TI-CC2530 當無線射頻控制網絡遇上照明系統

無線射頻(RF)控制與照明能夠達到絕佳的搭配效果。不須要用有線網絡，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。經過調查照明產業的整體需求，即可了解適合采用ZigBee網絡提供的網狀網絡功能。針對某些應用而言，ZigBee能夠滿足現今大多數照明系統目前的需要，并且具有絕佳功能可因應未來需求。采用ZigBee家庭自動化及商業大樓自動化設定檔更加簡化實際操作，包括照明控制的標準化指令，使用這些設定文件的產品只需要最低程度的軟件開發即可開發完成。

對于其它類型的照明系統，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用及其需求，解說ZigBee適合某種應用而其它替代解決方案適合其它應用的原因。

具備射頻路徑變化能力　ZigBee可修復網絡信號傳輸

大多數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。照明系統大部分都會在工作時段內持續點亮10～12小時，到了夜間，少部分照明燈會持續點亮，以維護建筑物及內部設施的安全。

圖1顯示控制大范圍照明區域的一般ZigBee網絡。在這個網絡中，有三種不同的裝置類型。這個網絡是由協調裝置所建立，并控制網絡中的裝置如何相互影響。由于協調裝置能夠最終控制整個網絡，因此只會有一組協調裝置。另外，一旦建立網絡，協調裝置的作業即告完成，并且從系統中消失，而回復為路由器的功能。路由器單純只在網絡內傳遞信息，負責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絡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絡中接續傳播至預定的接收裝置。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，并且持續監聽網絡內傳遞的新信息。

圖1 廣域照明網絡中的網狀網絡

終端裝置是可關閉電源以節省耗電量的ZigBee節點。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看的接收模式，因此無法在ZigBee網絡中作為路由器之用，而會成為路由器的下層裝置，依賴路由器傳遞及接收信息。在照明系統中，一般終端裝置可以是照明亮度或狀態偵測感應器，也可以是傳統的電燈開關。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中的網絡為例，裝置A是電燈開關，一旦將開關打開，信息便會傳送至終端裝置B，狀態偵測感應器隨即確認已發出“電燈打開”命令，此命令信息會接續傳遞至網絡中所有的節點。  

圖2顯示信息如何在網絡中接續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 網狀網絡的信息傳播

網狀網絡并非只有信息傳播這一項功能而已。假設使用增加既有的照明網絡或改變室內空間而阻礙節點之間的聯機。

圖3顯示加入大型暖氣、通風、空氣調節(HVAC)導管的照明系統。假設導管阻礙與導管相交節點間的射頻通訊，圖3顯示其信號傳播方式，即使路徑縮減一半，兩側仍然能夠在整個網絡內傳遞信息，永久或暫時因應網絡射頻路徑變化的能力，是ZigBee網絡獨有的修復功能。

圖3 繞過阻礙的信息傳播

采星型網絡拓撲　緊急照明達節能效果 

會議室或講習室屬于照明考慮的另一個不同層面。這些照明系統不需要在大范圍照明區域內傳播信息，因此實際的作法有所不同，只須要控制該室內空間的照明即可，不僅不須要控制該室內空間以外的照明，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，其中有多個天花板照明燈持續點亮。另外，這個房間的出口處設有緊急照明系統，這些照明燈也是持續點亮，如果發生緊急狀況，在電力中斷的情況下，系統會以低電量盡可能維持緊急照明，而且電源開關是可攜式，耗電量相當低，一般會在1小時內與系統互動一兩次。其中所有裝置均在相互影響的范圍內，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。透過所有裝置透過作用中節點進行通訊的星型網絡拓撲，就能夠完成此功能。如此的配置能夠使電源開關及緊急照明達到顯著的節能效果，而且睡眠中節點的響應時間會因為輪詢周期而增加。另外，ZigBee也可用于此系統中，由叢集樹狀向網絡發出信標，以便睡眠中節點在定義的存取時間處理優先級信息，這使得ZigBee網絡能夠關閉下層裝置的電源，同時定時檢查警報或照明層級變更要求。

