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TI-CC2530 當(dāng)無線射頻控制網(wǎng)絡(luò)遇上照明系統(tǒng)
無線射頻(RF)控制與照明能夠達(dá)到絕佳的搭配效果。不須要用有線網(wǎng)絡(luò)，通過小型便攜式控制器，就能控制遠(yuǎn)程裝置，相當(dāng)具有吸引力。經(jīng)過調(diào)查照明產(chǎn)業(yè)的整體需求，即可了解適合采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)提供的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)功能。針對(duì)某些應(yīng)用而言，ZigBee能夠滿足現(xiàn)今大多數(shù)照明系統(tǒng)目前的需要，并且具有絕佳功能可因應(yīng)未來需求。采用ZigBee家庭自動(dòng)化及商業(yè)大樓自動(dòng)化設(shè)定檔更加簡(jiǎn)化實(shí)際操作，包括照明控制的標(biāo)準(zhǔn)化指令，使用這些設(shè)定文件的產(chǎn)品只需要最低程度的軟件開發(fā)即可開發(fā)完成。
對(duì)于其它類型的照明系統(tǒng)，雖然ZigBee堪用，但不一定是理想的選擇。本文將探討三種典型的照明應(yīng)用及其需求，解說ZigBee適合某種應(yīng)用而其它替代解決方案適合其它應(yīng)用的原因。
具備射頻路徑變化能力 ZigBee可修復(fù)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸
大多數(shù)人都在大型建筑中工作，其中有多排同款式照明燈并列并少有墻壁隔間，這些照明燈能夠照亮大范圍的開放式空間。照明系統(tǒng)大部分都會(huì)在工作時(shí)段內(nèi)持續(xù)點(diǎn)亮10～12小時(shí)，到了夜間，少部分照明燈會(huì)持續(xù)點(diǎn)亮，以維護(hù)建筑物及內(nèi)部設(shè)施的安全。
圖1顯示控制大范圍照明區(qū)域的一般ZigBee網(wǎng)絡(luò)。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，有三種不同的裝置類型。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)是由協(xié)調(diào)裝置所建立，并控制網(wǎng)絡(luò)中的裝置如何相互影響。由于協(xié)調(diào)裝置能夠最終控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，因此只會(huì)有一組協(xié)調(diào)裝置。另外，一旦建立網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)裝置的作業(yè)即告完成，并且從系統(tǒng)中消失，而回復(fù)為路由器的功能。路由器單純只在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳遞信息，負(fù)責(zé)傳遞路由器下層裝置之間的信息，而這些下層裝置都是加入網(wǎng)絡(luò)中的其它路由或終端裝置。不屬于路由器下層裝置的信息則會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中接續(xù)傳播至預(yù)定的接收裝置。為了讓裝置正常運(yùn)作，路由裝置必須在另一個(gè)路由裝置的射頻范圍內(nèi)，并且持續(xù)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳遞的新信息。
圖1 廣域照明網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)
終端裝置是可關(guān)閉電源以節(jié)省耗電量的ZigBee節(jié)點(diǎn)。終端裝置一般使用的長(zhǎng)效電池供電裝置，這些裝置并不一定處于信息監(jiān)看的接收模式，因此無法在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中作為路由器之用，而會(huì)成為路由器的下層裝置，依賴路由器傳遞及接收信息。在照明系統(tǒng)中，一般終端裝置可以是照明亮度或狀態(tài)偵測(cè)感應(yīng)器，也可以是傳統(tǒng)的電燈開關(guān)。請(qǐng)注意圖1中的桌燈。即使這些裝置是電燈控制器，也可以是終端裝置。這些裝置可成為路由器下層裝置，同時(shí)仍然能夠接收上層裝置的照明指令。
以圖1中的網(wǎng)絡(luò)為例，裝置A是電燈開關(guān)，一旦將開關(guān)打開，信息便會(huì)傳送至終端裝置B，狀態(tài)偵測(cè)感應(yīng)器隨即確認(rèn)已發(fā)出“電燈打開”命令，此命令信息會(huì)接續(xù)傳遞至網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)。
圖2顯示信息如何在網(wǎng)絡(luò)中接續(xù)傳播而在第六次傳輸(也稱為躍進(jìn))時(shí)由終端裝置B接收。當(dāng)然，此指令的主要目的是透過此信息開啟位于各個(gè)路由器的電燈。
圖2 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的信息傳播
