周揚帆
摘要:隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展,能源短缺問題日益突出,但是目前在很多高校教學(xué)樓普遍存在著室內(nèi)無人卻燈火通明的現(xiàn)象,造成了嚴(yán)重的資源浪費。文章提出采用ZigBee技術(shù)組建網(wǎng)絡(luò),介紹了ZigBee技術(shù)的相關(guān)知識,包括其協(xié)議結(jié)構(gòu)、優(yōu)勢、設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)及其選擇,以一棟教學(xué)樓為對象,提出了系統(tǒng)整體設(shè)計方案,對智慧燈光控制器和無線網(wǎng)關(guān)進行了設(shè)計,實現(xiàn)對教學(xué)樓照明系統(tǒng)的智慧控制。
關(guān)鍵詞:智慧控制;ZigBee;拓撲結(jié)構(gòu);物理設(shè)備;網(wǎng)關(guān)
中圖分類號:TP393 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1009-3044(2014)07-1608-03
教學(xué)樓照明是學(xué)校公共設(shè)施的重要組成部分,目前國內(nèi)的教學(xué)樓照明系統(tǒng)大部分沒有采用網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控管理,只能以樓層或教室為單位對照明設(shè)備進行簡單的開關(guān)燈控制,這樣的控制方法不能實時的獲得每盞電燈的狀況,也無法根據(jù)具體情況調(diào)整電燈亮度,不能有效的節(jié)省電能。本設(shè)計基于ZigBee無線通信協(xié)議,對教學(xué)樓的燈光實現(xiàn)智慧管理,從而達到節(jié)約電能的目的。
1 ZigBee的相關(guān)知識
ZigBee是一種新興的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),它具有距離短,成本低,功耗低,復(fù)雜度低,速率低,安全性能高等特點,其基礎(chǔ)是IEEE802.15.4。
1.1 ZigBee協(xié)議結(jié)構(gòu)
ZigBee協(xié)議只有OSI七層協(xié)議模型中的四層,包括物理層(PHY),媒介訪問控制層(MAC),網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用層(APL)。其中ZigBee聯(lián)盟負責(zé)制定網(wǎng)絡(luò)層以上的協(xié)議,IEEE制定物理層和媒介訪問控制層標(biāo)準(zhǔn),用戶自己編寫最高層應(yīng)用協(xié)議,如圖1所示。
其中物理層是協(xié)議的最底層,承擔(dān)與外界直接作用的任務(wù),主要是控制RF收發(fā)器工作。媒介訪問控制層是負責(zé)設(shè)備間無線數(shù)據(jù)鏈路的建立、維護和結(jié)束,確認數(shù)據(jù)的收發(fā)。網(wǎng)絡(luò)層的作用是建立新網(wǎng)絡(luò),保證數(shù)據(jù)的傳輸,對數(shù)據(jù)進行加密,保證數(shù)據(jù)的完成性。應(yīng)用層根據(jù)服務(wù)和需求使多個器件之間進行通信,具體應(yīng)用由用戶開發(fā)。
1.2 ZigBee的優(yōu)勢
ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用的是無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù),網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點間通信以一跳或多跳的形式自動建立網(wǎng)絡(luò),與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)相比,有以下優(yōu)勢:
1)功耗低:設(shè)備非常省電,發(fā)射功率僅為1mW,在待機模式下,兩節(jié)普通的5號電池就可以維持6-24個月左右。
2)速率低:其傳輸速率低只有10-250KB/s,協(xié)議簡單。
3)成本低:ZigBee芯片非常便宜,大概在10-20元左右,隨著以后的廣泛使用將會更便宜,且ZigBee協(xié)議是免費的。
4)容量大:一個ZigBee設(shè)備可與254臺節(jié)點設(shè)備連接,而加入節(jié)點的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納65000個設(shè)備,且組網(wǎng)靈活。
5)安全性高:ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權(quán)和認證,采用AES-128加密算法,各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。
