Система дистанційного керування освітленням на основі протоколу ZigBee

Осадченко, Анатолій Олександрович
Будь ласка, використовуйте цей ідентифікатор, щоб цитувати або посилатися на цей матеріал: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8247
Назва:	Система дистанційного керування освітленням на основі протоколу ZigBee
Автори:	Чорній, Андрій Михайлович Осадченко, Анатолій Олександрович
Ключові слова:	протокол zigbee;pwm-інтерфейс;радіоканал;дистанційне керування освітленням
Дата публікації:	2023
Короткий огляд (реферат):	В даній роботі розглянуто принцип побудови мережі дистанційного керування освітленням. Оскільки радіомодулі мають повноцінний функціонал блок-схема системи управління може бути реалізована з мінімальною кількістю компонентів. Регулювання яскравості здійснюється за допомогою широтно-імпульсної модуляції, оскільки всі вузли мають PWM-інтерфейс. Розширені можливості можна отримати, якщо в блок-схему керування світильником додати мікроконтролер, який візьме на себе функції керування навантаженням, а модулі XBee виступають лише як складові радіоканалу для обміну управляючими командами.
URI (Уніфікований ідентифікатор ресурсу):	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8247
Розташовується у зібраннях:	172 Електронні комунікації та радіотехніка (Телекомунікації)
Файли цього матеріалу:
Файл	Опис	Розмір	Формат
Б_172_ТК_Осадченко_Чорній_2023.pdf Restricted Access		1.47 MB	Adobe PDF	Переглянути/Відкрити Запит копії
Показати повний опис матеріалу Перегляд статистики
Усі матеріали в архіві електронних ресурсів захищено авторським правом, усі права збережено.
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ 
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ 
ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОННИХ ТЕХНОЛОГІЙ, АВТОТРАНСПОРТУ ТА 
МАШИНОБУДУВАННЯ 
КАФЕДРА РОБОТОТЕХНІЧНИХ І ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНИХ СИСТЕМ ТА 
КІБЕРБЕЗПЕКИ 
 
До захисту допущено  
завідувач кафедри РТСК 
д.т.н., професор __________ В.В. Палагін  
"_____" червня 2023 року 
 
 
Пояснювальна записка 
до випускної роботи 
освітнього ступеня «бакалавр» 
на тему: «Система дистанційного керування освітленням  
на основі протоколу ZigBee» 
 
 Виконав студент 2(4) курсу, групи СКТК-18 
Спеціальність – 172 «Телекомунікації та 
 радіотехніка» 
 Освітня програма – «Телекомунікації» 
 Осадченко Анатолій Олександрович 
 Керівник роботи Чорній А.М. 
 Рецензент Протасов С.Ю. 
 
 
 
Черкаси 2023 
  
Форма № Н-9.01 
Черкаський державний технологічний університет 
(назва вузу) 
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування 
Кафедра Робототехнічних і телекомунікаційних систем та кібербезпеки 
Освітній ступінь бакалавр 
Спеціальність 172 -  Телекомунікації та радіотехніка 
Освітня програма Телекомунікації 
 ЗАТВЕРДЖУЮ 
 Завідувач кафедри РТРСК 
 д.т.н., професор Палагін В.В. 
   
 « 16 » січня  2023 р. 
 
ЗАВДАННЯ 
на дипломний проект (роботу) студенту 
Осадченку Анатолію Олександровичу 
(прізвище, ім'я, по батькові) 
1. Тема проекту (роботи) Система дистанційного керування освітленням на основі протоколу  
ZigBee 
керівник проекту (роботи) Чорній Андрій Михайлович, к.т.н., доцент 
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання) 
затверджена наказом по університету від « 28 »  лютого       2023 р.  № 45/04 
2. Строк подання студентом проекту (роботи) 1 червня 2023 р. 
Частота 2,4 ГГц, дальність зв’язку у  
3. Вихідні дані до проекту (роботи) 
приміщенні/міській забудові: до 40 м; поза приміщенням в зоні прямої видимості: до 120 м, 
потужність передачі: 2 мВт (+3 дБм); чутливість прийому: -95 дБм; швидкість передачі даних 
RF: 250,000 біт/сек, потужність навантаження: 40 Вт 
 
