基于ZigBee的教室照明監控系統設計

黃 強，余立建

(西南交通大學 信息科學與技術學院，四川 成都 610031)

隨著教育的發展，學校對硬件投入加大，校園照明系統不斷擴大，在帶來絢麗和方便的同時，也帶來了費用高、管理難、故障匯報慢等問題。一套高效的照明監控系統可以大大節省人力財力。當今無線通信技術、自動控制技術快速發展，為集中控制每一盞燈、遠程識別故障燈、測控各種電參數及選用多種控制策略為一體的教室智能照明控制系統提供了技術支撐。

1 ZigBee簡介

2009年濟南園博園已經實現了小范圍內基于ZigBee的路燈和景觀燈監控，基于ZigBee技術的照明監控系統將是未來照明監控系統的一個主要發展方向。ZigBee是一種新興的短距離、低速率、低成本、低復雜度的無線通信技術[1]，目前在近距離無線網絡領域得到了廣泛應用。它是基于IEEE 802.15.4標準的低功耗無線個人局域網協議，可工作在免費的2.4 GHz公共頻段，傳輸速率為10 Kbps～250 Kbps，單節點實際傳輸距離根據發送功率大小和應用模式而定，在無遮擋情況下能達到100 m以上。ZigBee可以組成高可靠性的Mesh網，不僅能自組織，而且能夠自恢復，保證了系統整體穩定性。ZigBee實行嚴格的功率管理機制，主要通過降低收發信機的忙閑以及數據傳輸的頻率來降低開銷，例如關機及睡眠模式[2]。以上特點，正好符合對離散分布的照明燈具進行組網的需要。

ZigBee 協議定義了3 種設備[3]， 即全功能設備(FFD)、精簡功能設備(RFD)和網絡協調器設備。具備控制器的功能RFD 在網絡中通常作為終端節點，相互之間不能直接通信，只能與FFD或協調器通信。FFD除具有RFD功能外，一般可用作網絡路由節點。網絡協調器實際上是FFD的一種，只是擁有更多的計算能力和系統資源，它在網絡組建中擔任協調者，負責建立網絡，并與其它的FFD或RFD連接。

2 系統設計

2.1 網絡結構

Zigbee網絡支持三種拓撲結構：星型、樹狀型、網狀型[4]。在星型結構中協調器在中心發揮協調作用，所有節點只與協調器通信，其它節點可以是FFD，也可以是 RFD；在樹狀型網絡中有多個FFD和RFD，遠距離終端節點只能經過FFD路由才能與協調器通信；在網狀結構中存在多個路由節點和終端節點，任意兩個路由節點可互相通信，終端節點則只能經路由節點與協調器通信。

由于教學樓內環境相對復雜，信號遮擋較多，呈現出空間立體特點，故采用網狀拓撲結構進行組網。為了能夠保證zigbee網絡有效連通性，在每層樓樓梯口等通信效果較好的地方要放置一個路由節點，以此來實現兩層樓之間的路由。以每間教室為單元，設置一個路由節點，這樣避免一個教室出現故障而導致整個網絡癱瘓的現象，在距離協調器最近端和最遠端的教室可以設置RFD節點。為避免信號因穿墻而減弱，可以將節點模塊安裝在教室外墻，該節點通過擴展與各個燈組的傳感器和繼電器進行連接。

監控中心由計算機和協調器組成，具有遙測、遙控、存儲和管理數據功能，可以對整個教學樓照明系統進行實時監控。協調器主要負責建立、管理和維護網絡，同時接收各個路由節點的信息，然后通過串口將數據發給計算機，在計算機終端顯示實時狀況并發送控制命令。路由節點具有終端控制、信息采集、自動報警的功能。

2.2 硬件設計

教室節點主要由ZigBee模塊、傳感器、繼電器及擴展/選擇電路組成，硬件結構如圖1所示。

圖1 教室節點硬件結構圖Fig.1 hardware structure of classroom node

ZigBee模塊采用CC2530作為控制電路核心，該芯片是專門針對2.4G IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的片上系統解決方案，其特點是以極低的總材料成本建立較為強大的網絡節點[5]。芯片內部已經集成了一個8051微處理器與高性能RF收發器，并集成了模數轉換、ZigBee射頻前端、定時器等模塊。系統內可編程閃存最高可達128KB，同時具有多種運行模式，且運行模式之間的轉換時間很短，進一步降低能源消耗。而一個CC2530只有21個I/O引腳，無法達到分別控制并采集信號的要求，在此可以通過擴展/選擇電路來實現對多個燈的控制或信號采集。對于燈較多的教室，可以分配兩個或三個節點。

