基于ZigBee的建筑物照明控制网络设计
2009-07-24
作者：孙 刚1，徐 元2，王佐勋2
摘 要： 为了改善建筑物内部照明控制网络通信过程的实时性和可靠性，在分析ZigBee网络层各项关键技术的基础上，提出了基于ZigBee的建筑物照明网络控制体系结构，并对每层的具体实现都做了详细地说明。仿真证明该方案具有较高的分组成功率和低传递延时，实践证明该方案能够解决传统方案布线困难的问题，实现对建筑物内部照明进行远程无线监控。
关键词： 无线传感器网络；ZigBee技术；智能建筑；照明控制
目前，随着高校规模的不断扩大，传统的校园里建筑物内部照明设备的用电问题越来越突出，不仅增加了管理维护费用，而且浪费大量电能。传统的解决方法是聘用管理人员严格记录、日夜轮回值班巡查以控制照明设备的使用情况。这种方法既浪费人力物力，可靠性也不高。随着现代无线通信技术、计算机技术的高速发展，自动控制技术、传感技术逐渐被广泛地应用在工业上，为建筑物内部照明设备的节电提供了一个新的方案。但是传统的传感器网络会受到布线的限制，不能更加灵活准确地对室内的温度和人数进行测量，因此就需要运用新的无线网络摆脱布线的限制。
1 ZigBee协议
ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据数率、低成本的无线传感器网络技术[1]。它采用了OSI分层结构，MAC层和物理层采取了IEEE802.15.4协议，ZigBee联盟增加了网络层、会聚层和应用层，组成了ZigBee协议。ZigBee协议支持星形、树形和网状等网络拓扑结构，其总线容量：子网254个节点；主网65 000个节点。ZigBee的传输速率：2.4 GHz时为16信道，250 Kb/s；915 MHz时为10信道，40 Kb/s；815 MHz时为1信道，20 Kb/s。ZigBee的通信协议为IEEE802.15.4。ZigBee的作用距离为1～100 m。ZigBee的物理层采用了直接序列扩频(DSSS)技术，工作在免申请的ISM频段，在2．4 GHz频段，采用0-QPSK调制方式：在915 MHz和869 MHz频段，采用BPSK调制。MAC层采用了CSMA—CA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。
ZigBee协议定义了以下3种设备：全功能设备(FFD)、精简功能设备(RFD)和网络协调器设备[2]。网络协调器实际上是FFD设备的一种，只是拥有更多的计算能力和系统资源；RFD在网络中通常作终端设备，仅通过简单的8位微处理器和4 KB的系统资源就能完成其协议功能，但RFD相互之间不能直接通信，只能与FFD设备和协调器通信。FFD设备可以担任网络协调者，形成网络，并让其他的FFD或RFD装置连接，具备控制器的功能[3]。
2 照明控制网络的体系结构
2.1 网络结构总体设计
网络控制体系结构主要解决的是被测数据的无线高效传输和整个通信网络的能量分配问题。教学楼的空间比较广大，为了更好地覆盖较广的范围，减少整个网络的功耗，保证网络中各节点的寿命，整个网络采用多层分簇(Cluster-Tree)结构，系统的整体布局如图1(a)所示。网络中的节点按照距离的远近划分成簇，每个簇由相互靠近的节点组成。对网络中节点能源的限制随着其所在网络层等级的降低而逐步增加。最底层的节点采用小功耗(如电池供电)、传输距离近的节点完成对目标的检测，网络中处于簇首位置的节点则没有能量限制。整个网络的管理中心在教学楼的入口处，有一个无线网络的协调器(PAN Coord)，PAN Coord通过串口和监控中心的PC机连接组成中央控制单元，与PC机进行数据交换，对采集到的数据进行处理并根据检测结果完成对整个网络的控制。网络中的其他节点都直接或间接的把数据传送到中央控制单元的ZigBee协调器，数据最终由PC机存储和处理。在每个教室里，都会有两个处于最底层的终端节点(ED)与光线/人数采集设备相连，这些节点主要负责采集相应教室的数据并分析， 或者根据中央控制单元的要求， 对相应教室的灯光进行控制。每层的走廊里按一定距离布置多个没有能量限制的FFD节点，如图1(b)所示。这些节点将作为簇首节点把它周围的ED节点划入自己的簇中，并负责这些节点的数据采集以及上层节点对这些节点的控制。每层的FFD节点同属于一个簇，供上一层FFD节点控制。FFD将采集到的数据收集完后逐层向上一层作为簇首的FFD节点传输数据，最后将数据传输到中央控制单元。
2.2 网络的组建
第一个进入PAN(Personal Area Network)具有协调能力且当前未加入任意网络的节点可以发起建立ZigBee网络，这个节点就是该网络的PAN协调点。PAN协调点首先进行信道扫描，选择一个未探测到网络的空闲信道，然后确定自己的16 bit网络地址、网络的PAN ID、网络的拓扑参数等。当各项参数选定后，PAN协调点便可以接受其他节点为子节点。
当一个未加入网络的节点A想要加入PAN时，便向网络中的节点发送关联请求，收到关联请求的节点如果有能力接受节点A为其子节点，就为节点A分配一个网络中唯一的16 bit网络地址，并发出关联应答，收到关联应答后，节点A成功加入网络，并可以接受其他节点的关联。一个节点是否具有接受其他节点与其关联的能力，主要取决于此节点可利用的资源，如存储空间、能量等。如果网络中的节点想要离开网络，同样可以向其父节点发送解除关联的请求，收到父节点的解除关联应答后，便可以成功离开网络，但如果此节点有一个或多个子节点，在其离开网络之前，首先要解除所有子节点与自己的关联。
