黃 強，余立建

(西南交通大學 信息科學與技術(shù)學院，四川 成都 610031)

隨著教育的發(fā)展，學校對硬件投入加大，校園照明系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)可以大大節(jié)省人力財力。當今無線通信技術(shù)、自動控制技術(shù)快速發(fā)展，為集中控制每一盞燈、遠程識別故障燈、測控各種電參數(shù)及選用多種控制策略為一體的教室智能照明控制系統(tǒng)提供了技術(shù)支撐。

1 ZigBee簡介

2009年濟南園博園已經(jīng)實現(xiàn)了小范圍內(nèi)基于ZigBee的路燈和景觀燈監(jiān)控，基于ZigBee技術(shù)的照明監(jiān)控系統(tǒng)將是未來照明監(jiān)控系統(tǒng)的一個主要發(fā)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(shù)[1]，目前在近距離無線網(wǎng)絡領(lǐng)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(wǎng)協(xié)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(jié)點實際傳輸距離根據(jù)發(fā)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(wǎng)，不僅能自組織，而且能夠自恢復，保證了系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。ZigBee實行嚴格的功率管理機制，主要通過降低收發(fā)信機的忙閑以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l率來降低開銷，例如關(guān)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(wǎng)的需要。

ZigBee 協(xié)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(wǎng)絡協(xié)調(diào)器設備。具備控制器的功能RFD 在網(wǎng)絡中通常作為終端節(jié)點，相互之間不能直接通信，只能與FFD或協(xié)調(diào)器通信。FFD除具有RFD功能外，一般可用作網(wǎng)絡路由節(jié)點。網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器實際上是FFD的一種，只是擁有更多的計算能力和系統(tǒng)資源，它在網(wǎng)絡組建中擔任協(xié)調(diào)者，負責建立網(wǎng)絡，并與其它的FFD或RFD連接。

2 系統(tǒng)設計

2.1 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

Zigbee網(wǎng)絡支持三種拓撲結(jié)構(gòu)：星型、樹狀型、網(wǎng)狀型[4]。在星型結(jié)構(gòu)中協(xié)調(diào)器在中心發(fā)揮協(xié)調(diào)作用，所有節(jié)點只與協(xié)調(diào)器通信，其它節(jié)點可以是FFD，也可以是 RFD；在樹狀型網(wǎng)絡中有多個FFD和RFD，遠距離終端節(jié)點只能經(jīng)過FFD路由才能與協(xié)調(diào)器通信；在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中存在多個路由節(jié)點和終端節(jié)點，任意兩個路由節(jié)點可互相通信，終端節(jié)點則只能經(jīng)路由節(jié)點與協(xié)調(diào)器通信。

由于教學樓內(nèi)環(huán)境相對復雜，信號遮擋較多，呈現(xiàn)出空間立體特點，故采用網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)進行組網(wǎng)。為了能夠保證zigbee網(wǎng)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(jié)點，以此來實現(xiàn)兩層樓之間的路由。以每間教室為單元，設置一個路由節(jié)點，這樣避免一個教室出現(xiàn)故障而導致整個網(wǎng)絡癱瘓的現(xiàn)象，在距離協(xié)調(diào)器最近端和最遠端的教室可以設置RFD節(jié)點。為避免信號因穿墻而減弱，可以將節(jié)點模塊安裝在教室外墻，該節(jié)點通過擴展與各個燈組的傳感器和繼電器進行連接。

監(jiān)控中心由計算機和協(xié)調(diào)器組成，具有遙測、遙控、存儲和管理數(shù)據(jù)功能，可以對整個教學樓照明系統(tǒng)進行實時監(jiān)控。協(xié)調(diào)器主要負責建立、管理和維護網(wǎng)絡，同時接收各個路由節(jié)點的信息，然后通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)給計算機，在計算機終端顯示實時狀況并發(fā)送控制命令。路由節(jié)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(jié)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(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 教室節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(wǎng)絡節(jié)點[5]。芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了一個8051微處理器與高性能RF收發(fā)器，并集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換、ZigBee射頻前端、定時器等模塊。系統(tǒng)內(nèi)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(zhuǎn)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(xiàn)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(jié)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(jù)檢測到的是否有人和自然光光照度來進行開關(guān)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(nèi)傳輸時對發(fā)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(jié)點距離很近，但是在轉(zhuǎn)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(fā)切換開關(guān)、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(jié)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(nèi)部本身就存在一個巴倫結(jié)構(gòu)的非平衡變壓器和一個匹配網(wǎng)絡，由此可以實現(xiàn)CC2591 到 CC2530的無縫接口。

2.3 軟件設計

系統(tǒng)啟動后，首先進行初始化并由協(xié)調(diào)器組建ZigBee網(wǎng)絡，組建成功后，各節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過路由節(jié)點發(fā)送至協(xié)調(diào)器，然后傳至計算機，再保存在數(shù)據(jù)庫中，管理員可根據(jù)實際情況進行開關(guān)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(tǒng)處于自動控制狀態(tài)。教室節(jié)點在每天教室關(guān)閉后進入休眠狀態(tài)以降低功耗，在教室打開后進入工作狀態(tài)，微處理器輪詢各個燈的傳感器輸出端，根據(jù)各個燈的光照度和人員情況進行開關(guān)燈控制。如發(fā)生報警，如教室電流過高，則向監(jiān)控中心發(fā)送報警信息以待確認和檢修。節(jié)點自動控制流程圖如圖2所示。

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

本系統(tǒng)采用C/S模式，以Microsoft Visual Studio 2010為監(jiān)控軟件開發(fā)平臺，C#語言編制，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jié)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(jiān)控界面Fig.3 Classroom monitoring interface

顯示與監(jiān)控：實現(xiàn)對每個教室電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)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(xiàn)分區(qū)域開關(guān)及單燈開關(guān)的控制；

數(shù)據(jù)查詢：節(jié)點配置信息與各教室狀態(tài)信息均保存在數(shù)據(jù)庫中，方便管理員查詢歷史數(shù)據(jù)；并能形成電流、電壓等電量報表和運行日志報表；

參數(shù)配置：包括校正系統(tǒng)時間、設置zigbee節(jié)點短地址和各項報警參數(shù)，管理員設置好參數(shù)后，系統(tǒng)后臺將通過協(xié)調(diào)器發(fā)送到各個節(jié)點。

教室監(jiān)控界面如圖3所示。

3 結(jié)論

此系統(tǒng)具有兩個顯著優(yōu)勢：一是控制方便，監(jiān)控中心能控制到具體的每一盞燈，每一盞燈的狀態(tài)也能在控制中心得到顯示，還可以根據(jù)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(wǎng)絡某一節(jié)點故障時，其他節(jié)點不會受到影響，而故障節(jié)點還可以手動進行開關(guān)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(tǒng)可以有效地實現(xiàn)教室照明系統(tǒng)科學高效的控制和資源整合，最終實現(xiàn)節(jié)能的目的，有著廣闊的應用前景。

[1] 無線龍.Zigbee無線網(wǎng)絡原理[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2011.

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

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

[4] 原羿，蘇鴻根.基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)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(shù)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)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.