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TI-CC2530 當無線射頻控制網(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，就能控制遠程裝置，相當具有吸引力。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家庭自動化及商業(yè)大樓自動化設(shè)定檔更加簡化實際操作，包括照明控制的標準化指令，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)大部分都會在工作時段內(nèi)持續(xù)點亮10～12小時，到了夜間，少部分照明燈會持續(xù)點亮，以維護建筑物及內(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)。在這個網(wǎng)絡(luò)中，有三種不同的裝置類型。這個網(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網(wǎng)絡(luò)，因此只會有一組協(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。為了讓裝置正常運作，路由裝置必須在另一個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。終端裝置一般使用的長效電池供電裝置，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)偵測感應(yīng)器，也可以是傳統(tǒng)的電燈開關(guān)。請注意圖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，信息便會傳送至終端裝置B，狀態(tài)偵測感應(yīng)器隨即確認已發(fā)出“電燈打開”命令，此命令信息會接續(xù)傳遞至網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點。
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)時由終端裝置B接收。當然，此指令的主要目的是透過此信息開啟位于各個路由器的電燈。
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)點之間的聯(lián)機。
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)點間的射頻通訊，圖3顯示其信號傳播方式，即使路徑縮減一半，兩側(cè)仍然能夠在整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳遞信息，永久或暫時因應(yīng)網(wǎng)絡(luò)射頻路徑變化的能力，是ZigBee網(wǎng)絡(luò)獨有的修復(fù)功能。
圖3 繞過阻礙的信息傳播
采星型網(wǎng)絡(luò)拓撲 緊急照明達節(jié)能效果
會議室或講習(xí)室屬于照明考慮的另一個不同層面。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，而且會成為外部控制器的射頻干擾源。
圖4顯示會議室的照明系統(tǒng)，其中有多個天花板照明燈持續(xù)點亮。另外，這個房間的出口處設(shè)有緊急照明系統(tǒng)，這些照明燈也是持續(xù)點亮，如果發(fā)生緊急狀況，在電力中斷的情況下，系統(tǒng)會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?shù)停话銜?/SPAN>1小時內(nèi)與系統(tǒng)互動一兩次。其中所有裝置均在相互影響的范圍內(nèi)，因此只需要一個裝置主動接收，其裝置可輪詢或進入睡眠狀態(tài)。透過所有裝置透過作用中節(jié)點進行通訊的星型網(wǎng)絡(luò)拓撲，就能夠完成此功能。如此的配置能夠使電源開關(guān)及緊急照明達到顯著的節(jié)能效果，而且睡眠中節(jié)點的響應(yīng)時間會因為輪詢周期而增加。另外，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，以便睡眠中節(jié)點在定義的存取時間處理優(yōu)先級信息，這使得ZigBee網(wǎng)絡(luò)能夠關(guān)閉下層裝置的電源，同時定時檢查警報或照明層級變更要求。
圖4 小房間的照明網(wǎng)絡(luò)
