隨著教育的發展， 學校對硬體投入加大， 校園照明系統不斷擴大，在帶來絢麗和方便的同時， 也帶來了費用高、管理難、故障匯報慢等問題。一套高效的照明監控系統可以大大節省人力財力。當今無線通訊技術、自動控制技術快速發展， 為集中控制每一盞燈、遠端識別故障燈、測控各種電引數及選用多種控制策略為一體的教室智慧型照明控制系統提供了技術支撐。
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zigbee簡介
２００９ 年濟南園博園已經實現了小範圍內基於ｚｉｇｂｅｅ 的路燈和景觀燈監控，基於ｚｉｇｂｅｅ數傳技術的照明監控系統將是未來照明監控系統的乙個主要發展方向。ｚｉｇｂｅｅ數傳是一種新興的短距離、低速率、低成本、低複雜度的無線通訊技術， 目前在近距離無線網路領域得到了廣泛應用。它是基於ｉｅｅｅ８０２.１５.４ 標準的低功耗無線個人區域網協議， 可工作在免費的２.４ ｇｈｚ 公共頻段， 傳輸速率為１０ ｋｂｐｓ～２５０ ｋｂｐｓ， 單節點實際傳輸距離根據傳送功率大小和應用模式而定，在無遮擋情況下能達到１００ ｍ以上。ｚｉｇｂｅｅ 可以組成高可靠性的ｍｅｓｈ 網， 不僅能自組織， 而且能夠自恢復， 保證了系統整體穩定性。ｚｉｇｂｅｅ模組
實行嚴格的功率管理機制，主要通過降低收發信機的忙閒以及資料傳輸的頻率來降低開銷，例如關機及睡眠模式。以上特點， 正好符合對離散分布的照明燈具進行組網的需要。
ｚｉｇｂｅｅ 協議定義了３ 種裝置 ， 即全功能裝置（ｆｆｄ）、精簡功能裝置（ｒｆｄ）和網路協調器裝置。具備控制器的功能ｒｆｄ 在網路中通常作為終端節點，相互之間不能直接通訊， 只能與ｆｆｄ 或協調器通訊。ｆｆｄ 除具有ｒｆｄ 功能外， 一般可用作網路路由節點。網路協調器實際上是ｆｆｄ的一種， 只是擁有更多的計算能力和系統資源， 它在網路組建中擔任協調者，負責建立網路， 並與其它的ｆｆｄ 或ｒｆｄ 連線。
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系統設計
2.1網路結構
ｚｉｇｂｅｅ模組
網路支援三種拓撲結構： 星型、樹狀型、網狀型。在星型結構中協調器在中心發揮協調作用，所有節點只與協調器通訊， 其它節點可以是ｆｆｄ， 也可以是ｒｆｄ； 在樹狀型網路中有多個ｆｆｄ和ｒｆｄ， 遠距離終端節點只能經過ｆｆｄ 路由才能與協調器通訊；在網狀結構中存在多個路由節點和終端節點， 任意兩個路由節點可互相通訊， 終端節點則只能經路由節點與協調器通訊。
由於教學樓內環境相對複雜， 訊號遮擋較多， 呈現出空間立體特點，故採用網狀拓撲結構進行組網。為了能夠保證ｚｉｇｂｅｅ無線模組網路有效連通性， 在每層樓樓梯口等通訊效果較好的地方要放置乙個ｚｉｇｂｅｅ模組
路由節點， 以此來實現兩層樓之間的路由。以每間教室為單元，設定乙個路由節點， 這樣避免乙個教室出現故障而導致整個網路癱瘓的現象， 在距離協調器最近端和最遠端的教室可以設定ｒｆｄ 節點。為避免訊號因穿牆而減弱，可以將節點模組安裝在教室外牆，該節點通過擴充套件與各個燈組的感測器和繼電器進行連線。
監控中心由計算機和協調器組成， 具有遙測、遙控、儲存和管理資料功能，可以對整個教學樓照明系統進行實時監控。協調器主要負責建立、管理和維護網路， 同時接收各個路由節點的資訊， 然後通過串列埠將資料發給計算機， 在計算機終端顯示實時狀況並傳送控制命令。路由節點具有終端控制、資訊採集、自動報警的功能。
2.2硬體設計
教室節點主要由ｚｉｇｂｅｅ無線模組、感測器、繼電器及擴充套件／選擇電路組成，硬體結構如圖１ 所示。
圖１ 教室節點硬體結構圖
ｚｉｇｂｅｅ無線模組採用ｃｃ２５３０ 作為控制電路核心，該晶元是專門針對２.４ｇ ｉｅｅｅ ８０２.１５.４、ｚｉｇｂｅｅ和ｒｆ４ｃｅ 應用的片上系統解決方案， 其特點是以極低的總材料成本建立較為強大的網路節點 。晶元內部已經整合了乙個８０５１ 微處理器與高效能ｒｆ 收發器， 並整合了模數轉換、ｚｉｇｂｅｅ射頻前端、定時器等模組。系統內可程式設計快閃儲存器最高可達１２８ｋｂ， 同時具有多種執行模式， 且執行模式之間的轉換時間很短， 進一步降低能源消耗。而乙個ｃｃ２５３０ 只有２１個ｉ／ｏ引腳， 無法達到分別控制並採集訊號的要求，在此可以通過擴充套件／選擇電路來實現對多個燈的控制或訊號採集。對於燈較多的教室， 可以分配兩個或三個節點。
