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一、ZigBee與其他無線傳輸技術比較優勢

隨著無線技術的日益發展，無線傳感器網絡(wirelesssensornetwork,WSN)[4]已經成為重要的研究領域，無線傳輸技術應用越來越被各行各業所接受；國際上開展了大量的研究工作，取得了豐富的研究成果，其中短距離無線通信技術各具特色，無線通信短距離傳輸技術比較成熟完善、普遍接受的有Bluetooth、Wi-Fi、Infra-redData(IrDA)和ZigBee等。

1.BluetoothBluetooth是一種短距離無線通信技術，傳輸距離為10米之內，可以用在移動電話、無線耳機、PDA以及電腦等多種設備之間的無線信息之間的交換[5]。BluetoothTechnology技術的特點主要表現在三個方面：一是全球可免費使用，規格相同。BluetoothTechnology使用的2.4GHz的波段運行，頻道采用23-79個頻道間隔為1MHz的時分雙工方式；使用BluetoothTechnology不需要支付任何費用，只需要向手機供應商注冊使用的CDMA或GSM。二是BluetoothTechnology是低功耗、低成本及小體積的無線傳輸設備，可以應用到極微小的設備中。三是BluetoothTechnology易于安裝和使用。BluetoothTechnology是一項即時技術，不要求固定設施，可以隨身攜帶個人局域網，也可以連接其他網絡。四是藍牙設備組網靈活，提供點對點和點對多點的無線連接基于TDMA原理組網，它的數據速率可達到1Mbps。五是BluetoothTechnology系統具有很高的抗干擾能力。由于BluetoothTechnology采用跳頻速率為1600跳/秒，使得藍牙系統具有很高的抗干擾能力。

2.Wi-FiWi-Fi(Wireless-Fidelity)是一個高頻無線電信號，具有無線保真技術的功能，可以將個人電腦、手機、PAD等終端以無線方式互相連接，其目的改善基于IEEE802.11標準的無線網路產品之間的互通性[6]。Wi-Fi的主要功能是使用IEEE802.11b或802.11a無線電技術提供安全、可靠、快速的無線連通性。Wi-Fi網絡數據速率可達11Mbps-300Mbps，信號發射功率低于100mw，低于手機發射功率，信號傳輸范圍100m。Wi-Fi最主要優勢：不受有線線路的制約，使用范圍廣泛。廠商只要在公共場所人員比較密集的場所設置“熱點”就可以，用戶只要把支持無線保真的電腦、PDA、手機等帶到“熱點”區域，即可上網。Wi-Fi的弊端：Wi-Fi無線電波易受干擾，資料包被截取的可能性高。

3.Infra-redData(IrDA)IrDA是1993年由紅外數據協會(Infra-redDataAssociation,IrDA)[7]研究的利用紅外線進行點與點通信的短距離的無線傳輸技術，屬于無線局域網傳輸方式之一。IrDA使用也不受國家無線管理委員會的限制，其硬件和軟件技術比較成熟。現在的紅外數據傳輸技術為IRDA1.0，簡稱SIR(SerialInfrared)[8]，它是基于HP-SIR開發出來的一種異步的、半雙工的紅外通信方式，它同其它無線傳輸技術一樣省去了線路連接，主要用于手提電腦、無線遙控器、無線游戲終端、移動電話、計算器、無線工業儀表、無線數碼播放器以及打印機之類的辦公設備等等。Infra-redData技術的主要優勢有三個方面：一是利用Infra-redData傳輸不需要申請特定頻率使用執照。二是體積小、功率低、耗電量低。三是紅外數據傳輸所受干擾較少，適合于家庭和辦公室使用，傳輸速率較高，速率可以達到16mb/s。Infra-redData傳輸弊端：傳輸距離很短，傳輸的線路必須為直線，中間不能有阻擋物。

