基于ZigBeeLightLink的樓宇照明系統設計

摘 要： 傳統的樓宇照明系統大部分采取有線網絡，存在安裝不易，靈活性低，能源消耗大等問題。針對該問題設計了一種基于ZigBee Light Link的樓宇照明系統。系統由智能燈、遙控器、無線網關、監控中心、查詢控制器等五部分構成。其中，智能燈與遙控器和無線網關的連接符合ZigBee Light Link標準，無線網關與監控中心通過有線方式連接，監控中心通過以太網或WiFi與查詢控制器連接。該系統能對整個樓宇的照明進行綜合統一管理，實現節約能源、安全穩定、舒適便捷的樓宇照明系統。

關鍵詞： 智能照明； 遙控器； 無線網關； ZigBee Light Link

中圖分類號： TN081?34； TM923 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）19?0001?05

Abstract： The traditional building lighting system mostly uses the wired network， and exists the problems of difficult installation， low flexibility， and large energy consumption. Aiming at these problems， a building lighting system based on ZigBee Light Link was designed. The system is composed of intelligent light， remote controller， wireless gateway， monitoring center and query controller. The connection of intelligent light with remote controller and wireless gateway meets the ZigBee Light Link Standard. The wireless gateway and monitoring center are connected with the wired mode， and the monitoring center is connected to the query controller through Ethernet or WiFi. The system can manage the whole building lighting comprehensively， and realize a building lighting system with energy saving， safety， stability， convenience and comfort.

Keywords： intelligent lighting； remote controller； wireless gateway； ZigBee Light Link

0 引 言

隨著計算機技術和通信技術的高速發展，智能建筑、智能小區、智能家居等應運而生，樓宇自動化、家居自動化、控制自動化等各類自動化系統不斷出現，使得傳統的照明系統受到了極大的沖擊，越來越不適應時代的需要，也不滿足當今社會低碳節能的要求[1]。現代照明系統的發展方向不能僅局限于實現基本照明，還應該能夠滿足不同消費者、不同環境、不同時間對照明的氛圍、亮度、色彩以及節能等方面的需求[2?4]。

現有的樓宇照明設計中，一般使用傳統的設計方法或在設計中簡單的串聯樓宇自控系統，其安裝操作復雜、線路布局繁瑣且不滿足低碳環保的要求。根據統計，現在建筑中照明對于能源的消耗已經高達35%，而且逐年增加，因此節能照明受到各行各業的廣泛重視，推出的各種節能照明燈具也起到了一定的節能效果，但是由于管理不善、操作不當等原因造成照明燈具更換頻繁，使用戶處于一種節能不節錢的尷尬狀況[5?7]。本文設計的系統能對整個樓宇的照明進行綜合統一管理，采用國際標準ZLL協議，實現對燈具的開關、亮度及顏色的無線智能控制，也可以通過預設命令自動控制燈具。從而實現節約能源、安全可靠、健康穩定、舒適便捷的樓宇照明系統，對樓宇節能照明和樓宇智能化的發展具有重要意義。

1 系統組成

本系統采用ZigBee無線網絡技術，與有線網絡相比具有無需布線、布局靈活、維護簡單等優點。同時，由于ZigBee特有的低成本、低功耗、傳輸距離較遠、支持多節點網絡、可以自由組網且不產生運營費用等技術優勢，故選擇將其應用于本樓宇照明控制系統[8?9]。系統由智能燈、遙控器、無線網關、監控主機、查詢控制器等五部分組成。其中，智能燈采集節點數據并傳送給無線網關，通過自組通信網絡完成數據傳輸，實現燈光的最優控制，從而提供節能、舒適、智能、便捷的樓宇生活、工作環境。系統結構框圖如圖1所示。