节点进入网络之后就进入系统睡眠状态以降低功耗。当有外部中断产生(串口中断或者接收中断)时，节点会从睡眠状态中唤醒，再根据中断的类型执行相应的操作。完成具体的操作之后节点会重新回到睡眠状态，等待新的中断唤醒。当网络中某一个节点死亡(断电等原因引起)或超出任何一个节点的通信范围时，可通过网络刷新检查该节点的状态，有两种刷新方式供选择：立即刷新、定时刷新(可设置定时刷新时间)。
2.3 网络地址分配机制
加入ZigBee网络的节点通过MAC层提供的关联过程组成一棵逻辑树，当网络中的节点允许一个新节点通过它加入网络时，它们之间就形成了父子关系，每个进入网络的节点都会得到父节点为其分配的一个在网络中唯一的l6 bit网络地址，分配机制如下。
规定每个父节点最多可以连接Cm个子节点，这些子节点中最多可以有Rm个路由节点，网络的最大深度为Lm，Cskip(d)是网络深度为d的父节点为其子节点分配的地址之间的偏移量，它的值可按如下公式计算：
当一个路由节点的Cskip(d)为0时，就不再具备为子节点分配地址的能力，即就不能够再使别的节点通过它加入网络；如果一个路由节点的Cskip(d)大于0，则可以接受其他节点为它的子节点，并为其子节点分配网络地址。它会为第一个与它关联的路由节点分配比自己大1的地址，之后与之关联的路由节点的地址之间都相隔偏移量Cskip(d)。每个父节点最多可以分配Rm个这样的地址。为终端节点分配地址与为路由节点分配地址不同，假设父节点的地址为Aparent，则第n个与之关联的终端子节点地址为An：
2.4 网络中使用的数据帧
网络中使用的数据帧结构如表1所示。当有子节点加入网络，数据帧的子节点加入网络字段填1，后面四个字节描述加入节点的网络号和简单描述。若没有子节点加入，加入网络字段填写0，后面直接填写子节点离开网络字段。子节点离开网络字段的含义和子节点加入网络字段的含义一样。光照和人数信息各占一个字节。这样组织的数据帧，每次只能报告一个节点的加入和离开网络的信息，帧结构稳定，数据的组织和处理比较简单。
2.5 网络性能分析
在网络仿真软件NS-2-2.33中对一个采用本网络体系结构包含50个节点的简化ZigBee网络进行了仿真[5]，仿真时间为500 s，采用CBR(Continuous Bit Rate)业务源，分组大小为70 B，Cluster-Tree参数为：Rm=5，Cm=20，Lm=4，不同的CBR数据流个数下的网络的平均延时情况如图2(a)所示，不同发包率下网络的分组成功率情况如图2(b)所示。
从图2(a)中可以看出随着CBR数据流个数的增加，Cluster-Tree的平均端到端时延略高于0.05 s，能够很好地实现实时控制。方案中使用的Cluster-Tree算法只能按照父子关系传输分组，深度较低的节点往往需要处理比深度较高节点更多的分组，在MAC层产生碰撞的概率相对较大，导致MAC层丢包率相对较高，通过图2(b)可以看出不同的发包速率下该方案的分组成功率基本能够保证在0.995～0.998之间，完全能够满足对照明设备控制的需要。由于Cluster-Tree算法不需要发送控制分组，因而它的控制开销为0，降低网络的功耗。
3 ZigBee节点的硬件实现
无线传输网络采用Chipcon公司的片上系统CC2430，它集成了CC2420 RF收发器、增强工业标准的8051 MCU、128 KB闪存、8 KB SRAM等高性能模块，并内置了ZigBee协议栈。ZigBee节点的电流消耗小，当微控制器内核运行在32 MHz时，RX为27mA，TX为25mA，在掉电方式下，电流消耗只有0.9 μA，外部中断或者实时时钟能唤醒系统；在挂起方式下，电流消耗小于0.6 μA，外部中断能唤醒系统。它采用QLP-48封装，尺寸仅有7 mm×7 mm，只需极少的外接元件就可以正常工作。节点尺寸只有30 mm×29 mm。受到物流中心现场情况的限制，处于上层的PAN Coord节点和FFD节点采用稳定能源供电，没有能量限制。而处于底层的终端节点则由电池供电。整个网络中的节点只在查询和控制教室照明状态时传送少量信息，减少了整个网络的能量消耗。终端节点的结构如图3所示。
本文介绍了基于ZigBee的建筑物照明网络控制体系结构，并对每层的具体实现都做了详细说明。仿真证明该方案具有较高的分组成功率和较低的传递延时，控制开销极低。实践证明系统的功耗很小，ED节点采用电池供电，在睡眠-唤醒模式下工作可以维持一年多的时间。随着无线传感器网络市场的进一步发展，ZigBee技术因其低成本、低功耗、自动组网、应用简单等特征，将逐渐成为主流技术标准，获得越来越广阔的发展空间。
参考文献
[1] 詹杰，吴伶锡，唐志军.基于ZigBee的智能照明控制系统设计与实现[J].电力电子技术，2007，41(10):25-26.
[2] IEEE Standards 802.15.4TM-2003， Wireless medium access control(MAC) and physical layer(PHY) specifications for low-rate wireless personal area networks(LR—WPANs)[S]．
[3] ZigBee Alliance， ZigBee Speciflcation， ZigBee Document 053474r06 Version 1.0[S]． 2004．
[4] 原羿，苏鸿根．基于ZigBee技术的无线网络应用研究[J]．计算机应用与软件，2004(6)：89-91.
[5] 王宇，赵千川．用网络仿真软件NS-2进行IP网络的仿真[J]．计算机应用与软件，2003，20(2)：28-30.
[6] 回楠木，李永刚，王成.基于ZigBee的无线农田测控系统[J].微计算机信息，2008(8-3)：52-54.