ZigBee无线网络技术在小区路灯照明系统的应用

要加密，密匙可存放在协调器，协调器的角色主要涉及网络的启动和配置，一旦这些都完成后，协调器的工作就像一个路由器。

　　路由器的作用是扩展网络覆盖面，在障碍周围动态路由，并提供备份路由以防止网络拥挤和设备失败，它们可以联系到协调器与其他路由。

　　终端设备的作用是发送或接受一个信息，但是不能执行任何路由操作，它们必须连接到协调器或路由器，终端设备是网络的最终端，因此不支持子设备。

　　3.3. ZigBee网络

　　ZigBee有3种拓扑结构及2种工作模式。3种网络包括有：星形网络（Star network）、树状网络（Cluster tree network）和网状网络（Mesh network），拓扑如图3所示。

　　星形网络由一个协调器与多个终端设备组成，协调器位于网络中心，负责发起建立和维护整个网络。

　　图2. ZigBee网络的三种设备类型

　　图3. ZigBee的三种网络拓扑

　　星形网络的控制与同步比较简单。

　　树状网络由一个协调器与一个或者多个星形网络构成。很明显，树状网络的拓扑空间很大，但是空间的增大使得信号的传输延时会增加。

　　网状网络由若干个FFD构成骨干网，它们之间是对等关系，每个节点都可以与其他节点对等通信。网络中所有具有路由功能的节点可以直接互联，但它们中有一个会被推荐为协调器。实际上网状网络是基于树状网络的基础，由路由器的路由表配合实现网络路由。网状网络的特点是具有自恢复能力，数据路径有多条选择，当某条路径故障，可以选择其他路径，因此它具有非常高的可靠性，但是树状网络需要更多的存储空间。

　　ZigBee有两种工作模式：信标（beacon）模式与非信标模式。信标模式规定了一种"超帧"的格式，在超帧的开始发送信标帧，各节点经过竞争方式、非竞争方式接入、非活跃时期与休眠状态几个时期，结束后等待下一个超帧周期的开始又发送信标帧。非信标模式则比较灵活，节点均以竞争方式接入信道，不需要周期性的发送信标帧。显然，信标方式同步性能好，但这种同步网络的规模不能很大。

　　4. 基于ZigBee技术的小区照明系统

　　4.1. 硬件设计

　　ZigBee传输距离远、功耗低、成本低等的特点，非常适合于小区路灯照明系统。硬件上参考TI公司开发的ZigBee专用CC2530单片机的母版设计 ［4］ ，终端设备使用BH1750FVI数字光照传感器进行光照强度的数据采集，设计CC2530还有继电器输出，用于驱动路灯的开关，电路如图4所示。

　　协调器与路由器也参考TI母版电路，协调器在CC2530串行口上接入RS232转换芯片与服务器连接。

　　4.2. 软件设计

　　使用IAR开发平台与TI公司的Z-stack协议栈，该协议栈由TI公司提供给用户的一个开放的ZigBee网络开发包，是ZigBee的一种具体实现，Z-Stack包含了网状网络拓扑的几近于全功能的协议栈，用户可以直接使用Z-stack进行开发 ［5］ ，其框架如图5所示。Z-stack已经将系统平台层与协议层封装好了，用户只需根据自己的网络与程序对应用层进行修改，使得用户的开发周期大大缩短，而且网络系统的可靠性得到了很好的保护。

　　图4. 终端设备电路图

　　根据小区路灯照明系统的特点，系统采用网状网络结构，路由根据路灯的分布情况带若干个终端设备，终端设备进行数据采集以及控制，路由设置在Z-stack里修改f8wConfig.cfg文件进行设置，路由表大小设置MAX_RTG_ENTRIES，按节点数10:1进行设置，通信方式采用非信标模式。另外，由于路灯系统本身有供电电源，因此ZigBee模块使用路灯的电源进行整流变压供电，采用锂电池作备用电源，当路灯电源线路出现故障断电，ZigBee模块可以使用锂电池继续进行工作，通过ZigBee网络并将断电故障信息上报至服务器。

　　4.3. 实验

　　将ZigBee模块按距离30米路灯的间隔进行分布，如图6所示模拟路灯分布，布置20个终端设备对路灯进行光照强度的采集、供电信号的采集，并带有继电器控制输出。按分布使用了6个路由设备，协调器使用RS232转换芯片与PC串行口进行通信，服务器端使用VB编写终端监控软件显示各个终端设备采集的信息，发送继电器闭合与断开指令信号。在断电的情况下，备用电池可以继续维持单片机的供电，并将断电信息发送回PC终端。

　　图5. Z-stack协议栈框架

　　图6. ZigBee技术的路灯控制网络

　　表2. 路由丢包率性能测试

　　实验显示，20个终端设备的采集信息可以完整的显示，继电器闭合与断开的指令也能从服务器端发送到终端设备，在路由测试上，分别对4个路由进行故障性测试，实验数据如表2所示。由表2数据可知，在传输速率不高的情况下路由特性表现良好。

由实验数据可知，使用ZigBe