圖4 小房間的照明網絡

長距離回報中斷節點　照明系統采方向線性傳輸 

圖5顯示星型網絡與傳統網狀網絡均不適用的照明系統。其中信號需要長距離傳輸至能夠回報電力中斷的節點。不同于ZigBee在大范圍的區域內傳播信息，這里的信息須要朝適當的方向線性傳輸。  

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，無線射頻能夠持續處于接收模式，以等候信息中繼。在持續接收的情況下，信息的延遲程度相對較短，每個躍進為數百毫秒。如果電燈是以太陽能供電，則電源顯得較為重要，可將裝置設定為定時接收模式。定時接收需要與另一個節點的傳輸進行同步處理，因此較為復雜。另外，計算信息躍進之間的時間須要考慮輪詢周期。

圖5 信息中繼照明網絡

節點B將點對點信息傳送給節點C，而將“電燈關閉”信息回報給節點F。節點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點B，而且信息預定傳送至節點F。此時，節點C也得知信息傳輸的方向，信息是從節點B傳來，須要傳送至節點D。在第二次躍進中，節點C將信息傳送至節點D，并且將節點B列入封包的歷程記錄中，以告知節點D應朝什么方向傳輸信息。經過兩次躍進后，信息最終傳遞至節點F(圖6)。

圖6 顯示信息如何傳遞

在這個網絡中有兩件事情彼此相關。首先，各個節點須要在網絡的搜尋階段得知鄰近節點的地址。安裝程序需要此程序自動完成，由于節點數目可能相當多，因此需要一段較長的時間。其次，如果節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顯示節點C的搜尋階段。節點C以低功率傳輸來傳送廣播信息，要求其它節點響應，而節點B及D最有可能響應。

圖7 搜尋階段

節點C此時得知最鄰近的節點是節點B及D，因此在路由表中應該接收到來自這兩個節點的信息。節點C會接著增強傳輸功率，以傳送其它廣播信息。節點B及D會再次回應，不過節點A及E也會回應。節點C此時注意到節點A及E是第二鄰近的節點。最后，節點C將傳輸功率增強至最大，進行最后一次廣播。節點A、B、D及E如預期做出回應，節點F也將做出回應。由于節點A以外沒有其它節點，因此不會有其它節點做出響應。

在此范例中，整個網絡至此搜尋完畢。當然，這屬于小范圍的搜尋，不過已足以呈現出裝置如何得知鄰近裝置的過程。經過此程序之后，所有的裝置均得知鄰近的裝置有哪些，但不知道方向為何，透過網絡將信息從開端節點F(集中裝置)中繼至最終節點A，然后接續傳回節點F，即可得知方向。這有兩個目的：使網絡中的節點搜尋鄰近節點的方向，還有告知開端節點F網絡的最終節點(節點A)，回到剛才的范例，節點C此時得知須要將信息傳送至節點D，才能與節點F進行通訊，如果節點D列在傳輸的歷程記錄中，則該信息應傳送至節點B。

在正常的運作中，節點會以-10dBm向最鄰近的節點進行通訊，節省節點的電力，并且維持網絡的正常狀態。如果系統節點C停止運作，節點B及D會增強功率，以略過該節點進行通訊。當然，節點D應該向集中裝置回報節點C已停止運作。網絡范圍主要受限于節點距離、起始節點與最終目的地節點之間的中繼次數，以及其所定義的系統所需延遲。  

以上三個范例都是現今照明應用的實際情況，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，也就是射頻穩定度是系統正常運作的必備條件，而且燈具安裝的環境有許多可能的變量，會影響該穩定度。ZigBee既有的通訊協議會將一般照明系統的許多需求納入考慮。ZigBee的功能是業界有效的多功能選項。在特定應用中，可配置較簡單的星型網絡，以便設置較低功率的節點及較簡單的操作方式。

最后，在某些應用中，由于躍進限制，ZigBee及星型網絡不是切實可行的替代作法，對于這些應用，則須要部署符合系統需求的專屬網絡。