基于ZigBee Light Link的楼宇照明系统设计

谭志强，杨俊杰，楼志斌，魏春娟

（1.上海电力学院 电子与信息工程学院，上海　200090；2.上海科学院，上海　201203）

基于ZigBee Light Link的楼宇照明系统设计

谭志强1，杨俊杰1，楼志斌2，魏春娟1

（1.上海电力学院 电子与信息工程学院，上海200090；2.上海科学院，上海201203）

传统的楼宇照明系统大部分采取有线网络，存在安装不易，灵活性低，能源消耗大等问题。针对该问题设计了一种基于ZigBee Light Link的楼宇照明系统。系统由智能灯、遥控器、无线网关、监控中心、查询控制器等五部分构成。其中，智能灯与遥控器和无线网关的连接符合ZigBee Light Link标准，无线网关与监控中心通过有线方式连接，监控中心通过以太网或WiFi与查询控制器连接。该系统能对整个楼宇的照明进行综合统一管理，实现节约能源、安全稳定、舒适便捷的楼宇照明系统。

智能照明；遥控器；无线网关；ZigBee Light Link

0　引　言

随着计算机技术和通信技术的高速发展，智能建筑、智能小区、智能家居等应运而生，楼宇自动化、家居自动化、控制自动化等各类自动化系统不断出现，使得传统的照明系统受到了极大的冲击，越来越不适应时代的需要，也不满足当今社会低碳节能的要求［1］。现代照明系统的发展方向不能仅局限于实现基本照明，还应该能够满足不同消费者、不同环境、不同时间对照明的氛围、亮度、色彩以及节能等方面的需求［2-4］。

现有的楼宇照明设计中，一般使用传统的设计方法或在设计中简单的串联楼宇自控系统，其安装操作复杂、线路布局繁琐且不满足低碳环保的要求。根据统计，现在建筑中照明对于能源的消耗已经高达35%，而且逐年增加，因此节能照明受到各行各业的广泛重视，推出的各种节能照明灯具也起到了一定的节能效果，但是由于管理不善、操作不当等原因造成照明灯具更换频繁，使用户处于一种节能不节钱的尴尬状况［5-7］。本文设计的系统能对整个楼宇的照明进行综合统一管理，采用国际标准ZLL协议，实现对灯具的开关、亮度及颜色的无线智能控制，也可以通过预设命令自动控制灯具。从而实现节约能源、安全可靠、健康稳定、舒适便捷的楼宇照明系统，对楼宇节能照明和楼宇智能化的发展具有重要意义。

1　系统组成

本系统采用ZigBee无线网络技术，与有线网络相比具有无需布线、布局灵活、维护简单等优点。同时，由于ZigBee特有的低成本、低功耗、传输距离较远、支持多节点网络、可以自由组网且不产生运营费用等技术优势，故选择将其应用于本楼宇照明控制系统［8-9］。系统由智能灯、遥控器、无线网关、监控主机、查询控制器等五部分组成。其中，智能灯采集节点数据并传送给无线网关，通过自组通信网络完成数据传输，实现灯光的最优控制，从而提供节能、舒适、智能、便捷的楼宇生活、工作环境。系统结构框图如图1所示。

图1　系统结构框图

本系统的智能灯与遥控器和无线网关均采用ZigBee Light Link（ZLL）标准，ZLL标准深化了ZigBee无线技术在智能照明领域的推广和发展，为用户提供了高效灵活易用的照明方案［10］。ZLL是一项基于ZigBee的全球无线标准的应用层标准，该标准对灯具和开关设备进行了专业的定义，对灯具种类和特性进行了扩展，定义了包括LED调光、LED彩色调节等特色功能。同时，ZLL标准定义了通过便捷的按键操作就能完成系统的组建和控制。ZLL协议栈的组成如图2所示。

图2　ZLL协议栈组成

采用该项标准生产的灯具、遥控器与开关能方便地接入网络，实现相互间的控制操作。只要是符合ZLL标准的灯具和开关，通过简单的操作就能实现无线照明系统的组建和控制，有效地解决了单个照明产品与其他产品的兼容性问题［11］。传统的ZigBee网络的安全机制依赖于协调器，而ZLL组建的网络以分布式方式构成和运作，不需要路由节点管理网络和通信，只包括灯设备和开关设备两大类，使系统易于安装和维护，并且由于不存在单一故障点，因此系统十分安全可靠。

2　系统硬件设计

2.1智能灯的设计

智能灯作为ZigBee无线网络设备节点，符合ZLL标准，主要功能是照明，具有路由、开关控制、亮度控制、颜色控制及用电信息采集等功能，可通过ZigBee无线方式与遥控器、无线网关或其他智能灯进行信息交互。