長距離回報中斷節(jié)點 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)。其中信號需要長距離傳輸至能夠回報電力中斷的節(jié)點。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?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對點信號，將信號從未運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較短，每個躍進為數(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)定為定時接收模式。定時接收需要與另一個節(jié)點的傳輸進行同步處理，因此較為復(fù)雜。另外，計算信息躍進之間的時間須要考慮輪詢周期。
圖5 信息中繼照明網(wǎng)絡(luò)
節(jié)點B將點對點信息傳送給節(jié)點C，而將“電燈關(guān)閉”信息回報給節(jié)點F。節(jié)點C取得信息時，由于沒有任何歷程記錄，因此得知信息來自節(jié)點B，而且信息預(yù)定傳送至節(jié)點F。此時，節(jié)點C也得知信息傳輸?shù)姆较�，信息是從�?jié)點B傳來，須要傳送至節(jié)點D。在第二次躍進中，節(jié)點C將信息傳送至節(jié)點D，并且將節(jié)點B列入封包的歷程記錄中，以告知節(jié)點D應(yīng)朝什么方向傳輸信息。經(jīng)過兩次躍進后，信息最終傳遞至節(jié)點F(圖6)。
圖6 顯示信息如何傳遞
在這個網(wǎng)絡(luò)中有兩件事情彼此相關(guān)。首先，各個節(jié)點須要在網(wǎng)絡(luò)的搜尋階段得知鄰近節(jié)點的地址。安裝程序需要此程序自動完成，由于節(jié)點數(shù)目可能相當多，因此需要一段較長的時間。其次，如果節(jié)點因為任何原因而未運作，整個傳輸鏈不能夠中斷，否則無法中繼信息。
圖7顯示節(jié)點C的搜尋階段。節(jié)點C以低功率傳輸來傳送廣播信息，要求其它節(jié)點響應(yīng)，而節(jié)點B及D最有可能響應(yīng)。
圖7 搜尋階段
節(jié)點C此時得知最鄰近的節(jié)點是節(jié)點B及D，因此在路由表中應(yīng)該接收到來自這兩個節(jié)點的信息。節(jié)點C會接著增強傳輸功率，以傳送其它廣播信息。節(jié)點B及D會再次回應(yīng)，不過節(jié)點A及E也會回應(yīng)。節(jié)點C此時注意到節(jié)點A及E是第二鄰近的節(jié)點。最后，節(jié)點C將傳輸功率增強至最大，進行最后一次廣播。節(jié)點A、B、D及E如預(yù)期做出回應(yīng)，節(jié)點F也將做出回應(yīng)。由于節(jié)點A以外沒有其它節(jié)點，因此不會有其它節(jié)點做出響應(yīng)。
在此范例中，整個網(wǎng)絡(luò)至此搜尋完畢。當然，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，但不知道方向為何，透過網(wǎng)絡(luò)將信息從開端節(jié)點F(集中裝置)中繼至最終節(jié)點A，然后接續(xù)傳回節(jié)點F，即可得知方向。這有兩個目的：使網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點搜尋鄰近節(jié)點的方向，還有告知開端節(jié)點F網(wǎng)絡(luò)的最終節(jié)點(節(jié)點A)，回到剛才的范例，節(jié)點C此時得知須要將信息傳送至節(jié)點D，才能與節(jié)點F進行通訊，如果節(jié)點D列在傳輸?shù)臍v程記錄中，則該信息應(yīng)傳送至節(jié)點B。
在正常的運作中，節(jié)點會以-10dBm向最鄰近的節(jié)點進行通訊，節(jié)省節(jié)點的電力，并且維持網(wǎng)絡(luò)的正常狀態(tài)。如果系統(tǒng)節(jié)點C停止運作，節(jié)點B及D會增強功率，以略過該節(jié)點進行通訊。當然，節(jié)點D應(yīng)該向集中裝置回報節(jié)點C已停止運作。網(wǎng)絡(luò)范圍主要受限于節(jié)點距離、起始節(jié)點與最終目的地節(jié)點之間的中繼次數(shù)，以及其所定義的系統(tǒng)所需延遲。
以上三個范例都是現(xiàn)今照明應(yīng)用的實際情況，每一個都有與其它范例不同的特定需求，不過這些都有一項共通需求，也就是射頻穩(wěn)定度是系統(tǒng)正常運作的必備條件，而且燈具安裝的環(huán)境有許多可能的變量，會影響該穩(wěn)定度。ZigBee既有的通訊協(xié)議會將一般照明系統(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。在特定應(yīng)用中，可配置較簡單的星型網(wǎng)絡(luò)，以便設(shè)置較低功率的節(jié)點及較簡單的操作方式。
最后，在某些應(yīng)用中，由于躍進限制，ZigBee及星型網(wǎng)絡(luò)不是切實可行的替代作法，對于這些應(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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