ZigBee 技术在现代化教室照明系统中的应用

范卫东

针对目前教室照明系统出现的一些问题，运用 Zig- Bee无线网络技术的诸多优势，介绍了一种基于 ZigBee 网络技术的现代化教室照明系统，重点介绍了该系统的拓 扑结构、组成以及能够实现的功能。

范卫东  黄越/ 南京工业大学建筑设计研究院

传统室内照明控制系统主要存在管 理落后、灯具损坏无人过 问、  能源浪 费、舒适性差、布线复杂以及灯具寿命

短等缺陷，  很难满足当代人们对舒适性 和节能的需求。针对上述问题，在教室 里装设红外探测器、光敏探测器及灯光 控制器，  运用 ZigBee无线网络技术有 效地控制室内灯具，  达到节能、控制方 便的目的。

ZigBee技术简介

范卫东/ 工程师

近年来，随着世界各国对无线网络的广泛关注，针对无线智能楼宇网络的研究也逐渐成为一个新的热点。无线技术在某些方面有着独特的优点，比如节省了布线，可以很容易地将电力和电力分开，也可以很容易地将设备安装在一起。ZigBee以其低功耗，高容量，高安全性，易于组网等优点，在众多的无线通讯标准中独占鳌头。ZigBee协议支持星型、树型和网型三种拓扑，其影响范围在1-100米之间。图1中显示了 ZigBee技能协议的构成。

ZigBee网络由三类协议装置组成，即协调装置、路由器和终端装置组成，可以支持最多65-536个节点。奇比特

该协议将 FFD (full functional device, FFD）和缩减函数（functional functional device，简称 RFD）两类器件。网络协调器本质上就是一类 FFD设备，只不过它具有更大的运算能力，以及更大的系统资源。

40  ·建筑电气 ·2011 年第 30 卷第 10 期

图 1   ZigBee 技术协议组成

RFD一般用作网络中的终端机，它的协议功能是由一个8比特的单片机、4 KB的系统资源来实现的，但是 RFD与 FFD不能直接进行通讯，只能与 FFD的设备和协调器进行通讯。

ZigBee的基本特征及ZigBee在智能照明系统中的优点

ZigBee技术是一种新型的无线传输方式,在现代教育领域中应用广泛。它具有很强的数据通讯能力、实时性和高可靠性等特点。

首先我们来简单介绍一下其特征:

1)ZigBee系统拥有较好性能指标;2)它可以实现远程控制教室灯具;3)能够很容易地进行网络连接以及移动设备与有线终端之间建立良好的通信关系,从而达到信息传输目的,为人们提供更加便捷舒适便利、功能齐全和操作方便的教学环境。本文简要的对ZigBee技术在教室照明系统中应用进行了探讨,分析了其优点和缺点,并提出解决方案。

(1)节约空间,节省能源。在智能照明系统中,教室是主要的光源来源。而传统人工照明灯具需要大量布线才能达到照度要求;同时还存在资源浪费现象严重、灯光亮度分布不均等问题(2)节约电能和环保节能:目前很多大中型院校都已经实现了校园智能化管理模式,这就使得学校内部各个部门能够通过网络实时监控每个区域室内各部分工作情况以及教室内人员的用电量需求。但是由于传统人工照明灯具存在着灯光亮度强、使用寿命短等缺点,这就使得学校的节能效果不佳。而在ZigBee技术中应用了无线射频模块和单片机控制相结合来实现教室内用电管理。不仅节省电能资源还节约能源,同时也能够为师生提供一个良好舒适环境的学习空间

(3)智能化教学:随着科学技术不断发展进步以及人们生活水平提高对教育质量要求越来越高,所以学校需要更加高效、便捷地进行现代化教学活动。而教室照明系统是教育教学中不可缺少的一部分,也成为学校教学工作开展必备设备。在现代化科技化教室灯光控制、智能管理方面,ZigBee技术具有较高的应用价值。本文首先对网络传输数据进行了分析研究;其次针对传统有线灯控系统和无线远程控制系统分别进行介绍并给出具体设计方案及设计方法;最后提出基于Zig通信方式实现校园照明系统节能减耗问题解决方案以及实验测试结果与分析等内容。

