基于ZigBee技术的小区照明系统的设计

摘 要：传统的小区照明系统存在能耗高、灯光照明效果不理想、管理复杂等问题，为此提出了基于ZigBee技术的小区照明系统。系统以ZigBee模块为控制核心，连接光照传感器、人体红外传感器、灯光照明设备等，通过光照传感器采集小区环境的光照强度及是否有人等信息，自动控制灯光的开启与关闭。系统分为自动模式和手动模式。在自动模式下，系统根据光照强度和是否有人进行判断，自动打开或关闭照明设备。在手动模式下，单击物联网云平台可视化界面中的灯具开关按钮，实现手动控制灯光的开启和关闭。系统可广泛应用于小区中的多个场景中，如楼道、车库、小区出入口、室外公共区域等，能有效降低能耗，提升照明效果，节约小区管理成本。

关键词：ZigBee；光照传感器；物联网云平台；嵌入式开发；照明系统；人体红外传感器

中图分类号：TP273.05 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2025）02-0-04

0 引 言

随着物联网技术的发展和节能环保理念的兴起，利用物联网智能化技术对小区硬件设施进行改造越来越受到人们关注。小区硬件设施中的照明系统在业主生活中起着重要的作用。然而，传统的小区照明系统存在能耗高、灯光照明效果不理想、管理复杂等问题，基于ZigBee技术的照明系统（以下简称为“照明系统”）通过无线通信和云平台技术，可实现灯光的智能控制，为小区照明问题带来了新的解决方案。照明系统中ZigBee终端模块连接的光照传感器、人体红外传感器，可以根据环境的光照强度及是否有人，实现智能化的能源管理，这不仅改善了照明效果，还降低了能耗。照明系统采用自组织网络结构，具有较好的拓展性，可以添加和移除路由节点来调整网络范围，适应不同规模的小区场景。利用照明系统，小区管理员可以方便地对所有灯具进行集中管理，实时监测环境及照明状态，大大提高了管理效率和便利性。

1 关键技术

ZigBee技术：ZigBee是一种低成本、低功耗、网络容量较大的短距离无线通信技术，可在各类物联网技术场景中广泛应用。ZigBee基于IEEE 802.15.4标准，适用于周期性、间歇性和可重复的低时延数据传输，支持868 MHz、915 MHz和2.4 GHz的ISM频段[1]。相比WiFi、蓝牙等其他无线通信技术，ZigBee具备网络配置简单、拓扑结构灵活、数据传输可靠等优点。ZigBee网络支持3种类型的网络结构，分别为星型、网状、树状。一个星型网络结构最多可包含254个从设备、1个主设备。通过ZigBee技术，小区内的灯具及传感器设备可以建立自组织网络，相互通信，从而实现集中控制和智能化管理。

传感器技术：传感器技术在照明系统中起着重要作用。通过光照传感器，可以实时感知环境光照强度的变化；通过人体红外传感器，可以获悉当前环境是否有人，并将信息传输给控制器；灯具控制器根据传感器反馈的数据，智能开启或关闭灯光，以达到节能和舒适照明的目的。此外，还可以集成其他类型的传感器，如声控传感器，用于感知环境声音，实现多方位的照明控制。

云平台技术：物联网云平台可以与设备通信，包括接收设备数据以及对设备下发命令[2]，是物联网应用开发和管理的平台。云平台提供了一系列工具和服务，用于连接、收集、存储、分析和管理物联网设备数据，在一定程度上缩短了系统开发周期并降低了开发难度，同时提高了系统开发的实用性和可行性。目前常用的物联网云平台有阿里云物联网平台、微软的Azure IoT平台、小米IoT开发者平台、华为物联网平台等。

2 系统总体设计

照明系统主要由感知层设备、网络层设备和应用层设备组成，照明系统整体框架如图1所示。

感知层设备由光照传感器、人体红外传感器、执行器（控制器）和灯具组成。在整个系统中，传感器负责采集、发送环境数据，执行器负责控制灯具的开启或关闭。网络层设备包括ZigBee协调器、ZigBee终端设备、路由器和交换机等，主要作用是连接感知层和上一层的网络系统。网络层采用的传输方式也是物联网系统稳定运行的关键[3]。本系统中的网络传输技术包括ZigBee网络、以太网等，通过网络传输技术实现数据的通信。应用层部分包括物联网云平台、应用程序等，能对上报的环境数据（光照强度、人体红外状态）进行判断，决定是否开启或关闭灯光。

