基于ZigBee技術的小區照明系統的設計

摘 要：傳統的小區照明系統存在能耗高、燈光照明效果不理想、管理復雜等問題，為此提出了基于ZigBee技術的小區照明系統。系統以ZigBee模塊為控制核心，連接光照傳感器、人體紅外傳感器、燈光照明設備等，通過光照傳感器采集小區環境的光照強度及是否有人等信息，自動控制燈光的開啟與關閉。系統分為自動模式和手動模式。在自動模式下，系統根據光照強度和是否有人進行判斷，自動打開或關閉照明設備。在手動模式下，單擊物聯網云平臺可視化界面中的燈具開關按鈕，實現手動控制燈光的開啟和關閉。系統可廣泛應用于小區中的多個場景中，如樓道、車庫、小區出入口、室外公共區域等，能有效降低能耗，提升照明效果，節約小區管理成本。

關鍵詞：ZigBee；光照傳感器；物聯網云平臺；嵌入式開發；照明系統；人體紅外傳感器

中圖分類號：TP273.05 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）02-0-04

0 引 言

隨著物聯網技術的發展和節能環保理念的興起，利用物聯網智能化技術對小區硬件設施進行改造越來越受到人們關注。小區硬件設施中的照明系統在業主生活中起著重要的作用。然而，傳統的小區照明系統存在能耗高、燈光照明效果不理想、管理復雜等問題，基于ZigBee技術的照明系統（以下簡稱為“照明系統”）通過無線通信和云平臺技術，可實現燈光的智能控制，為小區照明問題帶來了新的解決方案。照明系統中ZigBee終端模塊連接的光照傳感器、人體紅外傳感器，可以根據環境的光照強度及是否有人，實現智能化的能源管理，這不僅改善了照明效果，還降低了能耗。照明系統采用自組織網絡結構，具有較好的拓展性，可以添加和移除路由節點來調整網絡范圍，適應不同規模的小區場景。利用照明系統，小區管理員可以方便地對所有燈具進行集中管理，實時監測環境及照明狀態，大大提高了管理效率和便利性。

1 關鍵技術

ZigBee技術：ZigBee是一種低成本、低功耗、網絡容量較大的短距離無線通信技術，可在各類物聯網技術場景中廣泛應用。ZigBee基于IEEE 802.15.4標準，適用于周期性、間歇性和可重復的低時延數據傳輸，支持868 MHz、915 MHz和2.4 GHz的ISM頻段[1]。相比WiFi、藍牙等其他無線通信技術，ZigBee具備網絡配置簡單、拓撲結構靈活、數據傳輸可靠等優點。ZigBee網絡支持3種類型的網絡結構，分別為星型、網狀、樹狀。一個星型網絡結構最多可包含254個從設備、1個主設備。通過ZigBee技術，小區內的燈具及傳感器設備可以建立自組織網絡，相互通信，從而實現集中控制和智能化管理。

傳感器技術：傳感器技術在照明系統中起著重要作用。通過光照傳感器，可以實時感知環境光照強度的變化；通過人體紅外傳感器，可以獲悉當前環境是否有人，并將信息傳輸給控制器；燈具控制器根據傳感器反饋的數據，智能開啟或關閉燈光，以達到節能和舒適照明的目的。此外，還可以集成其他類型的傳感器，如聲控傳感器，用于感知環境聲音，實現多方位的照明控制。

云平臺技術：物聯網云平臺可以與設備通信，包括接收設備數據以及對設備下發命令[2]，是物聯網應用開發和管理的平臺。云平臺提供了一系列工具和服務，用于連接、收集、存儲、分析和管理物聯網設備數據，在一定程度上縮短了系統開發周期并降低了開發難度，同時提高了系統開發的實用性和可行性。目前常用的物聯網云平臺有阿里云物聯網平臺、微軟的Azure IoT平臺、小米IoT開發者平臺、華為物聯網平臺等。

2 系統總體設計

照明系統主要由感知層設備、網絡層設備和應用層設備組成，照明系統整體框架如圖1所示。

感知層設備由光照傳感器、人體紅外傳感器、執行器（控制器）和燈具組成。在整個系統中，傳感器負責采集、發送環境數據，執行器負責控制燈具的開啟或關閉。網絡層設備包括ZigBee協調器、ZigBee終端設備、路由器和交換機等，主要作用是連接感知層和上一層的網絡系統。網絡層采用的傳輸方式也是物聯網系統穩定運行的關鍵[3]。本系統中的網絡傳輸技術包括ZigBee網絡、以太網等，通過網絡傳輸技術實現數據的通信。應用層部分包括物聯網云平臺、應用程序等，能對上報的環境數據（光照強度、人體紅外狀態）進行判斷，決定是否開啟或關閉燈光。