大學教室在上課或自習時人員分布不一， 且面積較大， 燈下各處的光照度也不一樣，所以每個燈都安裝人體探測器和光照度感測器進行ｚｉｇｂｅｅ資料採集， 微處理器根據檢測到的是否有人和自然光光照度來進行開關燈操作。人體探測器和光照度感測器的設計在此不作為設計重點。
無線訊號在教學樓內傳輸時對發射功率和接收訊號的靈敏度要求較高，雖然相鄰兩個教室節點距離很近， 但是在轉角或者上下樓層的地方ｃｃ２５３０不一定能夠滿足通訊要求， 要解決這一問題， 可以在ｃｃ２５３０ 工作電路中加入ｃｃ２５９１射頻前端來提高輸出功率和接收靈敏度， 從而達到增加傳輸距離的目的。ｃｃ２５９１ 通過乙個功率放大器以增加輸出功率， 並通過乙個低雜訊放大器改進接收靈敏度。它採用４ｍｍ×４ｍｍ ｑｆｎ１６ 小尺寸封裝， 模組整合了功率放大器、低雜訊放大器、收發切換開關、非平衡變壓器和邏輯電路等高效能模組。ｃｃ２５３０ 射頻輸入／輸出端具有高阻抗、差分的特性， 在設計終端節點時， 使用巴倫天線的佈線方式來作為非平衡變壓器， 而ｃｃ２５９１ 內部本身就存在乙個巴倫結構的非平衡變壓器和乙個匹配網路，由此可以實現ｃｃ２５９１ 到ｃｃ２５３０ 的無縫介面。
2.3軟體設計
系統啟動後， 首先進行初始化並由協調器組建ｚｉｇｂｅｅ 網路，組建成功後， 各節點將ｚｉｇｂｅｅ資料採集
到的資料經過路由節點傳送至協調器， 然後傳至計算機， 再儲存在資料庫中， 管理員可根據實際情況進行開關燈操作， 由於使用了擴充套件／選擇電路，可以具體到每一盞燈。一般情況下系統處於自動控制狀態。教室節點在每天教室關閉後進入休眠狀態以降低功耗，在教室開啟後進入工作狀態， 微處理器輪詢各個燈的感測器輸出端，根據各個燈的光照度和人員情況進行開關燈控制。如發生報警， 如教室電流過高，則向監控中心傳送報警資訊以待確認和檢修。節點自動控制流程圖如圖２ 所示。
圖２ 教室節點自動控制流程圖
本系統採用ｃ／ｓ 模式， 以ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ ｖｉｓｕａｌｓｔｕｄｉｏ２０１０ 為監控軟體開發平台， ｃ＃語言編制， 資料庫使用ｓｑｌ ｓｅｒｖｅｒ ２００８， 上位機軟體主要功能是實時接收由串列埠傳遞的資料並加以分包、計算、處理、顯示以及儲存，通過響應管理員指令， 可對終端燈節點進行控制、配置、查詢。上位機主介面如圖３ 所示，
圖３ 教室監控介面
主要功能包括：顯示與監控： 實現對每個教室電壓、電流、功率等資料採集； 可以按樓層選擇， 檢視當前功率、用電量、報警或故障； 實現分區域開關及單燈開關的控制；
資料查詢： 節點配置資訊與各教室狀態資訊均儲存在資料庫中，方便管理員查詢歷史資料； 並能形成電流、電壓等電量報表和執行日誌報表；
引數配置： 包括校正系統時間、設定ｚｉｇｂｅｅ 節點短位址和各項報警引數，管理員設定好引數後，系統後台將通過協調器傳送到各個節點。教室監控介面如圖３ 所示。
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結論
此系統具有兩個顯著優勢： 一是控制方便， 監控中心能控制到具體的每一盞燈，每一盞燈的狀態也能在控制中心得到顯示， 還可以根據實際需要提花靈活多樣的控制方案， 以滿足不同的場景照明需要。當通訊網路某一節點故障時， 其他ｚｉｇｂｅｅ數傳模組
節點不會受到影響，而故障節點還可以手動進行開關操作； 二是成本低， 只安裝兩個光感感測器， 用於ｚｉｇｂｅｅ資料採集
實時外界光照度， 全程採用ｚｉｇｂｅｅ無線模組通訊， 無需佈線、易安裝且執行後無通訊費用。本系統可以有效地實現教室照明系統科學高效的控制和資源整合，最終實現節能的目的， 有著廣闊的應用前景。
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