3 系统设计与实现

3.1 ZigBee无线网络设计

照明系统中用到的ZigBee模块采用的是以CC2530为主控芯片的开发板。CC2530为建立无线网络和数据处理的核心芯片，处理内存为256 KB，兼容ZigBee 2007/Pro协议，该模块具备组网容易、功耗较低、网络信号较强、抗干扰性较好的特点[4]。根据小区照明使用场景及后续拓展的需要，在设计ZigBee无线网络中，均采用全功能型设备。全功能型设备相比精简设备，除了具备精简设备的数据发送和接收功能，还拥有更强的数据处理能力、更大的数据存储空间，而且可以作为协调器、路由器来使用。在网络结构设计方面，照明系统选择树状拓扑结构。树状网络由一个顶端协调器和若干终端节点、路由节点组成。整个网络由协调器负责建立，协调器的子节点可以是路由节点或终端节点[5]。这种拓扑结构允许终端节点以多跳的方式进行数据通信，适用于小区中范围较大、节点数量有限的场景，如楼道、地库等。树状网络拓扑结构如图2所示。

3.2 设备组网及连接云平台

可以利用ZigBee协议栈实现设备组网，通过调用ZigBee协议栈中的相关组网函数，并配置网络参数来建立ZigBee网络，实现终端设备、协调器、路由器之间数据的通信。在IAR Embedded Workbench开发环境下，使用协议栈进行ZigBee组网的具体步骤如下：

（1）配置协调器设备，包括网络参数、选择信道、设置安全密钥等。通过调用协议栈提供的初始化函数来完成这些操作。

（2）启动ZigBee协议栈完成对各类事件及任务的处理。

（3）加入终端设备并分配网络地址。协调器接收处理终端设备发送的加入请求，并为每个终端设备分配唯一的网络地址。

（4）路由配置。协调器根据网络拓扑结构、信号强度等选择最佳的路由路径，实现数据在网络中的传输。

（5）数据的发送和接收。网络建立完成后，数据可以直接从终端设备发送到协调器，也可以通过路由进行中继传输。

在配置网络参数时要注意的是，PANID指网络编号，用来区分不同的ZigBee网络，在配置网络标识符（PANID）时，如果定义为0xFFFF，则随机产生PANID[6]，本例中PANID设置为0xAAAA。以IAR Embedded Workbench为开发环境，使用ZigBee协议栈组网的部分关键代码如下：

ZDOInit（）;//初始化ZigBee协议栈

zgConfigPANID（0xAAAA）;//设置PANID

zgDefaultChannelList=CHANNEL_LIST_11_26;//设置信道

zgDefaultChannelListLen=sizeof（CHANNEL_LIST_11_26）;

zgDefaultStartingScan = MAC_SCAN_ACTIVE;//设置主动扫描

zgDefaultPermitJoinDuration=0xff;

zgSecurityMode=ZG_SECURITY_PRECONFIGURED;

//设置网络参数

osal_memcpy（NIB_nwkNetworkKey， networkKey，SEC_KEY_LEN）;

ZDApp_Init（）;

NLME_SetCoordinator（TRUE）;

afRegister（callbacks）;//注册回调函数

osal_start_system（）;//启动ZigBee协议栈

switch（pMsg-gt;event）

{case APP_SEND_DATA_EVT：sendData（childAddr）;break;

//发送数据

case AF_DATA_CONFIRM_EVT：break;//数据发送确认处理

case AF_INCOMING_MSG_EVT：break;//接收到的数据处理

}

osal_msg_deallocate（pMsg）;

设备组网完成后，连接物联网云平台。连接云平台的目的是将数据发送至云平台，利用云平台的策略功能实现灯具的自动控制。在照明系统中，使用的云平台及网关设备均由新大陆科技有限公司提供。该平台支持用户及管理人员通过手机、平板、计算机等信息终端，实时掌握传感设备数据，并可以手动/自动调整控制设备，使管理变得轻松简单[7]。连接云平台的具体步骤如下：

（1）将ZigBee协调器与网关设备连接，在网关中创建ZigBee连接器、传感器和执行器。

（2）设置网关连接方式，运用CloudClient方式连接。

（3）设置TCP连接参数，包括云平台域名、端口、设备标识、密钥，如图3所示。

（4）登录新大陆物联网云平台，在开发设置中生成API密钥。

（5）在开发者中心创建项目，在项目中添加设备。添加设备时选择TCP通信协议并绑定设备（网关）标识。云平台连接成功后，可以看到设备处于在线状态，此时通过下发设备即可查看实时数据。本例中用光照传感器、人体红外传感器以及两组灯具进行模拟实验。云平台实时数据显示界面如图4所示。