4.ZigBee,Bluetooth,Wi-Fi,IrDA無線傳輸技術性能比較綜上分析可知，無論是ZigBee、Bluethooth、Wi-Fi以及IrDA技術，它們都具有各自的特點，適用在不同的應用場合，它們之間存在著相互競爭、相互補充的關系，誰也不能完全替代另外一種。為了更加直觀的表述和比較短距離無線通信技術的性能，作者整理了藍牙、Wi-Fi、IrDA和ZigBee四種無線傳輸技術性能，見表1所示。表1顯示，Bluetooth的工作頻段最小(820nm)，其次是IrDA(980nm)。ZigBee傳輸速率高于Bluetooth和IrDA兩種短距離傳輸速率，次于Wi-Fi的傳輸速率。ZigBee的通信距離最長(10m-300m)，IrDA通信距離最短(0.2m-10m)。功率消耗最小的是IrDA(低于10mW)，其次是ZigBee(最大功率消耗30mW)。連接設備數ZigBee最多，節點數目可以高達65536個，IrDA連接設備數只有2個，即點與點對接。設備安裝成本IrDA最小，安裝成本低于5$；其次是ZigBee的安裝成本低于10$；Wi-Fi的安裝成本最高，要求較高的安裝成本可達600$。ZigBee、Wi-Fi和IrDA三種短距離無線局域網都屬于數據傳輸類型，Bluetooth技術傳輸屬于語音型。綜上分析可知，ZigBee無線傳輸技術在傳輸速率、通信距離和連接設備數量上占據絕對優勢，功率耗能和使用成本低于藍牙和Wi-Fi設備，是建立學校教室和自習室照明燈節能智能控制系統理想的設備。

二、基于ZigBee無線傳輸技術建立教室照明節能智能控制系統

從表1可以看到，ZigBee無線傳輸技術具有低功耗、低成本、網絡容量大、適宜安裝使用場合的特性，建立學校教室照明燈智能控制系統，實施節能型校園是可行的。

（一）ZigBee無線傳輸教室照明節能智能控制系統設計ZigBee標準基于IEEE802.15.4協議而建立，具備了強大的設備聯網功能。它支持三種主要的自組織無線網絡類型：星型結構、網狀結構和樹狀結構[9]。ZigBee網狀結構，具有很強的網絡健壯性和系統可靠性。ZigBee簇狀結構則綜合了以上兩種網絡類型的特點，這種組網通常會使Zigbee網絡更加靈活、高效、可靠。而學校教室和自習室的照明燈設備的節能智能控制系統只能建立在ZigBee星型結構基礎上。基于ZigBee設備多節點和星狀結構連接技術，設想在每棟教學樓安裝一臺電腦控制中心，控制中心安裝有協調器作為網絡的指揮中樞，每層樓設定幾個路由器作為數據的轉發站，每個教室作為一個終端節點，ZigBee模塊從協調器自動獲得16位的地址信息，自行初始化并加入網絡成為網絡中的成員。見圖1所示。

（二）ZigBee無線網絡傳輸教室照明智能控制系統硬件設計實現教室照明節能智能控制可以從兩個方面考慮：一是在不影響正常使用的前提下減少教室燈具的損耗；二是降低節能系統本身的功耗。ZigBee無線傳輸網絡正好滿足以上兩個條件，具有低功耗和傳輸及時的功能。本系統選用超低功耗的單片機，電源電路使用LM2596開關電源模塊[10]，燈光驅動器使用無線圈觸點的固態繼電器，激光傳感器使教室照明燈實現智能化控制，使教室照明燈開啟的數量隨著人數的變化而變化。教室照明燈安裝激光傳感器的功能主要有三個方面：(1)當沒有人在教室時，燈具全部關閉；(2)當教室有人時開啟適當的燈數；(3)白天光照較強，無需亮燈，光敏傳感器可以檢測教室內的光亮強度，當光照充足時自動關閉教室內的照明燈具。基于上述分析，ZigBee無線網絡傳輸教室照明節能智能控制系統硬件設計主要由協調器節點、路由結點和教室終端節點組成；ZigBee協調器自動獲得16位的地址信息，自行初始化并加入網絡成為網絡中的成員。通過光電傳感器判斷教室內是否有人，通過對光強度的檢測判斷教室內的缺光程度，通過ZigBee網絡將這些信息發送到協調器節點，協調器節點依據設定算法采取適當的決策控制教室內的燈具，從而實現室內燈具的智能控制。圖2顯示，教室照明節能智能控制硬件主要由LPC2103微處理器、LCD液晶顯示器、可中斷鍵盤、ZigBee無線傳輸模塊、MSP430單片機、人數采集器、光敏傳感器和燈光驅動器八個部分組成。其中，由于協調器節點的工作量較大，可以選擇嵌入式LPC2103微處理器作為主控制器。LPC2103是NXP公司基于ARM7TDMI-S的微處理器推出的新產品，特別適用于低功耗控制場合[11]。其工作程序是：終端結點、路由結點通過人數采集器檢測教室內是否有人以及人數，光電傳感器判斷檢測教室內的光線強弱，通過ZigBee網絡將這些信息發送到協調器節點，協調器節點依據設定好的算法采取適當的決策控制教室內照明燈開啟盞數，實現了教室內照明燈的智能控制。

