行简单的开关灯控制，这样的控制方法不能实时的获得每盏电灯的状况，也无法根据具体情况调整电灯亮度，不能有效的节省电能。本设计基于ZigBee无线通信协议，对教学楼的灯光实现智慧管理，从而达到节约电能的目的。

1 ZigBee的相关知识

ZigBee是一种新兴的无线网络技术，它具有距离短，成本低，功耗低，复杂度低，速率低，安全性能高等特点，其基础是IEEE802.15.4。

1.1 ZigBee协议结构

ZigBee协议只有OSI七层协议模型中的四层，包括物理层（PHY），媒介访问控制层（MAC），网络层（NWK）和应用层（APL）。其中ZigBee联盟负责制定网络层以上的协议，IEEE制定物理层和媒介访问控制层标准，用户自己编写最高层应用协议，如图1所示。

其中物理层是协议的最底层，承担与外界直接作用的任务，主要是控制RF收发器工作。媒介访问控制层是负责设备间无线数据链路的建立、维护和结束，确认数据的收发。网络层的作用是建立新网络，保证数据的传输，对数据进行加密，保证数据的完成性。应用层根据服务和需求使多个器件之间进行通信，具体应用由用户开发。

1.2 ZigBee的优势

ZigBee网络采用的是无线自组织网络技术，网络中的各个节点间通信以一跳或多跳的形式自动建立网络，与传统无线网络相比，有以下优势：

1）功耗低：设备非常省电，发射功率仅为1mW，在待机模式下，两节普通的5号电池就可以维持6-24个月左右。

2）速率低：其传输速率低只有10-250KB/s，协议简单。

3）成本低：ZigBee芯片非常便宜，大概在10-20元左右，随着以后的广泛使用将会更便宜，且ZigBee协议是免费的。

4）容量大：一个ZigBee设备可与254台节点设备连接，而加入节点的ZigBee网络最多可以容纳65000个设备，且组网灵活。

5）安全性高：ZigBee提供了基于循环冗余校验的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用AES-128加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。

6）可靠性高：ZigBee采取CSMA/CA的碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开发送数据的竞争和冲突。媒介访问控制层采用完全确认数据传输模式，每个发送的数据包都须等待接收方的确认信息，若传输过程中出现问题可重发。

7）频段灵活：ZigBee无线有3个频段可使用，全世界通用2.4GHz，欧洲使用868MHz，美国使用915MHz，而不同频段可使用的信道分别是16、1、10个，在中国采用2.4GH频段，是免申请和免使用费的频率。

8）自组织功能和自愈功能强：无需人工干预，网络节点能感知其他节点的存在，并确定连接组成结构化的网络。节点有增加、删除，位置发生变动，或发生故障等，网络均能自我修复，并对网络拓扑结构进行调整，保证整个系统仍能正常工作。

1.3 ZigBee设备及网络的拓扑结构

ZigBee网络中有两种类型的物理设备，即全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）。全功能设备可与网络中的任何设备通信，可存在于任何拓扑结构中，是网络节点的集中组织者、协调者，可以实现全部功能。精简功能设备只能与主器件通信或通过一个全功能设备向外转发数据，只能实现部分功能。

根据ZigBee联盟所设定的技术标准，按功能分其网络设备划分为协调器，路由器和终端设备。其中终端设备可以是全功能设备，也可以是精简功能设备，但协调器和路由器必须是全功能设备。协调器在每个网络中是唯一的，配置该网络成员的地址，负责该网络的建立和维护；路由器是中转节点，负责选择适当的支路并转发数据；终端设备只是负责发送和接收信息。

1）星型拓扑结构

星型拓扑结构由一个网络协调器和若干个终端节点组成，它具有易组网、低成本、低能耗等优点。但是可靠性差，若中心节点发生故障，则所有与中心节点相连的其他节点的通信就会中断，因此星型拓扑结构适合节点少、结构简单、小范围的网络。

2）树型拓扑结构

树型拓扑结构的传感器节点串联在一条或多条支路上，若中间节点发生故障，则部分节点就会失去连接，导致网络断裂。

3）网状拓扑结构

网状拓扑结构的伸缩性好，可同时通过多条路由来传输数据，传输可靠性高，允许路由，若某个节点发生故障，网络会重新计算路由的新路径，不影响网络其他节点正常通信，具有自愈功能。

