为确保实现“十三五”节能减排目标，国家树立了创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念，需要不断提高能源利用率。在此背景下，对船舶电力节能也提出了更高的要求。照明作为保障船舶安全航行和船员日常工作生活的重要负载之一，在全船日用电力负荷中所占的比例一直较高，造成这一现象的主要原因正是由于传统照明系统效率低，能耗高。本文介绍了一种基于ZigBee技术的船舶智能照明系统，可以为船舶提供一套绿色智能的照明系统，提高船舶电力使用效率，该系统主要使用在船舶的生活公共照明区域。
本文所设计的智能照明系统在船舶应用中，主要由以下功能组成：
1）具有三种工作模式：白天模式、夜间繁忙模式、夜间智能模式。
2）系统根据光照强度自动检测白天黑夜，白天模式所有灯具自动关闭。进入黑夜后，系统转化为繁忙模式，灯具按100%功率高亮提供照明。
3）过了繁忙模式时间段后，系统进入夜间智能模式，灯具按照额定功率的30%低亮提供照明，当有人通过时灯具按高亮照明。灯具之间通过信息交互，根据通行路线提前开启下一盏路灯。人离开后一段时间内，灯具恢复到低亮。
4）夜间繁忙模式和空闲模式时间段可按照船舶生活作息时间设定。
5）具备应急功能，应急情况下，所有灯具全部按照高亮照明。
6）可以通过系统控制任意灯具的开和关，利于维修和管理。
7）有灯具出现故障或未按照正常模式工作，可实现自动故障报警。在管理机可以查询到所有灯具的信息，包括工作时间灯和故障信息灯。
基于ZigBee 的智能照明系统，以ZigBee 为通信手段。ZigBee 是一种短距离、低功耗、低速率、低成本的无线接入技术。目前，ZigBee 技术广泛应用于灾害管理、智能城市、电子医疗等众多领域。智能照明系统具体组成如图1所示。
图1 智能照明系统组成图
ZigBee 网络将每个灯具组成网络联系在一起，每个灯具作为一个ZigBee 通信节点，通过无线的方式与管理系统进行数据通信。灯具节点包括ZigBee 节点、探测器、LED 驱动电源和LED 灯。管理机的ZigBee 节点作为ZigBee 网络的协调器，负责建立和管理整个ZigBee网络，灯具的ZigBee 节点选择路由器和终端器，路由器和终端器间隔分布。
基于ZigBee 的船舶智能照明系统由管理机、控制端组成，管理机负责管理所有灯具的信息，控制端负责控制照明灯的状态。
在ZigBee 网络里，管理机硬件框架由电源模块、ZigBee 传输模块、信息存储模块和微控制器模块组成。其中：电源模块负责为整个系统提供相应的电压，由LDO 芯片实现；ZigBee 传输模块用于建立和管理整个ZigBee 通信网络，为整个硬件的核心；信息存储模块用于存储每个灯具节点的信息以及工作状态；管理员可以从存储模块查看和维护整个智能照明系统；微控制器模块负责处理ZigBee 传输模块和信息存储模块的信息交互。管理机硬件框架如图2所示。
图2 管理机硬件框图
控制端硬件框架由电源模块、ZigBee传输模块、探测器模块组成。其中，ZigBee传输模块为硬件核心，在控制端ZigBee 分为路由器和协调器，在管理机建立ZigBee网络后，控制端就能加入到网络里面，进行数据通信。探测器模块用于检测人的信号，包含多普勒传感器和热释电红外传感器。控制端硬件框架如图3所示。
图3 控制端硬件框架图
本文设计的船舶智能照明系统是基于ZigBee 网络实现的，因此ZigBee 网络的数据通信是整个系统的关键。其中，网络的建立、节点加入、节点退出、节点重启自动加入、数据通信都是重要任务。
管理机软件主要负责上电建立ZigBee 网络，ZigBee节点加入网络验证，节点信息维护。其具体工作流程如图4所示。
控制单元软件主要完成人员检测、灯具控制、灯具工作信息上传。其具体工作流程如图5所示。
为了验证船舶智能照明系统的节能特性，以100 盏12 W 的照明系统设计为例来进行测试。传统的船舶照明系统LED 灯是一直开着，本文设计的船舶照明系统可以根据要求进行开关。LED 灯从18：00 打开一直到翌日6：00 关闭，采用本文设计的智能照明系统和传统照明系统的耗电曲线如图6所示。
图4 管理机程序流程图
图5 控制端程序流程图
图6 耗能对比图
从图中可知，本文介绍的智能照明系统可以节约电能，提高电力使用效率。
为了提高船舶电力使用效率，本文设计基于ZigBee的船舶智能照明系统，并详细介绍了该系统的组成、系统硬件框架和软件设计。与传统的照明系统相比，该智能照明系统使用ZigBee 组网通信的方式，减少了传统布线方式，采用智能方式控制，提高了用电效率，同时将更好地维护和管理灯具。