社區路燈照明系統是智慧建築的一部分，但受制於佈線、成本等的問題，難以得以實施。隨著電腦技術的高速發展，無線網路技術越來越成熟，ZigBee 無線網路成本低、功耗低、傳輸距離遠等的特點，非常適合在無線路燈控制的應用。
本文在介紹了社區路燈照明系統的特點，結合ZigBee 組網技術，設計了一套ZigBee 無線網路技術的社區路燈照明系統的應用，通過實驗證明，該技術在社區路燈監控的可行性，具有一定的實用價值。
1. 引言
社區路燈照明系統是相對封閉的電力系統，它與街道、公路照明系統不同，由社區內部的電力系統控制。現代社區智慧建築控制，應當包含有社區路燈照明系統，使得社區照明更節能環保、更人性化、個性化，照明系統，由社區的電氣控制中心統一調控。
為了實現照明系統的統一控制，需要在照明路燈上加裝控制模組與通信功能，導致了成本的增加，使得遠端統一控制得不到廣泛的應用。
ZigBee 是一種基於2.4G 頻段的無線網路技術，它具有低功耗、傳輸距離遠、網路性強、成本低等的特點，非常適合於數據量不大、節點數多的網路控制，被廣泛應用於物聯網領域。本文設計一種基於無線傳感器技術的社區照明控制系統，在無需進行網路佈線的前提下，低成本實現集中統一控制社區內的路燈，使得社區的照明系統的智慧化得以實現。
2. 社區路燈照明系統
社區路燈照明是社區建設非常重要的一個部分，雖然同是照明系統，它與公共照明（如街道、廣場、公路等照明）不同，社區路燈照明屬於社區自主控制，消耗的電費也由社區業主承擔，因此社區照明需要考慮到個性化控制、節能、安防等因素。
另外，隨著人們生活水平的提高，人們對居住環境的要求也越來越高，居住的環境也成為了一種重要的休閒、放鬆、享受生活的重要場所，社區照明由以前的單純照明，演變成為一種景觀系統工程，人們追求的不僅僅是亮度上的主觀感受，更重要的是視覺、身心的一種享受。由此可見，社區照明系統並不能簡單地照搬普通的照明系統，個性化、節能環保，是現代社區設計的重要一環。
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隨著資訊行業和電腦產業的高速發展，智慧建築技術迅速發展，建築自動化、通信自動化、辦公自動化、家庭自動化等， 各種自動化系統不斷出現，現代小區使用最多最普遍的是安防系統、門禁系統、停車場系統等，社區內的照明系統卻應用的不多，原因主要是：社區的路燈照明系統接入智慧建築系統的通信媒介，大部分採用總線型與電力線載波，總線型需要鋪設網路通信線路，分布廣泛、佈線複雜，成本很高，若採用電力載波方式接入，雖然不用另外鋪設網路線路，但需要昂貴的調變解調設備，成本也難以降低 。
因此如何低成本地將社區的路燈照明系統，加入到社區的智慧建築控制系統中，是解決矛盾的關鍵。
3.ZigBee
ZigBee 是基於IEEE802.15.4 標準的低功耗局域網協議。它來源於蜜蜂的八字舞，由於蜜蜂（bee ）是靠飛翔和「嗡嗡」（zig ）地抖動翅膀的「舞蹈」，來與同伴傳遞花粉所在方位資訊。ZigBee 網路協議與其他無線網路協議相比，如表1 所示，有著顯著的特點。 藍牙與WIFI 技術速率高，但ZigBee 在傳輸距離、功耗、成本等方面有先天的優勢，特別適合於數據量低的傳感器與控制場合 。
3.1.ZigBee 技術概述
ZigBee 與IEEE 802.15.4 是基於標準的協議，它們為無線傳感器網路應用，提供所需的網路基礎設施。802.15.4 定義了物理層（PHY ）和媒體訪問層（MAC ），ZigBee 定義了網路層（NWK ）和應用層（API ），如圖1 所示［3 ］。由此可見，ZigBee 是一套非常完整的無線網路解決方案。
表 1.ZigBee 與其他無線網路協議
圖 1.ZigBee 與 IEEE802.15.4 網路架構圖
3.2.ZigBee 設備類型
ZigBee 網路包含2 種功能類型設備，3 種節點類型。功能類型有：全功能設備FFD （Full Function Device ）和精簡功能設備RFD （Reduced Function Device ）。顧名思義，全功能設備具有完整的協議功能，而精簡功能設備目的，是為了實現簡單的協議即可。3 種節點類型：協調器（ZC ）、路由器（ZR ）與終端設備（ZE ）。
全功能設備可以作為協調器、路由或者終端設備，精簡設備只能作為終端設備使用。全功能設備可以與任何設備通信，而精簡功能設備只能與全功能設備通信，不能與精簡功能設備互通。它們共同構成ZigBee 網路，如圖2 是ZigBee 的一種拓撲結構。
協調器的作用是啓動與控制網路，儲存關於網路的資訊。它也是網路的第一個設備。協調器選擇一個信道和一個網路ID （也稱之為PAN ID ，即Personal
Area Network ID ），隨後啓動整個網路。如果網路需要加密，密匙可存放在協調器，協調器的角色主要涉及網路的啓動和配置，一旦這些都完成後，協調器的工作就像一個路由器。
路由器的作用是擴展網路覆蓋面，在障礙周圍動態路由，並提供備份路由，以防止網路擁擠和設備失敗，它們可以聯繫到協調器與其他路由。