4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, які потрібно розробити)______ 
Вступ. 1. Огляд стандартів бездротового зв'язку для інтелектуальних пристроїв IoT.  
2. Сутність технології ZigBee. 3. Розробка системи дистанційного керування світильника на  
основі протоколу ZigBee. 4. Охорона праці. Висновки. Список використаної літератури 
5. Перелік графічного матеріалу (з точним зазначенням обов’язкових креслень)  
16 слайдів в PowerPoint 
6. Консультанти з проекту (роботи) із зазначенням розділів проекту, що їх стосуються 
  Підпис, дата 
Розділ Прізвище, ініціали та посада  завдання         завдання 
видав прийняв 
консультанта 
Охорона праці Кожем’якін О.С., ст. викладач   
 кафедри геодезії, землеустрою,   
 будівельних конструкцій та   
 безпеки життєдіяльності   
    
    
 
7. Дата видачі завдання 28 лютого 2023 р. 
 
КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН 
№ Назва етапів дипломного                               С  т  р  о  к   виконання етапів      П   р имітка 
з/п проекту (роботи) проекту (роботи) 
1. Аналіз технічного завдання та огляд літератури 16.01.2023  
2. Ознайомлення зі стандартами бездротового    
 зв’язку для пристроїв ІоТ 01.02.2023  
3. Розробка структурної схеми пристрою    
 дистанційного керування освітленням на основі    
 RF-модулів XBee Series 2 21.02.2023  
4. Підбір вузлів бездротового світлодіодного    
 світильника 21.03.2023  
5. Розробка принципової електричної схеми пристрою   
 дистанційного керування освітленням 15.04.2023  
6. Розробка розділу з охорони праці 01.05.2023  
7. Оформлення пояснювальної записки та презентації 20.05.2023  
    
    
   
 
 Студент   Осадченко А.О. 
  (підпис) (прізвище та ініціали) 
Керівник проекту (роботи)   Чорній А.М. 
  (підпис) (прізвище та ініціали) 
  
Зміст 
Стор.   
Вступ 4 
1. ОГЛЯД СТАНДАРТІВ БЕЗДРОТОВОГО ЗВ'ЯЗКУ ДЛЯ  
ІНТЕЛЕКТУАЛЬНИХ ПРИСТРОЇВ IoT 6 
1.1 Стандарти ZigBee та Wi-Fi 6 
1.2 Протокол Thread 9 
1.3 Протокол зв'язку Bluetooth 14 
1.4 Протоколи ANT та EnOcean 18 
1.5 Технологія NFC 20 
1.6 Різні протоколи в одному модулі 21 
2. СУТНІСТЬ ТЕХНОЛОГІЇ ZIGBEE 23 
2.1 Постановка задачі 23 
2.2 Історія створення та технічні характеристики стандарту ZigBee 24 
2.3 Топологія мережі ZigBee 25 
2.4 Складові частини мережі ZigBee 28 
2.5 Програмна частина протоколу 31 
3. РОЗРОБКА СИСТЕМИ ДИСТАНЦІЙНОГО КЕРУВАННЯ  
СВІТИЛЬНИКА НА ОСНОВІ ПРОТОКОЛУ ZIGBEE 32 
3.1 Розробка структурної схеми системи керованого світильника на основі  
протоколу ZigBee 32 
3.2 Функціональні можливості RF-модулів XBee Series 2 36 
3.3 Схемотехнічна реалізація системи дистанційного керування світильника  
на основі протоколу ZigBee 47 
4. ОХОРОНА ПРАЦІ  59 
4.1 Аналіз умов праці інженера-проектувальника при роботі в  технічній  
лабораторії 59 
4.2 Розробка системи пожежної сигналізації лабораторії 64 
Висновки 71 
Список використаної літератури 73 
 
 
  