3 系統設計與實現

3.1 ZigBee無線網絡設計

照明系統中用到的ZigBee模塊采用的是以CC2530為主控芯片的開發板。CC2530為建立無線網絡和數據處理的核心芯片，處理內存為256 KB，兼容ZigBee 2007/Pro協議，該模塊具備組網容易、功耗較低、網絡信號較強、抗干擾性較好的特點[4]。根據小區照明使用場景及后續拓展的需要，在設計ZigBee無線網絡中，均采用全功能型設備。全功能型設備相比精簡設備，除了具備精簡設備的數據發送和接收功能，還擁有更強的數據處理能力、更大的數據存儲空間，而且可以作為協調器、路由器來使用。在網絡結構設計方面，照明系統選擇樹狀拓撲結構。樹狀網絡由一個頂端協調器和若干終端節點、路由節點組成。整個網絡由協調器負責建立，協調器的子節點可以是路由節點或終端節點[5]。這種拓撲結構允許終端節點以多跳的方式進行數據通信，適用于小區中范圍較大、節點數量有限的場景，如樓道、地庫等。樹狀網絡拓撲結構如圖2所示。

3.2 設備組網及連接云平臺

可以利用ZigBee協議棧實現設備組網，通過調用ZigBee協議棧中的相關組網函數，并配置網絡參數來建立ZigBee網絡，實現終端設備、協調器、路由器之間數據的通信。在IAR Embedded Workbench開發環境下，使用協議棧進行ZigBee組網的具體步驟如下：

（1）配置協調器設備，包括網絡參數、選擇信道、設置安全密鑰等。通過調用協議棧提供的初始化函數來完成這些操作。

（2）啟動ZigBee協議棧完成對各類事件及任務的處理。

（3）加入終端設備并分配網絡地址。協調器接收處理終端設備發送的加入請求，并為每個終端設備分配唯一的網絡地址。

（4）路由配置。協調器根據網絡拓撲結構、信號強度等選擇最佳的路由路徑，實現數據在網絡中的傳輸。

（5）數據的發送和接收。網絡建立完成后，數據可以直接從終端設備發送到協調器，也可以通過路由進行中繼傳輸。

在配置網絡參數時要注意的是，PANID指網絡編號，用來區分不同的ZigBee網絡，在配置網絡標識符（PANID）時，如果定義為0xFFFF，則隨機產生PANID[6]，本例中PANID設置為0xAAAA。以IAR Embedded Workbench為開發環境，使用ZigBee協議棧組網的部分關鍵代碼如下：

ZDOInit（）;//初始化ZigBee協議棧

zgConfigPANID（0xAAAA）;//設置PANID

zgDefaultChannelList=CHANNEL_LIST_11_26;//設置信道

zgDefaultChannelListLen=sizeof（CHANNEL_LIST_11_26）;

zgDefaultStartingScan = MAC_SCAN_ACTIVE;//設置主動掃描

zgDefaultPermitJoinDuration=0xff;

zgSecurityMode=ZG_SECURITY_PRECONFIGURED;

//設置網絡參數

osal_memcpy（NIB_nwkNetworkKey， networkKey，SEC_KEY_LEN）;

ZDApp_Init（）;

NLME_SetCoordinator（TRUE）;

afRegister（callbacks）;//注冊回調函數

osal_start_system（）;//啟動ZigBee協議棧

switch（pMsg-gt;event）

{case APP_SEND_DATA_EVT：sendData（childAddr）;break;

//發送數據

case AF_DATA_CONFIRM_EVT：break;//數據發送確認處理

case AF_INCOMING_MSG_EVT：break;//接收到的數據處理

}

osal_msg_deallocate（pMsg）;

設備組網完成后，連接物聯網云平臺。連接云平臺的目的是將數據發送至云平臺，利用云平臺的策略功能實現燈具的自動控制。在照明系統中，使用的云平臺及網關設備均由新大陸科技有限公司提供。該平臺支持用戶及管理人員通過手機、平板、計算機等信息終端，實時掌握傳感設備數據，并可以手動/自動調整控制設備，使管理變得輕松簡單[7]。連接云平臺的具體步驟如下：

