基于ZIGBEE技术的智能调光系统

严彩鹏;覃广志;邹大琴;苏艳华;农大设

【摘 要】基于ZIGBEE技术的智能调光系统是一种基于ZIGBEE技术的可根据入射光强度调节白光LED灯亮度的系统.该技术有以下特点:高可靠性、低成本、低功率、高安全性及通信免费.该系统的主要工作原理是通过ZIGBEE技术使单灯通信节点之间形成自主网,从而实现节点信息互换,并有工控板对其进行分析和处理,将数据上传到远程监控中心,从而实现照明设备智能化光线调节,在给人们生活带来便利的同时能更好的节约能源. 【期刊名称】《大众科技》 【年(卷),期】2017(019)004 【总页数】3页(P3-4,22)

【关键词】ZIGBEE;光线调节;智能系统;通信 【作 者】严彩鹏;覃广志;邹大琴;苏艳华;农大设

【作者单位】桂林电子科技大学,广西桂林 541004;桂林电子科技大学,广西桂林 541004;桂林电子科技大学,广西桂林 541004;桂林电子科技大学,广西桂林 541004;桂林电子科技大学,广西桂林 541004 【正文语种】中 文 【中图分类】TP272

近年来，随着ZIGBEE无线技术的发展和广泛应用，于是提出了将ZIGBEE技术应用于照明设备光线调节控制，该控制方式不仅灵活，而且在通信上不需要考虑布线

问题，便于维护。同时与各种新型传感器、功率控制器等的结合，既可以实现根据入射光强度调节白光LED灯亮度，也可以针对单个照明设备的进行远程智能化控制，不但节约了大量人力，而且在大型照明网络中节约了大量的电力和能源，符合现代化发展需求。

相较于传统的有线通信与连接方式，无线通信方式的优点在系统安装调试与维护控制等方面都尤为突出。而ZIGBEE技术从诞生至今，已有相对较为成熟的规模和实用技术。

区别于时下主流的GSM、GPRS等广域无线通信技术和其他LAN技术，属于PAN范畴的ZIGBEE的有效通信距离在数十米的范围内，IEEE 02委员会制定的 PAN技术中，ZIGBEE技术属于更适合于无线控制和自动化应用较低速率的IEEE 802.15.4。其不仅传输时延短，激活时延与活动设备信道接入时延均仅15ms，而且还具备网络容量大的特点。例如星型结构的ZIGBEE网络最大可容纳254个从设备和1个主设备，在一个区域内最多可以同时存在100个独立且相互重叠覆盖的网络[1]。此外在功耗、网络信息量、安全与可靠性方面均得到了较高的认可。 结合智能调光系统中各节点之间需要的传输信息载量小、传输时延要求相对苛刻且节点数量多、组网多样化的需求特点，ZIGBEE均能较好地满足与契合。 系统在交互层面上主要采用C/S架构，在传输层面采用中控终端（Center& End Device）—协调与路由（Coordinator &Router）—节点（Node）的三级架构。其中，中控系统包括了感光自动控制系统和终端控制系统，而终端控制系统包括上位机和下位机两部分。当采用自动调光模式时，感光自动控制系统中的各对应区域的感光器收集到外部光照度信息后，将数据传输到处理中心后通过ZIGBEE网络自动下发到对应区域的二级架构路由，再由路由下发到对应区域三级架构终端。整个过程均为自动控制，且可根据具体需求进行分时段感光数据收集、异常低光照度数据报警与控制、自动实时控制等。当采用终端调光模式时，可由C/S中Client上

位机进行操作，通过下位机处理后下达至二级路由再分发直三级节点。本系统主要实现的是智能调光环节，对于其余可以基于ZIGBEE通信的控制功能不作赘述。 3.1 组网与通信

ZIGBEE组网中包含全功能设备 FFD（Full Function Device）和精简功能设备RFD（Reduced Function Device）。当全功能设备首次被激活后会自行建立一个网络，此时会将自身设置为一个PAN主协调器（Main Coordinator），即成为上述所提到的协调与路由的二级设备组成。RFD则不具有这一功能，故作为上述的三级设备组成节点。此后该FFD则可允许任何其他FFD和RFD入网。任何一个RFD都只能连接一个FFD，而任意一个FFD均可作为主协调器。