ВСТУП 
 
Необхідність використання бездротового керування освітленням у 
приміщеннях може виникнути з найрізноманітніших причин. Найпростіша з них - 
вартість прокладки та обслуговування кабелів для передачі сигналів управління 
виявляється дорожчою за установку бездротових модулів. Ця ситуація особливо 
часто виникає у виробничих цехах, в офісах комерційних фірм, а також у 
державних установах, які нерідко розташовуються в будівлях старої будівлі. Інша 
причина – умови, які виставляють орендодавець. Найчастіше він не дозволяє 
орендарю офісу штробити стіни, прокладати будь-які кабелі та виконувати інші 
роботи, які потрібні при встановленні провідної системи управління. Це стримує 
застосування сучасних освітлювальних систем, що дозволяють значно знизити 
платежі за електроенергію. Тим не менш, орендодавець може дозволити 
встановлення сучасних світильників на посадкові місця від освітлювальних 
приладів, що використовувалися раніше, якщо ж додати до них бездротові модулі, 
то проблема створення системи управління вирішена. Нарешті, для сучасного 
бізнесу характерний стрімкий темп змін, в результаті призначення приміщень та 
розміщення співробітників у них часто змінюються, перекладати щоразу дроти в 
такому разі дуже невигідно. 
Сучасні бездротові системи управління освітленням, як правило, будуються 
за принципом mesh-мережі. Такий спосіб побудови мережі має на увазі, що кожен 
бездротовий модуль на керованому пристрої одночасно є приймачем, передавачем 
та маршрутизатором. Прийняті модулем пакети даних можуть, за потреби, 
ретранслюватися іншими модулями. Завдяки розумній мережі визначаються 
оптимальні маршрути передачі даних. До переваг mesh-мережі можна віднести 
стійкість до дії локальних перешкод (якщо між двома точками мережі в даний 
момент передача даних неможлива, автоматично шукаються обхідні шляхи), а 
також низька потужність передавачів, оскільки сигнал повинен сягати тільки 
сусідніх модулів. Таким чином розробка система дистанційного керування 
освітленням на основі протоколу ZigBee є актуальною задачею. 
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами темами.  
Тематика бакалаврської роботи зв’язана з напрямком науково-практичних 
досліджень по розробці автоматизованих систем передачі інформації, що 
проводяться викладачами кафедри робототехнічних і телекомунікаційних систем 
та кібербезпеки Черкаського державного технологічного університету.  
Метою роботи є розробка системи дистанційного керування освітленням на 
основі протоколу ZigBee 
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання: 
• провести огляд стандартів бездротового зв'язку для інтелектуальних 
пристроїв ІоТ; 
• розглянути принцип технології ZigBee і можливість її застосування для 
дистанційного керування освітленням; 
• розглянути можливі варіанти блок-схеми дистанційного керування 
освітленням; 
• ознайомитись з функціональними можливостями RF-модулів XBee Series 2; 
• здійснити вибір апаратних засобів передавального та приймального модулів 
розробленої системи дистанційного керування освітленням; 
• розробити принципову електричну схему бездротового світлодіодного 
світильника.  
Практична новизна одержаних результатів полягає в тому, отримала 
подальший розвиток ідея бездротового керування освітленням на основі протоколу 
ZigBee. 
 
 
  