（1）將ZigBee協調器與網關設備連接，在網關中創建ZigBee連接器、傳感器和執行器。

（2）設置網關連接方式，運用CloudClient方式連接。

（3）設置TCP連接參數，包括云平臺域名、端口、設備標識、密鑰，如圖3所示。

（4）登錄新大陸物聯網云平臺，在開發設置中生成API密鑰。

（5）在開發者中心創建項目，在項目中添加設備。添加設備時選擇TCP通信協議并綁定設備（網關）標識。云平臺連接成功后，可以看到設備處于在線狀態，此時通過下發設備即可查看實時數據。本例中用光照傳感器、人體紅外傳感器以及兩組燈具進行模擬實驗。云平臺實時數據顯示界面如圖4所示。

3.3 燈具控制策略設計

在云平臺中，基于邏輯控制和策略管理功能，照明系統中的燈具可根據光照強度、人體紅外狀態等信息實現自動開啟或關閉。具體設計思路：根據實時獲取的光照強度及人體紅外狀態進行判斷。參考《城市道路照明設計標準》，當光照強度E=20 lx時，為小區道路的最低光照強度[8]，因此設置E≤20 lx，開啟燈光；當20 lxlt;E≤100 lx，且照明系統判斷有人時，開啟燈光；其余情況則關閉燈光。該策略的設計既能保證在最低光照環境下自動開燈，又能在昏暗環境下根據是否有人來決定開燈或關燈，同時能在光照充足的環境下自動關燈。燈光自動控制設計流程如圖5所示。

在云平臺策略管理中添加4條策略，分別為：

（1）E≤20 lx，開啟燈光；

（2）20 lxlt;E≤100 lx，且照明系統判斷有人時，開啟燈光；

（3）20 lxlt;E≤100 lx，且照明系統判斷無人時，關閉燈光；

（4）Egt;100 lx，關閉燈光。

將策略設置為啟用狀態，以實現燈具的智能化管理。策略設置界面如圖6所示。

此外，在小區一些人流密集的照明場景中，如室外過道、室外健身區，也可以脫離云平臺對ZigBee模塊進行單獨開發，實現光照和燈具之間的聯動。這種方式不僅能夠節省網絡資源，而且可以更靈活地在小區內進行布局。使用BasicRF通信協議，根據光照強度控制兩盞燈的開啟或關閉。其中，BasicRF由TI公司提供，它具備IEEE 802.15.4標準數據包的收發功能，還提供安全通信所使用的CCM-64身份驗證和數據加密服務，可為雙向無線通信提供安全、穩定的協議[9]。部分關鍵代碼如下：

//光照判斷及發送指令

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）;}

//燈具接收指令并執行

if（basicRfPacketIsReady（））

{basicRfReceive（amp;flag，1，NULL）;

if（flag==1）

{P2_0=1;}

else if

{flag==2}

{……}

else

{……}}

在新大陸物聯網實訓設備中，光照和燈具聯動測試如圖7所示。圖7（a）中，E≤20 lx，兩盞燈亮；圖7（b）中，20 lxlt;E≤100 lx，一盞燈亮；圖7（c）中，Egt;100 lx，兩盞燈滅。

4 結 語

基于ZigBee技術的小區照明系統通過新大陸物聯網云平臺，可以實現燈光的自動控制及手動控制，從而實現小區內燈光的控制和智能化管理。此外，通過在照明系統中增加路由節點，可以擴展系統的照明覆蓋范圍；通過ZigBee模塊的獨立開發、功能聯動，又能夠靈活地進行布局，具備良好的可擴展性和靈活性。同時，本設計能夠充分合理使用當地的人力資源以及能源，提升當地小區的智能化水平[10]。

參考文獻

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[7]新大陸物聯網云平臺開發文檔.平臺簡介[EB/OL].（2023-12-08）[2024-01-02]. http：//www.nlecloud.com/doc/.

[8]周楊小曉，謝懷建.淺析綠色照明、健康照明與住宅小區照明設計[J].住宅產業，2020（4）：57-61.

[9]王銘明.基于BasicRF的家居環境監測預警系統設計[J].現代電子技術，2013，36（24）：99-102.

[10]林超倫.基于ZigBee的智能小區LED路燈控制系統的研究與設計[J].電子世界，2019（21）：146.

作者簡介：孫振華（1984—），男，江蘇丹陽人，碩士，講師，主要從事物聯網技術、軟件設計、影視后期制作的研究。

收稿日期：2024-01-19 修回日期：2024-02-28