大學教室在上課或自習時人員分布不一，且面積較大，燈下各處的光照度也不一樣，所以每個燈都安裝人體探測器和光照度傳感器，微處理器根據檢測到的是否有人和自然光光照度來進行開關燈操作。人體探測器和光照度傳感器的設計在此不作為設計重點。

無線信號在教學樓內傳輸時對發射功率和接收信號的靈敏度要求較高，雖然相鄰兩個教室節點距離很近，但是在轉角或者上下樓層的地方CC2530不一定能夠滿足通信要求，要解決這一問題，可以在 CC2530 工作電路中加入 CC2591 射頻前端來提高輸出功率和接收靈敏度，從而達到增加傳輸距離的目的。 CC2591 通過一個功率放大器以增加輸出功率，并通過一個低噪聲放大器改進接收靈敏度。它采用 4mm×4mm QFN16 小尺寸封裝，模塊集成了功率放大器、低噪聲放大器、收發切換開關、非平衡變壓器和邏輯電路等高性能模塊[6]。CC2530 射頻輸入/輸出端具有高阻抗、差分的特性，在設計終端節點時，使用巴倫天線的布線方式來作為非平衡變壓器，而CC2591內部本身就存在一個巴倫結構的非平衡變壓器和一個匹配網絡，由此可以實現CC2591 到 CC2530的無縫接口。

2.3 軟件設計

系統啟動后，首先進行初始化并由協調器組建ZigBee網絡，組建成功后，各節點將采集到的數據經過路由節點發送至協調器，然后傳至計算機，再保存在數據庫中，管理員可根據實際情況進行開關燈操作，由于使用了擴展/選擇電路，可以具體到每一盞燈。一般情況下系統處于自動控制狀態。教室節點在每天教室關閉后進入休眠狀態以降低功耗，在教室打開后進入工作狀態，微處理器輪詢各個燈的傳感器輸出端，根據各個燈的光照度和人員情況進行開關燈控制。如發生報警，如教室電流過高，則向監控中心發送報警信息以待確認和檢修。節點自動控制流程圖如圖2所示。

圖2 教室節點自動控制流程圖Fig.2 Automatic control flow ofclassroom node

本系統采用C/S模式，以Microsoft Visual Studio 2010為監控軟件開發平臺，C#語言編制，數據庫使用SQL Server 2008，上位機軟件主要功能是實時接收由串口傳遞的數據并加以分包、計算、處理、顯示以及保存，通過響應管理員指令，可對終端燈節點進行控制、配置、查詢。上位機主界面如圖3所示，主要功能包括：

圖3 教室監控界面Fig.3 Classroom monitoring interface

顯示與監控：實現對每個教室電壓、電流、功率等數據采集；可以按樓層選擇，查看當前功率、用電量、報警或故障；實現分區域開關及單燈開關的控制；

數據查詢：節點配置信息與各教室狀態信息均保存在數據庫中，方便管理員查詢歷史數據；并能形成電流、電壓等電量報表和運行日志報表；

參數配置：包括校正系統時間、設置zigbee節點短地址和各項報警參數，管理員設置好參數后，系統后臺將通過協調器發送到各個節點。

教室監控界面如圖3所示。

3 結論

此系統具有兩個顯著優勢：一是控制方便，監控中心能控制到具體的每一盞燈，每一盞燈的狀態也能在控制中心得到顯示，還可以根據實際需要提花靈活多樣的控制方案，以滿足不同的場景照明需要。當通信網絡某一節點故障時，其他節點不會受到影響，而故障節點還可以手動進行開關操作；二是成本低，只安裝兩個光感傳感器，用于采集實時外界光照度，全程采用無線通信，無需布線、易安裝且運行后無通信費用。本系統可以有效地實現教室照明系統科學高效的控制和資源整合，最終實現節能的目的，有著廣闊的應用前景。

[1] 無線龍.Zigbee無線網絡原理[M].北京：冶金工業出版社，2011.

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

[3] 江修波.ZigBee技術及其應用[J].低壓電器，2005(7)：27～33.

[4] 原羿，蘇鴻根.基于ZigBee技術的無線網絡應用研究[J]. 計算機應用與軟件，2004(6)：89～91.

[5] 熊志遠.基于Zigbee技術的路燈監控系統的研究[D].武漢：華中科技大學，2011.

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