1. ОГЛЯД СТАНДАРТІВ БЕЗДРОТОВОГО ЗВ'ЯЗКУ ДЛЯ 
ІНТЕЛЕКТУАЛЬНИХ ПРИСТРОЇВ IoT 
 
1.1 Стандарти ZigBee та Wi-Fi 
 
Тепер, коли перші інтелектуальні пристрої прописалися в наших квартирах 
та будинках, основна увага приділяється не лише мережам з підключенням до 
Інтернету, а й взаємодії інтелектуальних пристроїв IoT. Природно, для цього 
оптимально підходять бездротові технології, і зараз на ринку вже представлені різні 
за своїми можливостями стандарти бездротового зв'язку, вибір яких залежить від 
потреб користувача. 
Для того щоб мати можливість керувати жалюзі, кондиціонером або 
освітленням не тільки через смартфон, але й за допомогою віртуальних приватних 
помічників (virtual private assistant, VPA), таких як Alexa (віртуальний асистент, 
розроблений компанією Amazon, окрім цілого ряду інтелектуальних функцій 
підтримує керування пристроями в «розумному домі»), Siri (хмарний персональний 
помічник і питання-відповідна система компанії Apple), Google Assistant (хмарний 
сервіс персонального асистента від компанії Google), Bixby (віртуальний помічник, 
запропонований Samsung Electronics) або Cortana (віртуальна голосова помічниця з 
елементами штучного інтелекту від Microsoft), а також через інші прилади, 
наприклад, детектори диму, будильники або камери спостереження, всі 
взаємопов'язані пристрої потрібно сформувати в загальну систему, зазвичай 
підключену за інтерфейсами хмар їх постачальників. Використовуючи ці 
інтерфейси, радіобудильник, який намагається розбудити вас вранці, може через 
мережу Wi-Fi отримати музику з Інтернету та відправити сигнал Alexa, щоб ця 
система поступово збільшила яскравість освітлення спальні. 
Зв'язок між VPA та системою освітлення (або конкретним джерелом світла) 
зазвичай здійснюється через шлюз ZigBee WLAN або безпосередньо через Wi-Fi. 
Перевага цього рішення полягає в тому, що для ламп з вбудованим Wi-Fi не 
потрібно додаткового рішення для зв'язку, оскільки вони безпосередньо 
під'єднуються до домашнього маршрутизатора Wi-Fi. До недоліків слід віднести 
досить високий рівень енергоспоживання в режимі очікування та додатковий 
трафік даних у мережі WLAN. У насичених, скажімо так, дуже «розумних» 
домогосподарствах, це може призвести до ситуації, коли доступна швидкість 
передачі в мережі виявиться недостатньою. 
Щоб уникнути описаної ситуації, деякі постачальники використовують 
протокол ZigBee Light-Link. Він споживає менше енергії, ніж з'єднання через Wi-
Fi, і не завантажує мережу Wi-Fi, зменшуючи її пропускну здатність. Однак у 
порівнянні з бездротовими технологіями, такими як ANT або Bluetooth5, рівень 
енергоспоживання в цьому випадку все ще відносно високий. Крім того, мережа 
ZigBee займає 5 МГц у смузі частот 2,4 ГГц завширшки 80 МГц. При такому 
розкладі можна реалізувати три мережі Wi-Fi, або 16 паралельних мереж ZigBee, а 
також використовувати їх у комбінаціях — наприклад, дві мережі Wi-Fi і п'ять 
мереж ZigBee. Занадто багато мереж призводять до їхнього часткового перекриття 
і, отже, до зниження продуктивності. Через перевантажена мережа, хай і на 
короткий час, здатна навіть впасти у ступор. 
ZigBee – це один із стандартів серії IEEE 802.15.4. Ім'я бренду походить від 
танцю медових бджіл, після їхнього повернення у свій вулик. Технологія є ще 
одним вдалим рішенням, орієнтованим на програми, що вимагають гарантованої 
безпечної передачі даних при відносно невеликих швидкостях, що забезпечує 
можливість тривалої роботи мережевих пристроїв від автономних джерел 
живлення (батарей). Мережі, утворені протоколом ZigBee, почали розглядатися ще 
з 1998 року, коли багато розробників усвідомили, що протоколи Wi-Fi і Bluetooth 
стали недостатньо ефективними для цілого ряду додатків, а для рішень «розумного 
будинку» він у багатьох випадках виявився просто незамінним. 
До поняття Wi-Fi існує синонім — WLAN, але є й незначні відмінності: 
WLAN означає «Wireless Local Area Network», або «Бездротова локальна мережа». 
Тобто ви можете підключити свої пристрої (наприклад, ноутбуки та смартфони) до 
інтернету без кабелю через таку мережу. Що стосується Wi-Fi, то це назва торгової 
марки Wi-Fi Alliance - об'єднання найбільших виробників комп'ютерної техніки та 
бездротових пристроїв, які працюють у стандарті Wi-Fi-мереж. Апаратура з 
написом Wireless Fidelity (Wi-Fi) здатна приймати сигнал WLAN. Однак ці 
відмінності для користувача не надто важливі. Незалежно від того, WLAN або Wi-
Fi - зрештою, ви можете використовувати обидва терміни як синоніми, оскільки 
обидва позначають "бездротову мережу". Термін «WLAN» не використовується в 
більшості країн, хоча він і запозичений з англійської мови. Якщо хочете 
використовувати WLAN за кордоном, краще використовуйте слово Wi-Fi. 
Найбільш очевидною перевагою Wi-Fi є те, що користувач не прив'язаний до 
кабелю. Наприклад, з підключеним до Wi-Fi ноутбуком можна вільно пересуватися 
кімнатами, продовжуючи використовувати інтернет. Деякі пристрої зовсім не 
мають підключення до LAN-кабелю. Так, смартфони або планшети залежать від 
Wi-Fi та мобільного інтернету. Крім того, Wi-Fi – на відміну від мобільного 
інтернету – умовно безкоштовний. Використання WLAN оплачується за 
відповідним договором з компанією-провайдером послуги, причому це не тягне за 
собою жодних додаткових витрат. Крім того, Wi-Fi часто надається безкоштовно у 
громадських місцях, таких як, наприклад, аеропорти. 
Однак коли йдеться про переваги, обов'язково спливають і недоліки. У 
випадку Wi-Fi швидкість передачі даних зазвичай нижча, ніж через кабель. Якщо 
користувач знаходиться надто далеко від джерела сигналу, він може обірватися або 
бути занадто слабким. Нарешті, Wi-Fi випромінювання критикують, оскільки 
наслідки його впливу на людину все ще не зрозумілі. 
 