ZigBee的关键问题

ZigBee技术的关键问题就是教室照明系统。它是一种基于无线通信理论,以计算机网络为基础,利用有线或无线方式进行信息数据交换和传输。在现代智能建筑中使用这种新型设备来控制室内光照度、降低电能消耗以及减少室内热环境负荷等都具有很大意义上的实用价值;另外还有一个重要方面即远程监控教室灯光系统设计与管理的关键问题就是如何对教室内光线强度及亮度分布情况实时检测并准确判断出当前所处状态,从而实现对教室内照明系统的智能控制,使其能够满足现代化教学和办公需求。

总体方案

以 8 m × 11 m × 4 m的标准教室为例， 红外探测器和光敏探测器的布置如图 2 所 示，  所选用的无线吸顶式红外探测器探测 角度为 360° ，  层高 4 m的教室覆盖圈直径 为 8 m

，  在教室里布置 3 个红外探测器和 6 个光敏探测器。

1.  实现的功能

学生工作 区 的情况 :  若红外线探测器 IR2 探测到人的存在则亮第一、二排灯 ;  若 红外线探测器 IR3 探测到人的存在，  则亮第 三、  四排灯 ;  若 3 、4 处的光敏探测器检测 到光的照度低于 300 lx则亮第一、二排灯， 若 5、6 处的光敏探测器检测到光的照度低 于 300 lx 则亮第三、  四排灯。

黑板区的情况 :  人体探测器 IR1 若探

ZigBee技术在现代化教室照明系统中的应用 Electric Lighting   | 照明

图 2   教室平面图

测到有人的存在，  则亮两个黑板灯并保持 45 min 不熄灭，  若 2 处光敏探测器探测到的照度大于 3 处 的光敏探测器时左边的灯开启右边的灯关闭，  这 是为了在投影仪打开时能让黑板的照度达到要求。

本方案的设计采用星形网络拓扑结构，  基于 ZigBee技术的教室系统采用 “协调器—路 由器— 终端节点”三层结构，  其中控制中心监控系统作 为协调器，  照明控制器作为路由节点，  人体红外 传感器、光敏传感器作为终端节点。协调器、路 由器与数目众多的终端节点通过无线射频通信，形成星形结构的控制网，  其拓扑图如图 3 所示。

图 3    网络拓扑图

2.  终端节点

终端节点的示意图如图 4 所示，  首先微处理器 初始化每个探测器，  对每个探测器进行轮询以采 集各个探测器的信息，  再把采集到的信息通过 Zig- Bee网络传输给路由节点即照明控制器。

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图4   终端节点示意图

3.  路由节点

路由节点布置在教室门附近，  它负责实现终 端节点和控制中心的通信、教室内各节点的路由 及简单的信息显示。作为控制器的路由节点，  它 可以通过采集红外探测器以及光敏探测器发出的 信号，  从而输出一个灯光控制模式。

4.  协调器

协调器是核心控制，是具有嵌入式系统平台的专用主机，并外接一个 ZigBee短程无线收发模块，实现对教学楼区域网内的各种灯光控制器的控制。它位于监控室内，主要负责启动网络，组织网络，并将网络中收集到的信息通过RS232发送到 PC机上，最终在 PC机上将每一间教室的灯光亮起的情况进行实时显示。并且可以把 数据进行保存以便统计使用。若有灯具、探测器 以及灯光控制器损坏，  这些节点的信息也会在协 调器上显示，  其示意图如图 5 所示。

图 5协调器示意图

结束语

本文将新型短距离无线通信技术 ZigBee运用 于教室照明设计，  本系统的优点主要表现在 :  照 明控制智能化，  节省系统布线，  及时发现灯具损 坏，在此基础上，提出了一种可延长照明设备使用寿命、提高管理水平、降低维修费用、改善环境舒适性、提高工作效率的方法。

( 收稿日期 :  20101018)  EA

2011年 5 月下 ·建筑电气 ·   41