在星型拓扑结构中无论是路由器或终端设备都是直接与协调器进行通信，协调器则负责运作与维护着整个网络；在树型和网状拓扑结构中，协调器负责初始化和建立网络的操作，路由器则对网络进行扩展，终端设备的信息由路由器进行转发，只不过在树型拓扑结构中终端间的信息交换只能通过一级级向上传递到协调器，再由协调器将信息分发下去。

1.4 拓扑结构的选择

教学楼属于小型局域网，一般情况下采用星型拓扑结构，以达到低成本、易连接、易扩充和管理的目的。教学楼内部无线网络连接距离（一般在100m以内）较短，小于ZigBee技术的最大传输距离，可以满足教学楼网络控制的需要。

2 系统整体设计方案

教学楼智慧照明控制系统是由一系列ZigBee终端节点和无线网关形成网络，每一个终端节点即一个智慧灯光控制器（包括教室灯光控制器和公共照明控制器）。智慧灯光控制器通过ZigBee控制网络与无线网关相连接，无线网关通过IEEE802.11b/g接入以太网，通过远程WEB页访问，对教室电灯或楼道电灯的灯光亮度进行远程控制和查询。系统结构如图3所示。

2.1 智慧灯光控制器的设计

在教室或楼道适当的位置安装智慧灯光控制器，用于实现对教室电灯或楼道公共照明灯具进行预设存储和远程控制等功能。智慧灯光控制器通过ZigBee网络与以太网网络终端通信。每个ZigBee单元都有唯一的64位MAC地址，网内通信一般只使用16位的逻辑地址。各个单元都与无线网关进行通信，接收网关的命令，对教室电灯或楼道公共照明灯具进行控制。

智慧灯光控制器主要由微控制器、按键、显示、电源、调试接口和射频模块几部分组成。其中射频模块采用的是CC2420，因为它只需要很少的外围器件，性能稳定，功耗低，对信号的选择性和敏感性都超过了IEEE802.15.4的要求，通信可靠且有效。芯片天线采用单极天线，天线采用PCB布线平衡方式实现。

智慧灯光控制器只负责数据的发送和接收，控制调光电路，管理终端设备，CC2420与PIC18LF4620的搭配芯片正是最佳的选择。

2.2 无线网关的设计

无线网关主要实现教学楼内外部网络的连接、协议转换以实现远程控制，设计主要考虑实现Internet接入及TCP/IP与ZigBee协议转换功能。

无线网关设计分硬件和软件两个方面。硬件设计方面，采用ARM芯片加上其他功能模块，软件设计方面，移植μClinux操作系统，并开发驱动程序、应用程序。在网关上架设Web服务器与用户进行通信，并通过CGI接口调用，实现对ZigBee网络终端智慧控制器的指定操作。

无线网关的硬件做如下安排：微控制单元选用飞利浦PLC2210（ARM7）芯片；系统使用两组电源，内核及片内外设是1.8V，I/O是3.3V；扩展了4MB的RAM和16MB的FLASH；使用ARM的SPI1口，微处理器充当SPI主器件，射频收发器充当从器件进行数据传输；以太网接口电路是以RTL8255接口，由IEEE802.11b/g接入Internet，采取16位总线访問。

3 结束语

本校园照明系统基于ZigBee技术，对教学楼的灯光实现智慧管理。系统配备了时钟，若出现异常情况，系统就会自动记录时间以及异常时的系统状态，为用户查看和分析数据提供了方便；系统配备了液晶显示设备，显示屏使用字符型，使得显示内容丰富，界面友好，操作起来比较简单。教学楼照明控制系统的投入运用，实现了节约能源、节省设备、适合现代化校园。

参考文献：

[1] 马跃其. 基于 ZigBee 无线通信技术的智能家居系统[D]. 河南理工大学， 2010.

[2] 徐立波， 鲍可进. 智能节能用电系统的研究与设计[J]. 计算机工程与应用， 2011， 47（6）.

[3] 董蕾. 网络教学平台关键技术与智能生成试卷功能实现[J]. 信息技术与信息化， 2008（4）：107-109.

[4] 郭佑民， 刘娟， 孟凡刚， 等. 基于 ZigBee 的智能型 LED 路灯照明系统设计[J]. 兰州交通大学学报， 2010（4）.