終端設備的作用是發送或接受一個資訊，但是不能執行任何路由操作，它們必須連接到協調器或路由器，終端設備是網路的最終端，因此不支持子設備。
3.3.ZigBee 網路
ZigBee 有3 種拓撲結構及2 種工作模式。3 種網路包括有：星形網路（Star network ）、樹狀網路（Cluster tree network ）和網狀網路（Mesh network ），拓撲如圖3 所示。
星形網路由一個協調器與多個終端設備組成，協調器位於網路中心，負責發起建立和維護整個網路。
圖 2.ZigBee 網路 的三種設備類型
圖 3.ZigBee 的三種網路 拓撲
星形網路的控制與同步比較簡單。
樹狀網路由一個協調器與一個，或者多個星形網路構成。很明顯，樹狀網路的拓撲空間很大，但是空間的增大，使得信號的傳輸延時會增加。
網狀網路由若干個FFD 構成骨幹網，它們之間是對等關係，每個節點都可以與其他節點對等通信。網路中所有具有路由功能的節點可以直接互聯，但它們中有一個會被推薦為協調器。實際上網狀網路是基於樹狀網路的基礎，由路由器的路由表配合實現網路路由。
網狀網路的特點是具有自恢復能力，數據路徑有多條選擇，當某條路徑故障，可以選擇其他路徑，因此它具有非常高的可靠性，但是樹狀網路需要更多的儲存空間。
ZigBee 有兩種工作模式：信標（beacon ）模式與非信標模式。信標模式規定了一種「超幀」的格式，在超幀的開始發送信標幀，各節點經過競爭方式、非競爭方式接入、非活躍時期與休眠狀態幾個時期，結束後等待下一個超幀週期的開始，又發送信標幀。
非信標模式則比較靈活，節點均以競爭方式接入信道，不需要週期性的發送信標幀。顯然，信標方式同步性能好，但這種同步網路的規模不能很大。
4. 基於ZigBee 技術的社區照明系統
4.1. 硬體設計
ZigBee 傳輸距離遠、功耗低、成本低等的特點，非常適合於社區路燈照明系統。硬體上參考TI 公司開發的ZigBee 專用CC2530 單片機的母版設計，終端設備使用BH1750FVI 數位光照傳感器，進行光照強度的數據採集，設計CC2530 還有繼電器輸出，用於驅動路燈的開關，電路如圖4 所示。
協調器與路由器也參考TI 母版電路，協調器在CC2530 串行口上，接入RS232 轉換晶片與服務器連接。
4.2. 軟體設計
使用IAR 開發平台與TI 公司的Z-stack 協議棧，該協議棧由TI 公司提供給用戶的一個，開放的ZigBee 網路開發包，是ZigBee 的一種具體實現，Z-Stack 包含了網狀網路拓撲的幾近於全功能的協議棧，用戶可以直接使用Z-stack 進行開發，其框架如圖5 所示。
Z-stack 已經將系統平台層與協議層封裝好了，用戶只需根據自己的網路與程序，對應用層進行修改，使得用戶的開發週期大大縮短，而且網路系統的可靠性得到了很好的保護。
圖 4. 終端設備電路圖
根據社區路燈照明系統的特點，系統採用網狀網路結構，路由根據路燈的分布情況，帶若干個終端設備，終端設備進行數據採集以及控制，路由設置在Z-stack 裡修改f8wConfig.cfg 文件進行設置，路由表大小設置MAX_RTG_ENTRIES ，按節點數10 ：1 進行設置，通信方式採用非信標模式。
另外，由於路燈系統本身有供電電源，因此ZigBee 模組使用路燈的電源，進行整流變壓供電，採用鋰電池作備用電源，當路燈電源線路出現故障斷電，ZigBee 模組可以使用鋰電池繼續進行工作，通過ZigBee 網路並將斷電故障信息上報至服務器。
4.3. 實驗
將ZigBee 模組按距離30 米路燈的間隔進行分布，如圖6 所示模擬路燈分布，佈置20 個終端設備對路燈進行光照強度的採集、供電信號的採集，並帶有繼電器控制輸出。按分布使用了6 個路由設備，協調器使用RS232 轉換晶片與PC 串行口進行通信，伺服器端使用VB 編寫終端監控軟體，顯示各個終端設備採集的資訊，發送繼電器閉合與斷開指令信號。在斷電的情況下，備用電池可以繼續維持單片機的供電，並將斷電資訊發送回PC 終端。
圖 5.Z-stack 協議棧框架
圖 6.ZigBee 技術的路燈控制網 路
表2. 路由丟包率性能測試
實驗顯示，20 個終端設備的採集資訊可以完整的顯示，繼電器閉合與斷開的指令，也能從伺服器端發送到終端設備，在路由測試上，分別對4 個路由進行故障性測試，實驗數據如表2 所示。由表2 數據可知，在傳輸速率不高的情況下，路由特性表現良好。
由實驗數據可知，使用ZigBee 網路進行社區路燈監控是可行的，在協調器端對數據進行打包可以與PC 、PLC 等控制器進行通信，因此可以接入到智慧建築控制系統中進行統一監控。
5. 總結
文設計了一種基於ZigBee 無線網路技術的社區路燈控制系統，實驗證明ZigBee 無線網路技術，在遠端監測路燈下的光照強度、斷路故障等資訊是可行的，具有一定的實用性，在協調器端與智慧建築系統的連接上，可以進行靈活的編程，以滿足監控系統的需求，因此，ZigBee 無線網路技術可以擴展到其他設備的監控上，大大減少了佈線的成本，無論是作為無線傳感器網路應用，還是智慧建築控制應用的推廣，具有一定意義。
