无线射频控制网络ZigBee在照明系统中的应用

无线射频(RF)控制与照明能够达到绝佳的搭配效果。不需要运作有线网络，通过小型可携式控制器，就能控制远程设备，相当具有吸引力。经过概略调查照明产业的整体需求，即可了解适合采用ZigBee网络提供的网状网络功能。针对某些应用而言，ZigBee能够满足现今大多数照明系统目前的需要，并且具有绝佳功能可顺应未来需求。采用ZigBee家庭自动化及商业大楼自动化配置文件更加简化实际操作，包括照明控制的标准化指令，使用这些配置文件的产品只需要最低程度的软件即可开发完成。

对于其他类型的照明系统，虽然ZigBee堪用，但不一定是理想的选择。本文将探讨三种典型的照明应用及其需求，解说ZigBee适合某种应用而其他替代解决方案适合其他应用的原因。

具备射频路径变化能力　ZigBee可修复网络信号传输

大多数人都在大型建筑中工作，其中有多排同款式照明灯并列并少有墙壁隔间，这些照明灯能够照亮大范围的开放式空间。照明系统大部分都会在工作时段内持续点亮10～12小时，到了夜间，少部分照明灯会持续点亮，以维护建筑物及内部设施的安全。

图1显示控制大范围照明区域的一般ZigBee网络。在这个网络中，有三种不同的设备类型。这个网络是由协调设备所建立，并控制网络中的设备如何相互影响。由于协调设备能够最终控制整个网络，因此只会有一组协调设备。另外，一旦建立网络，协调设备的作业即告完成，并且从系统中消失，而回复为路由器的功能。路由器单纯只在网络内传递信息，负责传递路由器下层设备之间的信息，而这些下层设备都是加入网络中的其他路由或终端设备。不属于路由器下层设备的信息则会在网络中接续传播至预定的接收设备。为了让设备正常运作，路由设备必须在另一个路由设备的射频范围内，并且持续监听网络内传递的新信息。

图1 广域照明网络中的网状网络

终端设备是可关闭电源以节省耗电量的ZigBee节点。终端设备一般使用的长效电池供电设备，这些设备并不一定处于信息监看的接收模式，因此无法在ZigBee网络中作为路由器之用，而会成为路由器的下层设备，依赖路由器传递及接收信息。在照明系统中，一般终端设备可以是照明亮度或状态侦测传感器，也可以是传统的电灯开关。请注意图1中的桌灯。即使这些设备是电灯控制器，也可以是终端设备。这些设备可成为路由器下层设备，同时仍然能够接收上层设备的照明指令。

以图1中的网络为例，设备A是电灯开关，一旦将开关打开，信息便会传送至终端设备B，状态侦测传感器随即确认已发出“电灯打开”命令，此命令信息会接续传递至网络中所有的节点。

图2显示信息如何在网络中接续传播而在第六次传输(也称为跃进)时由终端设备B接收。当然，此指令的主要目的是通过此信息开启位于各个路由器的电灯。

图2 网状网络的信息传播

网状网络并非只有信息传播这一项功能而已。假设使用增加既有的照明网络或修改室内空间，网状网络阻绝节点之间的联机。

图3显示加入大型暖气、通风、空气调节(HVAC)导管的照明系统。假设导管阻绝与导管相交节点间的射频通信，图3显示其信号传播方式，即使路径缩减一半，两侧仍然能够在整个网络内传递信息，永久或暂时顺应网络射频路径变化的能力，是ZigBee网络独有的修复功能。

图3 绕过阻碍的信息传播

采用星型网络拓扑　紧急照明达节能效果

会议室或讲习室属于照明考虑的另一个不同层面。这些照明系统不需要在大范围照明区域内传播信息，因此实际的作法有所不同，只需要控制该室内空间的照明即可，不仅不需要控制该室内空间以外的照明，而且会成为外部控制器的射频干扰源。

图4显示会议室的照明系统，其中有多个天花板照明灯持续点亮。另外，这个房间的出口处设有紧急照明系统，这些照明灯也是持续点亮，如果发生紧急状况，在电力中断的情况下，系统会以低电量尽可能维持紧急照明，而且电源开关是可携式，耗电量相当低，一般会在1小时内与系统互动一两次。其中所有设备均在相互影响的范围内，因此只需要一个设备主动接收，其设备可轮询或进入睡眠状态。通过所有设备通过作用中节点进行通信的星型网络拓扑，就能够完成此功能。如此的配置能够使电源开关及紧急照明达到显著的节能效果，而且睡眠中节点的响应时间会因为轮询周期而增加。另外，ZigBee也可用于此系统中，由丛集树状向网络发出信标，以便睡眠中节点在定义的访问时间处理优先级信息，这使得ZigBee网络能够关闭下层设备的电源，同时定时检查警报或照明层级变更要求。