 
  
  
1.2 Протокол Thread 
 
Протокол Thread відносно новий, він зовсім недавно увійшов у наше життя, 
але вже знаходить своє місце в дедалі більше «розумних» домашніх додатках. 
Ідеологом і розробником цього протоколу є ThreadGroup, некомерційна 
організація, до складу якої входить низка великих інжинірингових компаній. 
Thread (від англ. thread - "нитка") - протокол середнього рівня, заснований на 
енергоефективному бездротовому стандарті 6LoWPAN, що діє за протоколом IEEE 
802.15.4. Технологія Thread (як це відображено в її логотипі «голка та нитка», що 
показує суть протоколу — зшивання) призначена для адаптації простих IoT-
пристроїв до комунікації з використанням інтернет-протоколу IPv6, який здійснює 
зв'язок через локальну мережу (LAN) та порівняно з пропрієтарною, локально 
обмеженою адресацією, пропонує багато переваг. 
Для профілів додатків з Thread доступно кілька альянсів, включаючи альянс 
ZigBee з його рішенням Dotdot, що дозволяє реалізувати зв'язок один до одного. 
Dotdot - набір протоколів вищого рівня від ZigBee Alliance, що поєднує профілі 
додатків до бібліотек, які, як сподіваються в альянсі, стануть основою уніфікованих 
мереж IoT, які використовують інші стандарти бездротового зв'язку. За допомогою 
Dotdot визначаються принципи взаємодії пристроїв, наприклад, у «розумному 
домі». Зокрема Dotdot дозволяє практично будь-яким пристроям передавати один 
одному інформацію про те, для чого вони призначені. 
Можна сказати, що Thread є своєрідною універсальною мовою спілкування 
для Інтернету. Якщо, наприклад, будильник здатний керувати пристроями від 
різних постачальників, він також може увімкнути телевізор для перегляду 
ранкових передач за сніданком. Але для того, щоб гарантувати сумісність у 
майбутньому, бажано вже від початку інтегрувати протокол Thread, принаймні з 
урахуванням вимог до обладнання. 
Технологія Thread розроблена спеціально для розумних будинків з метою 
покращення комунікації між пристроями. З недавніх пір пристрої сумісні з 
HomeKit, можуть спілкуватися не тільки використовуючи Wi-Fi і Bluetooth, але і 
Thread. Велика перевага цієї технології в тому, що Thread створює меш-мережу 
(mesh-network). У ній лампочки, термостати, розетки, датчики та інші пристрої 
можуть "розмовляти" один з одним без обмежень централізованих мостів та хабів. 
Це тому, що Thread не потребує ні мостів, ні хабів. Якщо пристрій виходить з ладу, 
пакети даних просто перейдуть на інший пристрій у мережі. По суті, чим більше в 
Thread-мережі пристроїв, тим еластичнішою і надійнішою стає вся мережа. 
Перш, ніж говорити про Thread як такий, давайте трохи заглибимося в 
історію. Спочатку HomeKit підтримує два нативні способи комунікації між 
пристроями: Wi-Fi та Bluetooth Low Energy. 
Обидві ці технології — це компроміс: хоч Wi-Fi зазвичай дозволяє пристроям 
«спілкуватися» на більшій відстані та з меншими затримками, за це доводиться 
платити високим енергоспоживанням, що робить її непридатною для пристроїв з 
акумуляторами та й для пристроїв з постійним живленням це не найкращий вибір 
- робота таких пристроїв споживає багато електроенергії. До того ж, зі збільшенням 
кількості Wi-Fi-пристроїв в будинку, для деяких роутерів воно може виявитися 
непідйомним, а то й зовсім може закінчитися діапазон IP-адрес, що виділяються. А 
пристрої, що використовують Bluetooth Low Energy (BLE), навпаки, повністю 
відв'язані від навантаження домашньої мережі та вкрай ефективні з погляду 
живлення. Однак, через обмеження протоколу, Bluetooth-комунікація стає 
повільніше зі збільшенням кількості пристроїв і здатна працювати на меншій 
відстані, оскільки споживає менше енергії. 
Індустрія пристроїв для розумного будинку, зрозуміло, усвідомлює всі ці 
обмеження, тому з'явився попит на посилену розробку та підтримку Thread як 
платформу наступного покоління для розумних будинків, включаючи підтримку 
Apple, для пристроїв, що використовують HomeKit. 
Thread — це peer-to-peer меш-мережа, а це означає, що пристроям у цій 
мережі не потрібно підключатися до центрального хаба, щоб спілкуватися між 
собою. Крім того, вона влаштована таким чином, щоб бути самопідтримуваною та 
самовідновлюваною, так що навіть якщо якісь пристрої з'являються або 
пропадають, мережа, за потребою, автоматично себе переналаштує сама. І, нарешті, 
вона спроектована спеціально для розумних будинків, що означає особливу увагу 
було звернено на тривалість роботи від акумулятора та енергоспоживання для 
пристроїв, які не мають постійного живлення. 
 