3.3 灯具控制策略设计

在云平台中，基于逻辑控制和策略管理功能，照明系统中的灯具可根据光照强度、人体红外状态等信息实现自动开启或关闭。具体设计思路：根据实时获取的光照强度及人体红外状态进行判断。参考《城市道路照明设计标准》，当光照强度E=20 lx时，为小区道路的最低光照强度[8]，因此设置E≤20 lx，开启灯光；当20 lxlt;E≤100 lx，且照明系统判断有人时，开启灯光；其余情况则关闭灯光。该策略的设计既能保证在最低光照环境下自动开灯，又能在昏暗环境下根据是否有人来决定开灯或关灯，同时能在光照充足的环境下自动关灯。灯光自动控制设计流程如图5所示。

在云平台策略管理中添加4条策略，分别为：

（1）E≤20 lx，开启灯光；

（2）20 lxlt;E≤100 lx，且照明系统判断有人时，开启灯光；

（3）20 lxlt;E≤100 lx，且照明系统判断无人时，关闭灯光；

（4）Egt;100 lx，关闭灯光。

将策略设置为启用状态，以实现灯具的智能化管理。策略设置界面如图6所示。

此外，在小区一些人流密集的照明场景中，如室外过道、室外健身区，也可以脱离云平台对ZigBee模块进行单独开发，实现光照和灯具之间的联动。这种方式不仅能够节省网络资源，而且可以更灵活地在小区内进行布局。使用BasicRF通信协议，根据光照强度控制两盏灯的开启或关闭。其中，BasicRF由TI公司提供，它具备IEEE 802.15.4标准数据包的收发功能，还提供安全通信所使用的CCM-64身份验证和数据加密服务，可为双向无线通信提供安全、稳定的协议[9]。部分关键代码如下：

//光照判断及发送指令

float light=（400/12.0）*（get_adc（）/2.0）;

if（lightlt;=20）

{flag=1;

basicRfSendPacket（0x03，amp; flag，1）;

basicRfSendPacket（0x04，amp; flag，1）;}

elseif（lightgt;20amp;amp;lightlt;=100）

{flag=2;

basicRfSendPacket（0x03，amp;flag，1）;

basicRfSendPacket（0x04，amp;flag，1）;}

else

{flag=3;

basicRfSendPacket（0x03，amp;flag，1）;

basicRfSendPacket（0x04，amp;flag，1）;}

//灯具接收指令并执行

if（basicRfPacketIsReady（））

{basicRfReceive（amp;flag，1，NULL）;

if（flag==1）

{P2_0=1;}

else if

{flag==2}

{……}

else

{……}}

在新大陆物联网实训设备中，光照和灯具联动测试如图7所示。图7（a）中，E≤20 lx，两盏灯亮；图7（b）中，20 lxlt;E≤100 lx，一盏灯亮；图7（c）中，Egt;100 lx，两盏灯灭。

4 结 语

基于ZigBee技术的小区照明系统通过新大陆物联网云平台，可以实现灯光的自动控制及手动控制，从而实现小区内灯光的控制和智能化管理。此外，通过在照明系统中增加路由节点，可以扩展系统的照明覆盖范围；通过ZigBee模块的独立开发、功能联动，又能够灵活地进行布局，具备良好的可扩展性和灵活性。同时，本设计能够充分合理使用当地的人力资源以及能源，提升当地小区的智能化水平[10]。

参考文献

[1]孙卫华.基于ZigBee的智能家居照明系统搭建[J].光源与照明，2022（5）：71-73.

[2]李荣.基于阿里云物联网平台的智能家居系统设计[J].中国仪器仪表，2023（12）：34-37.

[3]关怀.基于物联网技术的智慧机场设计与应用探讨[J].建筑电气，2023，42（12）：40-44.

[4]李欣.基于ZigBee技术的高速公路隧道照明系统设计[J].光源与照明，2023（5）：34-36.

[5]龙祖连.基于ZigBee技术的矿井环境信息监测系统设计[J].电子制作，2023，31（19）：11-13.

[6]李志伟.基于ZigBee技术的物品找寻系统中无线组网的设计与实现[J].信息记录材料，2023，24（10）：83-85.

[7]新大陆物联网云平台开发文档.平台简介[EB/OL].（2023-12-08）[2024-01-02]. http：//www.nlecloud.com/doc/.

[8]周杨小晓，谢怀建.浅析绿色照明、健康照明与住宅小区照明设计[J].住宅产业，2020（4）：57-61.

[9]王铭明.基于BasicRF的家居环境监测预警系统设计[J].现代电子技术，2013，36（24）：99-102.

[10]林超伦.基于ZigBee的智能小区LED路灯控制系统的研究与设计[J].电子世界，2019（21）：146.

作者简介：孙振华（1984—），男，江苏丹阳人，硕士，讲师，主要从事物联网技术、软件设计、影视后期制作的研究。

收稿日期：2024-01-19 修回日期：2024-02-28