6)可靠性高:ZigBee采取CSMA/CA的碰撞避免策略,同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙,避開發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。媒介訪問控制層采用完全確認數(shù)據(jù)傳輸模式,每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都須等待接收方的確認信息,若傳輸過程中出現(xiàn)問題可重發(fā)。
7)頻段靈活:ZigBee無線有3個頻段可使用,全世界通用2.4GHz,歐洲使用868MHz,美國使用915MHz,而不同頻段可使用的信道分別是16、1、10個,在中國采用2.4GH頻段,是免申請和免使用費的頻率。
8)自組織功能和自愈功能強:無需人工干預(yù),網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能感知其他節(jié)點的存在,并確定連接組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點有增加、刪除,位置發(fā)生變動,或發(fā)生故障等,網(wǎng)絡(luò)均能自我修復(fù),并對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進行調(diào)整,保證整個系統(tǒng)仍能正常工作。
1.3 ZigBee設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)
ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有兩種類型的物理設(shè)備,即全功能設(shè)備(FFD)和精簡功能設(shè)備(RFD)。全功能設(shè)備可與網(wǎng)絡(luò)中的任何設(shè)備通信,可存在于任何拓撲結(jié)構(gòu)中,是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的集中組織者、協(xié)調(diào)者,可以實現(xiàn)全部功能。精簡功能設(shè)備只能與主器件通信或通過一個全功能設(shè)備向外轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),只能實現(xiàn)部分功能。
根據(jù)ZigBee聯(lián)盟所設(shè)定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),按功能分其網(wǎng)絡(luò)設(shè)備劃分為協(xié)調(diào)器,路由器和終端設(shè)備。其中終端設(shè)備可以是全功能設(shè)備,也可以是精簡功能設(shè)備,但協(xié)調(diào)器和路由器必須是全功能設(shè)備。協(xié)調(diào)器在每個網(wǎng)絡(luò)中是唯一的,配置該網(wǎng)絡(luò)成員的地址,負責(zé)該網(wǎng)絡(luò)的建立和維護;路由器是中轉(zhuǎn)節(jié)點,負責(zé)選擇適當(dāng)?shù)闹凡⑥D(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù);終端設(shè)備只是負責(zé)發(fā)送和接收信息。
1)星型拓撲結(jié)構(gòu)
星型拓撲結(jié)構(gòu)由一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和若干個終端節(jié)點組成,它具有易組網(wǎng)、低成本、低能耗等優(yōu)點。但是可靠性差,若中心節(jié)點發(fā)生故障,則所有與中心節(jié)點相連的其他節(jié)點的通信就會中斷,因此星型拓撲結(jié)構(gòu)適合節(jié)點少、結(jié)構(gòu)簡單、小范圍的網(wǎng)絡(luò)。
2)樹型拓撲結(jié)構(gòu)
樹型拓撲結(jié)構(gòu)的傳感器節(jié)點串聯(lián)在一條或多條支路上,若中間節(jié)點發(fā)生故障,則部分節(jié)點就會失去連接,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)斷裂。
3)網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)
網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)的伸縮性好,可同時通過多條路由來傳輸數(shù)據(jù),傳輸可靠性高,允許路由,若某個節(jié)點發(fā)生故障,網(wǎng)絡(luò)會重新計算路由的新路徑,不影響網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點正常通信,具有自愈功能。
在星型拓撲結(jié)構(gòu)中無論是路由器或終端設(shè)備都是直接與協(xié)調(diào)器進行通信,協(xié)調(diào)器則負責(zé)運作與維護著整個網(wǎng)絡(luò);在樹型和網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)中,協(xié)調(diào)器負責(zé)初始化和建立網(wǎng)絡(luò)的操作,路由器則對網(wǎng)絡(luò)進行擴展,終端設(shè)備的信息由路由器進行轉(zhuǎn)發(fā),只不過在樹型拓撲結(jié)構(gòu)中終端間的信息交換只能通過一級級向上傳遞到協(xié)調(diào)器,再由協(xié)調(diào)器將信息分發(fā)下去。