图4 小房间的照明网络

长距离回传中断节点　照明系统采方向线性传输

图5显示星型网络与传统网状网络均不适用的照明系统。其中信号需要长距离传输至能够回传电力中断的节点。不同于ZigBee在大范围的区域内传播信息，这里的信息需要朝适当的方向线性传输。

图5显示停止作用的电灯。信息需要中继至集中设备传送给技术人员，这是通过其他电灯的一系列点对点信号，将信号从未运作的电灯地址传送至集中设备的地址。如果电灯是通过线路供电，无线射频能够持续处于接收模式，以等候信息中继。在持续接收的情况下，信息的延迟程度相对较短，每个跃进为数百毫秒。如果电灯是以太阳能供电，则电源显得较为重要，可将设备设定为定时接收模式。定时接收需要与另一个节点的传输进行同步处理，因此较为复杂。另外，计算信息跃进之间的时间需要考虑轮询周期。

图5 信息中继照明网络

节点B将点对点信息传送给节点C，而将“电灯关闭”信息回传给节点F。节点C取得信息时，由于没有任何历程记录，因此得知信息来自节点B，而且信息预定传送至节点F。此时，节点C也得知信息传输的方向，信息是从节点B传来，需要传送至节点D。在第二次跃进中，节点C将信息传送至节点D，并且将节点B列入封包的历程记录中，以告知节点D应朝什么方向传输信息。经过两次跃进后，信息最终传递至节点F(图6)。

图6 显示信息如何传递

 
在这个网络中有两件事情彼此相关。首先，各个节点需要在网络的搜寻阶段得知邻近节点的地址。安装程序需要此程序自动完成，由于节点数目可能相当多，因此需要一段较长的时间。其次，如果节点因为任何原因而未运作，整个传输链不能够中断，否则无法中继信息。

图7显示节点C的搜寻阶段。节点C以低功率传输来传送广播消息，要求其他节点响应，而节点B及D最有可能响应。

图7 搜寻阶段

节点C此时得知最邻近的节点是节点B及D，因此在路由表中应该接收到来自这两个节点的信息。节点C会接着增强传输功率，以传送其他广播消息。节点B及D会再次回应，不过节点A及E也会回应。节点C此时注意到节点A及E是第二邻近的节点。最后，节点C将传输功率增强至最大，进行最后一次广播。节点A、B、D及E如预期做出回应，节点F也将做出回应。由于节点A以外没有其他节点，因此不会有其他节点做出回应。

在此范例中，整个网络至此搜寻完毕。当然，这属于小范围的搜寻，不过已足以呈现出设备如何得知邻近设备的过程。经过此程序之后，所有的设备均得知邻近的设备有哪些，但不知道方向为何，通过网络将信息从开端节点F(集中设备)中继至最终节点A，然后接续传回节点F，即可得知方向。这有两个目的：使网络中的节点搜寻邻近节点的方向，还有告知开端节点F网络的最终节点(节点A)，回到刚才的范例，节点C此时得知需要将信息传送至节点D，才能与节点F进行通信，如果节点D列在传输的历程记录中，则该信息应传送至节点B。

在正常的运作中，节点会以-10dBm向最邻近的节点进行通信，节省节点的电力，并且维持网络的正常状态。如果系统节点C停止运作，节点B及D会增强功率，以略过该节点进行通信。当然，节点D应该向集中设备回传节点C已停止运作。网络范围主要受限于节点距离、起始节点与最终目的地节点之间的中继次数，以及其所定义的系统所需延迟。

以上三个范例都是现今照明应用的实际情况，每一个都有与其他范例不同的特定需求，不过这些都有一项共通需求，也就是射频稳定度是系统正常运作的必备条件，而且灯具安装的环境有许多可能的变量，会影响该稳定度。ZigBee既有的通信协议会将一般照明系统的许多需求纳入考虑。ZigBee的功能是业界有效的多功能选项。在特定应用中，可配置较简单的星型网络，以便设置较低功率的节点及较简单的操作方式。

最后，在某些应用中，由于跃进限制，ZigBee及星型网络不是切实可行的替代作法，对于这些应用，则需要部署符合系统需求的专属网络。

作者：Mike Claassen 全球终端设备应用经理，德州仪器