本系統的智能燈與遙控器和無線網關均采用ZigBee Light Link （ZLL）標準，ZLL標準深化了ZigBee無線技術在智能照明領域的推廣和發展，為用戶提供了高效靈活易用的照明方案[10]。ZLL是一項基于ZigBee的全球無線標準的應用層標準，該標準對燈具和開關設備進行了專業的定義，對燈具種類和特性進行了擴展，定義了包括LED調光、LED彩色調節等特色功能。同時，ZLL標準定義了通過便捷的按鍵操作就能完成系統的組建和控制。ZLL協議棧的組成如圖2所示。

采用該項標準生產的燈具、遙控器與開關能方便地接入網絡，實現相互間的控制操作。只要是符合ZLL標準的燈具和開關，通過簡單的操作就能實現無線照明系統的組建和控制，有效地解決了單個照明產品與其他產品的兼容性問題[11]。傳統的ZigBee網絡的安全機制依賴于協調器，而ZLL組建的網絡以分布式方式構成和運作，不需要路由節點管理網絡和通信，只包括燈設備和開關設備兩大類，使系統易于安裝和維護，并且由于不存在單一故障點，因此系統十分安全可靠。

2 系統硬件設計

2.1 智能燈的設計

智能燈作為ZigBee無線網絡設備節點，符合ZLL標準，主要功能是照明，具有路由、開關控制、亮度控制、顏色控制及用電信息采集等功能，可通過ZigBee無線方式與遙控器、無線網關或其他智能燈進行信息交互。

智能燈的結構如圖3所示，主要包括直流電源單元、用電信息采集單元、傳感器單元、ZigBee模塊、恒流驅動等部分。傳感器單元由光強傳感器和人體紅外傳感器組成，可以采集環境光照強弱和是否有人等信息，并將采集到的信息傳遞給ZigBee模塊，無線網關根據這些信息發送相應指令，通過控制電路對照明設備進行開關、亮度、顏色的操作，實現智能照明控制[12]。ZigBee模塊與其他ZigBee設備進行信息交互并負責輸出相應四路PWM信號，恒流驅動單元根據PWM信號控制輸出恒定電流，驅動紅、綠、藍、白四色LED發光，合成不同顏色效果，根據PWM信號的大小控制燈具的開、關、亮度和顏色。

2.2 遙控器的設計

遙控器作為ZigBee無線網絡終端節點，符合ZLL標準，通過ZigBee無線方式控制智能燈的開關、亮度和顏色等。

遙控器的結構如圖4所示，主要包括干電池單元、ZigBee模塊、控制面板單元等三部分。ZigBee模塊與智能燈進行信息交互，并檢測控制面板按鍵情況，通過相應按鍵，觸發調整燈具的開、關、亮度、顏色等控制信號。

2.3 無線網關的設計

無線網關作為ZigBee無線網絡協調器節點，符合ZLL標準。無線網關是整個系統的核心，負責ZigBee無線傳感器網絡的組網、接收網絡中其他節點的數據以及向其他節點發送數據。

無線網關的結構如圖5所示，主要包括電源單元、以太網接口、ARM芯片、ZigBee模塊等四部分。ARM控制芯片采用TCP/IP協議，通過以太網連接上位機，實現外部網絡連接與ZigBee模塊之間串口通信。同時，在ARM控制芯片中搭建嵌入式系統服務器，在上位機客戶端通過連接服務器IP地址訪問服務器，實現對照明系統的配置和控制。無線傳感器網絡中的節點由ZigBee模塊和功能模塊通過模塊化組合搭建，可實現對智能燈的控制和光照信息的采集。

3 系統軟件設計

3.1 終端節點程序設計

終端節點上電后，系統先進行初始化工作， 然后搜索網絡，發送加入網絡信號。加入網絡成功后，終端節點上報自身的設備信息，等待網絡中的協調器給自身分配網絡地址。終端節點加入成功后即進入監控狀態，當收到協調器或遙控器的控制信號時執行相應的命令，通過輸出不同的PWM值控制智能燈的開關、顏色、亮度。為了減少智能燈的電量消耗，并保證提供安全穩定的照明，通過終端節點上的設備類型和配置信息分別讓智能燈以休眠，周期喚醒或持續工作的模式運行。終端節點的程序流程圖如圖6所示。