Рисунок 1.1 –Thread-мережа 
 
Як говорилося вище, Thread - це меш-мережа. Це означає, що пристрої в цій 
мережі можуть спілкуватися без мостів або спеціальних хабів. Більше того, вони 
можуть передавати повідомлення один одному через інші пристрої в мережі, таким 
чином «дотягуючись» навіть до тих пристроїв, які в нормальному випадку 
недоступні, наприклад, через відстань, стіни або інші причини. Крім того, мережа 
вміє самоорганізуватися у випадку, якщо якісь із пристроїв у мережі 
відключаються. 
Мережа Thread складають компоненти двох ролей: роутери (Routers) та енд-
пойнти (Endpoints), причому ці ролі не фіксовані - якщо пристрій здатний бути 
роутером, він може вибрати будь-яку з цих ролей, залежно від поточного стану та 
вимог мережі. Кожен пристрій Thread-мережі називається «вузлом» (Node). 
Вузли-роутери потрібні, щоб перенаправляти пакети мережею. У роутерів 
можуть бути свої енд-пойнти – у цьому випадку такі вузли вважаються батьками 
(Parent nodes). Пристрої, які підключені до постійного джерела живлення, які 
завжди включені, можуть ставати роутерами-батьками в Thread-мережі і 
передавати пакети з даними. 
Енд-пойнти (їх також називають "кінцевими пристроями" (End Devices) або 
"дітьми" (Children nodes)) - це ті пристрої, які підключаються до вузлів-роутерів і 
не беруть участь у передачі пакетів іншим пристроям, але самі вміють посилати та 
приймати пакети. Пристрої, які «вміють» бути роутерами, можуть бути і енд-
пойнтами, у той час як пристрої, які створені бути тільки енд-пойнтами (т.зв. 
Minimal Thread Device) – наприклад, пристрої, що працюють від акумулятора – не 
можуть бути роутерами. 
Кожен вузол-роутер підключений до всіх інших роутерів, кожен енд-пойнт 
підключається тільки до свого роутера-батька. 
У Thread-мережі існує ще й т.з. вузли-лідери (Leader node), завдання яких 
підвищувати енд-пойнти до ролі роутера і знижувати їх назад. Це не вбудована чи 
статична роль – будь-який роутер може стати лідером. Лідери вибираються до 
певної міри випадковим чином залежно від поточного стану мережі. 
Особливо важлива сутність у Thread-мережі називається прикордонний 
роутер (Border router). Так називають такий вузол-роутер, який підключений до 
домашньої мережі та «знає», як передавати пакети з даними між Thread-мережею 
та вашою локальною мережею. Без прикордонного роутера пристрої у вашому 
розумному будинку не зможуть створити Thread-мережа, тому що так вони не 
зможуть спілкуватися із зовнішніми пристроями, наприклад, вашим Айфоном. 
Замість створення Thread-мережі, вони використовуватимуть звичайну Bluetooth-
комунікацію (всі пристрої, які «вміють» працювати по Thread, мають два способи 
комунікації - Thread і Bluetooth). 
Коли пристрій, який "уміє" використовувати Thread включається після 
первинної установки, він швидко перевіряє, чи є доступна Thread-мережа навколо. 
Якщо так, пристрій підключиться до мережі з придатним ідентифікатором та 
реквізитами, які видав прикордонний роутер. Відразу після успішного приєднання 
пристрій стає енд-пойнтом одного з існуючих роутерів. Якщо він здатен сам стати 
ротуером (ми такі пристрої називаємо Full Thread Device), лідер може дати йому 
вказівку «підвищити» себе до ролі роутера залежно від кількості доступних 
роутерів у мережі. Якщо в мережі зараз менше 16 роутерів, пристрій візьме роль 