智能灯的结构如图3所示，主要包括直流电源单元、用电信息采集单元、传感器单元、ZigBee模块、恒流驱动等部分。传感器单元由光强传感器和人体红外传感器组成，可以采集环境光照强弱和是否有人等信息，并将采集到的信息传递给ZigBee模块，无线网关根据这些信息发送相应指令，通过控制电路对照明设备进行开关、亮度、颜色的操作，实现智能照明控制［12］。ZigBee模块与其他ZigBee设备进行信息交互并负责输出相应四路PWM信号，恒流驱动单元根据PWM信号控制输出恒定电流，驱动红、绿、蓝、白四色LED发光，合成不同颜色效果，根据PWM信号的大小控制灯具的开、关、亮度和颜色。

图3　智能灯结构图

2.2遥控器的设计

遥控器作为ZigBee无线网络终端节点，符合ZLL标准，通过ZigBee无线方式控制智能灯的开关、亮度和颜色等。

遥控器的结构如图4所示，主要包括干电池单元、ZigBee模块、控制面板单元等三部分。ZigBee模块与智能灯进行信息交互，并检测控制面板按键情况，通过相应按键，触发调整灯具的开、关、亮度、颜色等控制信号。

图4　遥控器结构图

2.3无线网关的设计

无线网关作为ZigBee无线网络协调器节点，符合ZLL标准。无线网关是整个系统的核心，负责ZigBee无线传感器网络的组网、接收网络中其他节点的数据以及向其他节点发送数据。

无线网关的结构如图5所示，主要包括电源单元、以太网接口、ARM芯片、ZigBee模块等四部分。ARM控制芯片采用TCP/IP协议，通过以太网连接上位机，实现外部网络连接与ZigBee模块之间串口通信。同时，在ARM控制芯片中搭建嵌入式系统服务器，在上位机客户端通过连接服务器IP地址访问服务器，实现对照明系统的配置和控制。无线传感器网络中的节点由Zig-Bee模块和功能模块通过模块化组合搭建，可实现对智能灯的控制和光照信息的采集。

图5　无线网关结构图

3　系统软件设计

3.1终端节点程序设计

终端节点上电后，系统先进行初始化工作，然后搜索网络，发送加入网络信号。加入网络成功后，终端节点上报自身的设备信息，等待网络中的协调器给自身分配网络地址。终端节点加入成功后即进入监控状态，当收到协调器或遥控器的控制信号时执行相应的命令，通过输出不同的PWM值控制智能灯的开关、颜色、亮度。为了减少智能灯的电量消耗，并保证提供安全稳定的照明，通过终端节点上的设备类型和配置信息分别让智能灯以休眠，周期唤醒或持续工作的模式运行。终端节点的程序流程图如图6所示。

图6　终端节点程序流程图

3.2无线网关程序设计

无线网关上电后，系统先进行初始化，协调器进行信道扫描、设置PANID、等待终端节点加入等一系列工作，完成ZigBee网络的建立。

网络建立完成后，进入无线监控状态，网关依次扫描是否有信号加入、是否有遥控指令、是否进入自动控制模式、是否有接收ZigBee网络数据，并根据不同的模式分别执行相应的程序。当用户通过上位机或移动客户端登录访问网关服务器时，服务器获得访问信息并进行处理，将信息转换成能够在ZigBee网络传输并识别的数据帧，不同数据帧能匹配相应的节点，这样就可以把控制信息传递到节点，实现对相应设备的控制［13］。当网关从ZigBee网络中接收到智能灯传感器单元或遥控器发送来的数据，根据预设的命令控制灯光的开关、颜色、亮度等一些情景模式。网关程序流程图如图7所示。

图7　网关程序流程图

3.3人机交互程序设计

人机交互程序设计包括上位机和查询控制器程序设计。上位机是基于VC++面向对象与可视化软件开发平台开发的相应监测控制软件，其能够对所有智能灯进行综合统一管理，对所有智能灯的运行状态进行监测、控制、存储，记录各智能灯的用电信息，接收查询控制器的状态查询命令和控制命令，通过无线网关执行控制命令等功能。上位机流程图如图8所示。

图8　上位机流程图

上位机控制界面如图9所示，当上位机软件运行时，首先获取服务器IP，建立网络连接。然后，通过上位机与协调节点之间的数据传输、校验以及上位机与手机、平板之间的数据传输就可以进行数据处理实现对智能灯的控制。查询控制器即手机、平板等移动设备，可以对智能灯进行状态查询与控制，包括智能灯的开关、亮度、颜色、设置情景模式等。