3.2 無線網關程序設計

無線網關上電后，系統先進行初始化，協調器進行信道掃描、設置PANID、等待終端節點加入等一系列工作，完成ZigBee網絡的建立。

網絡建立完成后，進入無線監控狀態，網關依次掃描是否有信號加入、是否有遙控指令、是否進入自動控制模式、是否有接收ZigBee網絡數據，并根據不同的模式分別執行相應的程序。當用戶通過上位機或移動客戶端登錄訪問網關服務器時，服務器獲得訪問信息并進行處理，將信息轉換成能夠在ZigBee網絡傳輸并識別的數據幀，不同數據幀能匹配相應的節點，這樣就可以把控制信息傳遞到節點，實現對相應設備的控制[13]。當網關從ZigBee網絡中接收到智能燈傳感器單元或遙控器發送來的數據，根據預設的命令控制燈光的開關、顏色、亮度等一些情景模式。網關程序流程圖如圖7所示。

3.3 人機交互程序設計

人機交互程序設計包括上位機和查詢控制器程序設計。上位機是基于VC++面向對象與可視化軟件開發平臺開發的相應監測控制軟件，其能夠對所有智能燈進行綜合統一管理，對所有智能燈的運行狀態進行監測、控制、存儲，記錄各智能燈的用電信息，接收查詢控制器的狀態查詢命令和控制命令，通過無線網關執行控制命令等功能。上位機流程圖如圖8所示。

上位機控制界面如圖9所示，當上位機軟件運行時，首先獲取服務器IP，建立網絡連接。然后，通過上位機與協調節點之間的數據傳輸、校驗以及上位機與手機、平板之間的數據傳輸就可以進行數據處理實現對智能燈的控制。查詢控制器即手機、平板等移動設備，可以對智能燈進行狀態查詢與控制，包括智能燈的開關、亮度、顏色、設置情景模式等。

4 實驗測試

4.1 實驗設計

選取某個實驗室布置一套簡單的演示系統進行現場測試。本測試系統包括5個智能燈、1個網關、1個遙控器、1臺上位機，對該系統所有功能進行測試和檢驗，所有節點組成一個ZLL標準無線傳感器網絡，其中，無線網關作為協調器，LED燈連接在終端設備上，無需路由節點。系統拓撲圖如圖10所示。

本系統主要包括四方面的測試：通過人為模擬不同場景，測試系統工作是否正常；測試在室內ZigBee網絡中節點的通信距離與節點布置高度和室內有無障礙物之間的關系；測試當有ZLL標準節點加入網絡時能否成功組網；測試當智能燈數量較多、地形較復雜時系統是否可靠。

4.2 實驗結果

測試幾種常用功能：開關、顏色變化、亮度變化、閃爍、場景設置。通過上位機登錄系統，連接網關服務器成功后，可以對網絡中的照明燈單個分別進行控制，也可以把所有的照明燈作為一個整體同時進行控制；系統還可以設置成自動控制模式，由協調器根據光照傳感器和紅外傳感器采集的亮度信息和是否有人活動的信息，自動發送控制命令，完成對所有照明燈的控制。實驗測試如圖11所示。

選取一個無線網關和一盞智能燈來測試節點的通信距離。當無線網關正常工作時，讓該智能燈加入網絡，通過上位機給智能燈發送控制命令，不斷改變智能燈與網關的距離，每移動一次記錄實驗結果，當智能燈無法響應上位機的命令時停止；然后將網關和智能燈分別放在一堵墻的兩側重復上述實驗。實驗的目的就是找出不同條件下節點之間的通信距離。實驗結果如圖12所示。