组网方式主要采用 Mesh网状结构。因其与簇状网络相比，网状网络的数据包会选择更短更优传输路径进行传输从而减少了某一单一 FFD节点负载过大而造成数据拥堵或时延增大[2]，减轻节点负担，提高稳定性，对比图1所示。

综合上述，组网示意图如图2所示。其中，A、B、C、D、E字母分别代表各自区域编号，包括路由和节点，虚线代表无线连接，实线则为有线连接，以下无其他声明的图例均一致。 3.2 调光过程

基于3.1的通信组网方案，整个调光过程则可如图3所示。

感光器收集到的光照信息经过数据处理通信模块，当光照强度大于或小于设定值时，则会通过ZIGBEE无线网络将信息传送到相应的协调器或对应区域路由器，再由路由器以最优路径发送到各对应区域节点，从而完成智能调光的整个过程。 4.1 模型实测分析

由于实际条件的限制，模型实测主要进行了调光系统通讯范围、组网可行性、组网延时、传输延时四个方面测试，得出数据分析。

实测模拟组网结构为Mesh网络结构，实测模型由10个包含ZIGBEE模块，9个

带电源的LED灯模拟实际照明设备上分别设置4个FFD和5个RFD，已安装设定程序上位机的PC机。组网结构如下图4所示。

实测地点选在桂林市七星区东二环路，在此路段两侧进行路由、节点布置如图5所示意。单侧两测试点间距均约为20m，路两侧间测试点直线距离约为24.5m，两侧斜对角测试点约为32.5m。

模型实测在正常天气情况条件下可得出并分析如下：（1）通讯范围。多组距离数值设定中，对比得出该系统中互相传输的ZIGBEE模块最远距离约为80.3m，小于任意两测试点实际距离最大值 32.5m，系统传输范围符合实际应用两节点间的实际要求。

（2）组网可行性与组网时延。自通电起至完成组网时间约为 2.1s，后可根据实际感光器感光数据进行正常通信实现调光。在以1个协调器、4个路由、5个节点以Mesh网络组网方式进行组网的情况下，并以模型机器进行实测时。该组网时延可接受。

（3）传输时延。在模拟中控终端处的感光器以较大范围影响其感光量时，能在0.1至0.3s内实现各模拟LED灯的实时光线调节，该传输时延已达到了实际工程应用要求。 4.2 市场应用分析

在路灯控制系统方面的应用，结合笔者在2016年9月于海南省海口市政工程维修公司中的调研与2016年4月于广西桂林市城市照明管理处的调研情况，可以了解到目前海口采用的路灯控制系统为电力载波控制，而桂林市试点了一部分基于GPRS的无线控制，但GPRS的控制方式反馈则为常出现通信不畅或节点在某些情况下常存在非在线情况。此外GPRS的无线控制还需要额外支付流量费用。 基于ZIGBEE技术的无线调光系统虽属于传输速率较低但其速率与载量均足够满足于调光信息的容量大小进行传输。此外，由于其能自由组网、自动选择最有传输路

径等特点更能适应当今多样化和复杂化程度极高的城市路灯网络。

在智能家居、智能化楼宇当中，基于ZIGBEE技术的智能调光系统的有效控制范围、完全免费的通信协议以及功耗极低等特点无疑是作为有此需求得自动控制和智能控制等领域应用更为有利的选择。

无论是智能建筑或智慧家居，还是工业产业或行业发展，通信技术与传感器等的结合来实现对智能自动控制的需求会越来越大，也是发展趋势之一。基于ZIGBEE技术的智能调光系统只是其中一个应用，也是切实可靠、具有代表性的项目之一。相信在未来的发展当中，这样的应用会如雨后春笋般涌出，也会有更多具有时代性的解决方案。

【相关文献】

[1]王权平,王莉.ZigBee技术及其应用[J].现代电信科技,2004 (1):33-37. [2]宁炳武.Zigbee网络组网研究与实现[D].大连:大连理工大学,2007.