（三）ZigBee無線網絡教室照明智能控制系統軟件設計基于ZigBee無線傳輸教室照明燈智能控制系統軟件設計主要考慮的是教室人數統計、教室光線強度測量、節點之間傳輸和教室照明燈開啟、關閉的數量智能控制。與傳統的教室照明設備相比較，ZigBee系統主要使用了低功耗單片機，控制系統自身的功耗可大幅降低;實現了CRC算法，提供了數據的錯誤檢查，并提高了系統的可靠性;同時還使用了無線傳感網絡，CC2530內嵌的協議棧使得路由數據包成為了可能[12]，為學校教學樓群的統一聯網創造了條件。其程序流程見圖3所示。圖3顯示，當系統上電時，系統進行初始化，ZigBee協調器節點在完成硬件初始化后，進入輪詢狀態，當收到數據時，先做CRC校驗，若校驗正確則解析相應的命令：一是到了關燈時間，系統將自動關燈。二是不到關燈時間，光敏傳感器將通過智能控制器發送指令開啟教室照明燈；如果人數采集器沒有采集到人數，時鐘控制器將延遲5分鐘關閉教室內照明燈開關；如果教室內有人，人數采集器和光敏傳感器同時工作：光敏傳感器檢測教室內光的強度、人數采集器采集教室內的人數，通過單片機MSP430控制繼電器打開教室照明燈設備，使電磁鐵工作，ZigBee路由節點和教室終端節點發送控制信號，依據指令開啟或關閉教室內照明燈盞數。

（四）教室照明燈智能控制系統安裝一般學校標準教室80平方米左右，78-80個座位，21根40瓦的照明燈管(其中，講臺3根燈管，學生座位18根燈管：兩兩并聯，三三串聯)。講臺3根燈管各自有獨自的開關，教師根據上課需要開啟講臺照明燈盞數。學生座位上的18根9組燈管開啟采用ZigBee無線網絡傳輸智能控制系統：將教室分為9個區域，每個區都安裝人數采集器；一個教室安裝一個光敏傳感器，一個照明系統和一個單片機，通過單片機實現教室照明燈智能控制系統，安裝系統布局見圖4所示。四、結論本文設計的以ZigBee無線傳輸網絡控制的教室照明燈智能系統，通過人數采集器統計教室內區域的人數，利用光敏傳感器模塊實現了對教室光照亮度的檢測調節，滿足了教室內照明燈需求的前提下成功地避免了不必要的照明燈電能的損耗。經測試，ZigBee無線傳輸教室照明燈智能控制系統很大程度上節約電源，提高了系統的穩定性、可靠性、節能性，實現了學校教室內照明燈控制系統的信息化、智能化。隨著學校招生人數的不斷擴展，各個學校的教學樓、自習室、實驗室、圖書館不斷增加，電費支出逐年增長，節約能源減少電費支出已經列上學校的議事日程；隨著ZigBee技術的廣泛應用，建立以ZigBee無線傳輸教室照明智能控制系統的成本也會因ZigBee技術的日趨成熟而不斷降低。

作者：劉博達 單位：河南鄭州科學大道100號鄭州大學后勤集團