網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)并非只有信息傳播這一項(xiàng)功能而已。假設(shè)使用增加既有的照明網(wǎng)絡(luò)或改變室內(nèi)空間而阻礙節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)機(jī)。
圖3顯示加入大型暖氣、通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)(HVAC)導(dǎo)管的照明系統(tǒng)。假設(shè)導(dǎo)管阻礙與導(dǎo)管相交節(jié)點(diǎn)間的射頻通訊，圖3顯示其信號(hào)傳播方式，即使路徑縮減一半，兩側(cè)仍然能夠在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳遞信息，永久或暫時(shí)因應(yīng)網(wǎng)絡(luò)射頻路徑變化的能力，是ZigBee網(wǎng)絡(luò)獨(dú)有的修復(fù)功能。
圖3 繞過阻礙的信息傳播
采星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹【o急照明達(dá)節(jié)能效果
會(huì)議室或講習(xí)室屬于照明考慮的另一個(gè)不同層面。這些照明系統(tǒng)不需要在大范圍照明區(qū)域內(nèi)傳播信息，因此實(shí)際的作法有所不同，只須要控制該室內(nèi)空間的照明即可，不僅不須要控制該室內(nèi)空間以外的照明，而且會(huì)成為外部控制器的射頻干擾源。
圖4顯示會(huì)議室的照明系統(tǒng)，其中有多個(gè)天花板照明燈持續(xù)點(diǎn)亮。另外，這個(gè)房間的出口處設(shè)有緊急照明系統(tǒng)，這些照明燈也是持續(xù)點(diǎn)亮，如果發(fā)生緊急狀況，在電力中斷的情況下，系統(tǒng)會(huì)以低電量盡可能維持緊急照明，而且電源開關(guān)是可攜式，耗電量相當(dāng)?shù)停话銜?huì)在1小時(shí)內(nèi)與系統(tǒng)互動(dòng)一兩次。其中所有裝置均在相互影響的范圍內(nèi)，因此只需要一個(gè)裝置主動(dòng)接收，其裝置可輪詢或進(jìn)入睡眠狀態(tài)。透過所有裝置透過作用中節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)�，就能夠完成此功能。如此的配置能夠使電源開關(guān)及緊急照明達(dá)到顯著的節(jié)能效果，而且睡眠中節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)時(shí)間會(huì)因?yàn)檩喸冎芷诙黾�。另外�?/SPAN>ZigBee也可用于此系統(tǒng)中，由叢集樹狀向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出信標(biāo)，以便睡眠中節(jié)點(diǎn)在定義的存取時(shí)間處理優(yōu)先級(jí)信息，這使得ZigBee網(wǎng)絡(luò)能夠關(guān)閉下層裝置的電源，同時(shí)定時(shí)檢查警報(bào)或照明層級(jí)變更要求。
圖4 小房間的照明網(wǎng)絡(luò)
長(zhǎng)距離回報(bào)中斷節(jié)點(diǎn) 照明系統(tǒng)采方向線性傳輸
圖5顯示星型網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)均不適用的照明系統(tǒng)。其中信號(hào)需要長(zhǎng)距離傳輸至能夠回報(bào)電力中斷的節(jié)點(diǎn)。不同于ZigBee在大范圍的區(qū)域內(nèi)傳播信息，這里的信息須要朝適當(dāng)?shù)姆较蚓�性傳輸。
圖5顯示停止作用的電燈。信息需要中繼至集中裝置傳送給技術(shù)人員，這是透過其它電燈的一系列點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信號(hào)，將信號(hào)從未運(yùn)作的電燈地址傳送至集中裝置的地址。如果電燈是透過線路供電，無線射頻能夠持續(xù)處于接收模式，以等候信息中繼。在持續(xù)接收的情況下，信息的延遲程度相對(duì)較短，每個(gè)躍進(jìn)為數(shù)百毫秒。如果電燈是以太陽能供電，則電源顯得較為重要，可將裝置設(shè)定為定時(shí)接收模式。定時(shí)接收需要與另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸進(jìn)行同步處理，因此較為復(fù)雜。另外，計(jì)算信息躍進(jìn)之間的時(shí)間須要考慮輪詢周期。
圖5 信息中繼照明網(wǎng)絡(luò)
節(jié)點(diǎn)B將點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信息傳送給節(jié)點(diǎn)C，而將“電燈關(guān)閉”信息回報(bào)給節(jié)點(diǎn)F。節(jié)點(diǎn)C取得信息時(shí)，由于沒有任何歷程記錄，因此得知信息來自節(jié)點(diǎn)B，而且信息預(yù)定傳送至節(jié)點(diǎn)F。此時(shí)，節(jié)點(diǎn)C也得知信息傳輸?shù)姆较�，信息是從�?jié)點(diǎn)B傳來，須要傳送至節(jié)點(diǎn)D。在第二次躍進(jìn)中，節(jié)點(diǎn)C將信息傳送至節(jié)點(diǎn)D，并且將節(jié)點(diǎn)B列入封包的歷程記錄中，以告知節(jié)點(diǎn)D應(yīng)朝什么方向傳輸信息。經(jīng)過兩次躍進(jìn)后，信息最終傳遞至節(jié)點(diǎn)F(圖6)。