图9　上位机控制界面图

4　实验测试

4.1实验设计

选取某个实验室布置一套简单的演示系统进行现场测试。本测试系统包括5个智能灯、1个网关、1个遥控器、1台上位机，对该系统所有功能进行测试和检验，所有节点组成一个ZLL标准无线传感器网络，其中，无线网关作为协调器，LED灯连接在终端设备上，无需路由节点。系统拓扑图如图10所示。

图10　系统拓扑图

本系统主要包括四方面的测试：通过人为模拟不同场景，测试系统工作是否正常；测试在室内ZigBee网络中节点的通信距离与节点布置高度和室内有无障碍物之间的关系；测试当有ZLL标准节点加入网络时能否成功组网；测试当智能灯数量较多、地形较复杂时系统是否可靠。

4.2实验结果

测试几种常用功能：开关、颜色变化、亮度变化、闪烁、场景设置。通过上位机登录系统，连接网关服务器成功后，可以对网络中的照明灯单个分别进行控制，也可以把所有的照明灯作为一个整体同时进行控制；系统还可以设置成自动控制模式，由协调器根据光照传感器和红外传感器采集的亮度信息和是否有人活动的信息，自动发送控制命令，完成对所有照明灯的控制。实验测试如图11所示。

图11　实验测试图

选取一个无线网关和一盏智能灯来测试节点的通信距离。当无线网关正常工作时，让该智能灯加入网络，通过上位机给智能灯发送控制命令，不断改变智能灯与网关的距离，每移动一次记录实验结果，当智能灯无法响应上位机的命令时停止；然后将网关和智能灯分别放在一堵墙的两侧重复上述实验。实验的目的就是找出不同条件下节点之间的通信距离。实验结果如图12所示。

图12　实验结果图

符合ZLL标准的灯具和遥控器均能成功加入网络，完成组网和控制，遥控器各按键功能测试正常，响应结果与预设完全一致。

由于实验成本有限，智能灯数量无法足够多，各种情形无法全部满足。经过测试，一个无线网关能控制20盏灯正常工作，当超过20盏会有少数无法加入网络，可以预见当智能灯数量超过20盏需要增加网关数量才能保证系统正常工作；当楼宇只放置一个无线网关，每楼层不同位置放置一定数量智能灯，与网关相距一层楼以上或者中间障碍物较多时，无法加入网络，考虑到实际情况，当网关和智能灯位于同一楼层且障碍物较少时可保证正常工作，系统可靠性较高。

4.3实验分析

通过实验可知，本系统能对楼宇照明进行统一管理，智能控制所有灯具的照明，操作友好、便捷。由图12可以看出，节点的通信距离与节点放置的高度有关。节点之间的通信距离随节点放置的高度增加而增加，但当放置高度达到一定高度时，通信距离增加就不明显了。当节点之间有墙壁或其他障碍物阻挡时，最大通信距离比在无障碍物时的通信距离小很多，但也能保证正常通信，说明节点有一定穿透障碍物通信的能力。当楼宇障碍物较少、布置灯具适量时，每层布置一两个网关就能保证工作，系统可靠性高，能够满足无线照明系统在楼宇中的应用要求。

5　结　语

与传统照明控制相比，基于ZigBee Light Link的智能照明控制系统功能强、范围广、自动化程度高，实现照明的智能化管理，不仅能提高工作效率，节约能源，而且减少了维护费用，延长灯具使用寿命。本系统基于ZLL标准的楼宇智能照明系统目前主要应用在家居、办公、公共设施等领域，可以对楼宇照明进行统一管理，并可对所有灯具的用电信息进行监测并存储，还可以通过各种移动设备、遥控器等实现对灯具的开关、亮度及颜色的无线智能查询和控制，具有节能、安全、可靠、舒适、便捷等优点。该系统在提高楼宇智能化管理控制方面具有广阔的应用前景。

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Design of building lighting system based on ZigBee Light Link

TAN Zhiqiang1，YANG Junjie1，LOU Zhibin2，WEI Chunjuan1
（1.School of Electronics and Information Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China；2.Shanghai Academy of Science and Technology，Shanghai 201203，China）

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.

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

TN081-34；TM923

A

1004-373X（2016）19-0001-05

10.16652/j.issn.1004-373x.2016.19.001

2015-10-31

国家自然科学基金（61202369）；上海市自然科学基金（14ZR1417400）；上海市科技创新行动计划地方院校能力建设项目（13160500900）；上海市教育委员会科研创新项目（12ZZ176，13YZ102）

谭志强（1990—），男，湖北天门人，硕士。研究方向为电气设备状态监测。