1.4 拓撲結(jié)構(gòu)的選擇
教學(xué)樓屬于小型局域網(wǎng),一般情況下采用星型拓撲結(jié)構(gòu),以達到低成本、易連接、易擴充和管理的目的。教學(xué)樓內(nèi)部無線網(wǎng)絡(luò)連接距離(一般在100m以內(nèi))較短,小于ZigBee技術(shù)的最大傳輸距離,可以滿足教學(xué)樓網(wǎng)絡(luò)控制的需要。
2 系統(tǒng)整體設(shè)計方案
教學(xué)樓智慧照明控制系統(tǒng)是由一系列ZigBee終端節(jié)點和無線網(wǎng)關(guān)形成網(wǎng)絡(luò),每一個終端節(jié)點即一個智慧燈光控制器(包括教室燈光控制器和公共照明控制器)。智慧燈光控制器通過ZigBee控制網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)關(guān)相連接,無線網(wǎng)關(guān)通過IEEE802.11b/g接入以太網(wǎng),通過遠程WEB頁訪問,對教室電燈或樓道電燈的燈光亮度進行遠程控制和查詢。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
2.1 智慧燈光控制器的設(shè)計
在教室或樓道適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b智慧燈光控制器,用于實現(xiàn)對教室電燈或樓道公共照明燈具進行預(yù)設(shè)存儲和遠程控制等功能。智慧燈光控制器通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)終端通信。每個ZigBee單元都有唯一的64位MAC地址,網(wǎng)內(nèi)通信一般只使用16位的邏輯地址。各個單元都與無線網(wǎng)關(guān)進行通信,接收網(wǎng)關(guān)的命令,對教室電燈或樓道公共照明燈具進行控制。
智慧燈光控制器主要由微控制器、按鍵、顯示、電源、調(diào)試接口和射頻模塊幾部分組成。其中射頻模塊采用的是CC2420,因為它只需要很少的外圍器件,性能穩(wěn)定,功耗低,對信號的選擇性和敏感性都超過了IEEE802.15.4的要求,通信可靠且有效。芯片天線采用單極天線,天線采用PCB布線平衡方式實現(xiàn)。
智慧燈光控制器只負責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收,控制調(diào)光電路,管理終端設(shè)備,CC2420與PIC18LF4620的搭配芯片正是最佳的選擇。
2.2 無線網(wǎng)關(guān)的設(shè)計
無線網(wǎng)關(guān)主要實現(xiàn)教學(xué)樓內(nèi)外部網(wǎng)絡(luò)的連接、協(xié)議轉(zhuǎn)換以實現(xiàn)遠程控制,設(shè)計主要考慮實現(xiàn)Internet接入及TCP/IP與ZigBee協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。
無線網(wǎng)關(guān)設(shè)計分硬件和軟件兩個方面。硬件設(shè)計方面,采用ARM芯片加上其他功能模塊,軟件設(shè)計方面,移植μClinux操作系統(tǒng),并開發(fā)驅(qū)動程序、應(yīng)用程序。在網(wǎng)關(guān)上架設(shè)Web服務(wù)器與用戶進行通信,并通過CGI接口調(diào)用,實現(xiàn)對ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端智慧控制器的指定操作。
無線網(wǎng)關(guān)的硬件做如下安排:微控制單元選用飛利浦PLC2210(ARM7)芯片;系統(tǒng)使用兩組電源,內(nèi)核及片內(nèi)外設(shè)是1.8V,I/O是3.3V;擴展了4MB的RAM和16MB的FLASH;使用ARM的SPI1口,微處理器充當(dāng)SPI主器件,射頻收發(fā)器充當(dāng)從器件進行數(shù)據(jù)傳輸;以太網(wǎng)接口電路是以RTL8255接口,由IEEE802.11b/g接入Internet,采取16位總線訪問。
3 結(jié)束語
本校園照明系統(tǒng)基于ZigBee技術(shù),對教學(xué)樓的燈光實現(xiàn)智慧管理。系統(tǒng)配備了時鐘,若出現(xiàn)異常情況,系統(tǒng)就會自動記錄時間以及異常時的系統(tǒng)狀態(tài),為用戶查看和分析數(shù)據(jù)提供了方便;系統(tǒng)配備了液晶顯示設(shè)備,顯示屏使用字符型,使得顯示內(nèi)容豐富,界面友好,操作起來比較簡單。教學(xué)樓照明控制系統(tǒng)的投入運用,實現(xiàn)了節(jié)約能源、節(jié)省設(shè)備、適合現(xiàn)代化校園。
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