圖6 顯示信息如何傳遞
在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中有兩件事情彼此相關(guān)。首先，各個(gè)節(jié)點(diǎn)須要在網(wǎng)絡(luò)的搜尋階段得知鄰近節(jié)點(diǎn)的地址。安裝程序需要此程序自動(dòng)完成，由于節(jié)點(diǎn)數(shù)目可能相當(dāng)多，因此需要一段較長(zhǎng)的時(shí)間。其次，如果節(jié)點(diǎn)因?yàn)槿魏卧蚨催\(yùn)作，整個(gè)傳輸鏈不能夠中斷，否則無法中繼信息。
圖7顯示節(jié)點(diǎn)C的搜尋階段。節(jié)點(diǎn)C以低功率傳輸來傳送廣播信息，要求其它節(jié)點(diǎn)響應(yīng)，而節(jié)點(diǎn)B及D最有可能響應(yīng)。
圖7 搜尋階段
節(jié)點(diǎn)C此時(shí)得知最鄰近的節(jié)點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)B及D，因此在路由表中應(yīng)該接收到來自這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息。節(jié)點(diǎn)C會(huì)接著增強(qiáng)傳輸功率，以傳送其它廣播信息。節(jié)點(diǎn)B及D會(huì)再次回應(yīng)，不過節(jié)點(diǎn)A及E也會(huì)回應(yīng)。節(jié)點(diǎn)C此時(shí)注意到節(jié)點(diǎn)A及E是第二鄰近的節(jié)點(diǎn)。最后，節(jié)點(diǎn)C將傳輸功率增強(qiáng)至最大，進(jìn)行最后一次廣播。節(jié)點(diǎn)A、B、D及E如預(yù)期做出回應(yīng)，節(jié)點(diǎn)F也將做出回應(yīng)。由于節(jié)點(diǎn)A以外沒有其它節(jié)點(diǎn)，因此不會(huì)有其它節(jié)點(diǎn)做出響應(yīng)。
在此范例中，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)至此搜尋完畢。當(dāng)然，這屬于小范圍的搜尋，不過已足以呈現(xiàn)出裝置如何得知鄰近裝置的過程。經(jīng)過此程序之后，所有的裝置均得知鄰近的裝置有哪些，但不知道方向?yàn)楹�，透過網(wǎng)絡(luò)將信息從開端節(jié)點(diǎn)F(集中裝置)中繼至最終節(jié)點(diǎn)A，然后接續(xù)傳回節(jié)點(diǎn)F，即可得知方向。這有兩個(gè)目的：使網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)搜尋鄰近節(jié)點(diǎn)的方向，還有告知開端節(jié)點(diǎn)F網(wǎng)絡(luò)的最終節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)A)，回到剛才的范例，節(jié)點(diǎn)C此時(shí)得知須要將信息傳送至節(jié)點(diǎn)D，才能與節(jié)點(diǎn)F進(jìn)行通訊，如果節(jié)點(diǎn)D列在傳輸?shù)臍v程記錄中，則該信息應(yīng)傳送至節(jié)點(diǎn)B。
在正常的運(yùn)作中，節(jié)點(diǎn)會(huì)以-10dBm向最鄰近的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊，節(jié)省節(jié)點(diǎn)的電力，并且維持網(wǎng)絡(luò)的正常狀態(tài)。如果系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)C停止運(yùn)作，節(jié)點(diǎn)B及D會(huì)增強(qiáng)功率，以略過該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊。當(dāng)然，節(jié)點(diǎn)D應(yīng)該向集中裝置回報(bào)節(jié)點(diǎn)C已停止運(yùn)作。網(wǎng)絡(luò)范圍主要受限于節(jié)點(diǎn)距離、起始節(jié)點(diǎn)與最終目的地節(jié)點(diǎn)之間的中繼次數(shù)，以及其所定義的系統(tǒng)所需延遲。
以上三個(gè)范例都是現(xiàn)今照明應(yīng)用的實(shí)際情況，每一個(gè)都有與其它范例不同的特定需求，不過這些都有一項(xiàng)共通需求，也就是射頻穩(wěn)定度是系統(tǒng)正常運(yùn)作的必備條件，而且燈具安裝的環(huán)境有許多可能的變量，會(huì)影響該穩(wěn)定度。ZigBee既有的通訊協(xié)議會(huì)將一般照明系統(tǒng)的許多需求納入考慮。ZigBee的功能是業(yè)界有效的多功能選項(xiàng)。在特定應(yīng)用中，可配置較簡(jiǎn)單的星型網(wǎng)絡(luò)，以便設(shè)置較低功率的節(jié)點(diǎn)及較簡(jiǎn)單的操作方式。
最后，在某些應(yīng)用中，由于躍進(jìn)限制，ZigBee及星型網(wǎng)絡(luò)不是切實(shí)可行的替代作法，對(duì)于這些應(yīng)用，則須要部署符合系統(tǒng)需求的專屬網(wǎng)絡(luò)。
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