符合ZLL標準的燈具和遙控器均能成功加入網絡，完成組網和控制，遙控器各按鍵功能測試正常，響應結果與預設完全一致。

由于實驗成本有限，智能燈數量無法足夠多，各種情形無法全部滿足。經過測試，一個無線網關能控制20盞燈正常工作，當超過20盞會有少數無法加入網絡，可以預見當智能燈數量超過20盞需要增加網關數量才能保證系統正常工作；當樓宇只放置一個無線網關，每樓層不同位置放置一定數量智能燈，與網關相距一層樓以上或者中間障礙物較多時，無法加入網絡，考慮到實際情況，當網關和智能燈位于同一樓層且障礙物較少時可保證正常工作，系統可靠性較高。

4.3 實驗分析

通過實驗可知，本系統能對樓宇照明進行統一管理，智能控制所有燈具的照明，操作友好、便捷。由圖12可以看出，節點的通信距離與節點放置的高度有關。節點之間的通信距離隨節點放置的高度增加而增加，但當放置高度達到一定高度時，通信距離增加就不明顯了。當節點之間有墻壁或其他障礙物阻擋時，最大通信距離比在無障礙物時的通信距離小很多，但也能保證正常通信，說明節點有一定穿透障礙物通信的能力。當樓宇障礙物較少、布置燈具適量時，每層布置一兩個網關就能保證工作，系統可靠性高，能夠滿足無線照明系統在樓宇中的應用要求。

5 結 語

與傳統照明控制相比，基于ZigBee Light Link的智能照明控制系統功能強、范圍廣、自動化程度高，實現照明的智能化管理，不僅能提高工作效率，節約能源，而且減少了維護費用，延長燈具使用壽命。本系統基于ZLL標準的樓宇智能照明系統目前主要應用在家居、辦公、公共設施等領域，可以對樓宇照明進行統一管理，并可對所有燈具的用電信息進行監測并存儲，還可以通過各種移動設備、遙控器等實現對燈具的開關、亮度及顏色的無線智能查詢和控制，具有節能、安全、可靠、舒適、便捷等優點。該系統在提高樓宇智能化管理控制方面具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1] 張啟明.基于ZigBee的智能照明系統的設計[D].武漢：武漢理工大學，2010.

[2] 崔陽，張維華，白云峰.一種基于Arduino的智能家居控制系統[J].電子技術應用，2014，40（4）：123?125.

[3] 陶小環，賈睿新.論樓宇智能照明控制系統的應用與研究[J].中小企業管理與科技，2011（2）：265?266.

[4] 劉沁，張乘風，劉啟能.綠色照明設計中照度計算的解析方法[J].照明工程學報，2010（6）：9.

[5] 陳功.樓宇智能照明控制設計與實現[D].成都：電子科技大學，2014.

[6] 李鑫，毛陸虹，王巍，等.基于ZigBee網絡的無線智能照明系統設計[J].微型機與應用，2010（5）：16.

[7] 高立兵，馬殷元.基于射頻技術的無線網絡校園照明智能控制系統[J].科學技術與工程，2010，10（1）：259?262.

[8] 潘赟.采用CC2530硬件平臺實現無線燈光控制[J].信陽農業高等專科學校學報，2013，23（3）：112?114.

[9] 李智，涂亮，孫先松.基于ZigBee技術的智能照明系統設計[J].物聯網技術，2012，2（4）：29?32.

[10] 聶佳，沈克鎮，胡憲立.基于ZigBee Light Link的智能照明系統的研究與應用[J].現代建筑電氣，2013（10）：34?35.

[11] 宿為民.ZigBee Light Link技術及其密鑰管理機制[J].信息技術與標準化，2013（7）：38?39.

[12] 孫長偉，王艷春.基于ZigBee的無線智能照明系統設計[J].赤峰學院學報（自然科學版），2012，28（4）：47?49.

[13] 申浚.基于ZigBee的室內智能照明系統設計[J].數字技術與應用，2012（3）：149?150.