роутера. Якщо мережа вже має 16 роутерів, Thread автоматично оптимізує ролі всіх 
пристроїв для оптимального покриття мережі. У Thread-мережі одночасно може 
існувати до 32 роутерів. 
Якщо пристрій нездатний прийняти роль роутера, він залишається в ролі енд-
пойнта. Він зможе змінити батька залежно від якості з'єднання, яке перевіряється 
автоматично у всій мережі. 
Енд-пойнти розрізняються також за т.з. "інтервалом сну" (Sleep Interval). 
Кожен енд-пойнт, залежно від фізичних характеристик, може бути "сонним енд-
пойнтом" (Sleepy) або "звичайним енд-пойнтом" (Regular). Ідея проста: якщо 
пристрій влаштований так, що він повинен берегти живлення, він може «вирішити 
заснути» на певний час, а потім «запитати» у свого роутера - чи сталося щось 
цікаве, поки він спав (приблизно так само, як нам доводилося натискати кнопку 
«Перевірити пошту», в ті часи, коли перевірка не відбувалася автоматично). 
Наприклад, датчик відкриття/закриття дверей з інтервалом сну в 5000 мс, 
прокидається кожні 5 секунд і запитує у роутера, чи є новини. Само собою, він 
може «прокинутися» і поза цим таймером, щоб передати важливі дані від себе - 
наприклад, якщо відкрити двері, дані відішлються відразу, не чекаючи кінця 5-
секундного інтервалу. Цей механізм добре допомагає берегти заряд акумулятора. 
Що трапиться, якщо у вас будинок настільки великий, що деякі пристрої не 
можуть підтримувати стабільне підключення один до одного? Якщо у вас більше 
одного пристрою, який може взяти роль прикордонного роутера (наприклад, 
більше одного HomePod mini), вони можуть створити дві незалежні мережі Thread, 
які разом зможуть покрити весь ваш будинок. Такі незалежні мережі називаються 
"партіціями" (Partitions). Якщо якість з'єднання покращиться, ці партиції знову 
об'єднаються в одну, а зайві прикордонні роутери візьмуть роль звичайних вузлів-
роутерів. 
Що щодо максимальної кількості пристроїв, які можна підключити до мережі 
Thread. У мережі завжди буде лише один лідер та до 32 вузлів-роутерів. До кожного 
роутера може бути підключено до 511 енд-пойнтів.   
1.3 Протокол зв'язку Bluetooth 
 
Протокол зв'язку Bluetooth був розроблений ще в середині 1990-х років 
спеціально для того, щоб надати можливість організовувати персональну локальну 
мережу, що з'єднує різні пристрої, що носяться, стільникові телефони, комп'ютерну 
периферію і т. д. Bluetooth використовує діапазон ISM 2,4 ГГц, і спочатку було 
затверджено як стандарт IEEE 802.15.1. Його просуванням займається спеціальна 
група Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG), що поєднує тисячі компаній, 
що створюють пристрої за технологією Bluetooth. 
З Bluetooth 5 Bluetooth SIG також ввела режими роботи, які становлять 
інтерес для додатків «розумного будинку». Так, режим 2 Мбіт/с дозволяє 
передавати відеосигнали, скажімо, з камери газонокосарки-робота або системи 
контролю дверей. Режими 500 і 125 кбіт/с забезпечують підвищену потужність 
передачі та довше кодування окремих бітів, завдяки чому бездротові сигнали 
можуть передаватися через кілька сотень метрів і навіть через кілька стін. Bluetooth 
5, на відміну від технологій, заснованих на протоколах IEEE802.15.4, таких як 
ZigBee і Thread, передбачений у сучасних смартфонах і тому вже підходить для 
прямого підключення до системи «розумного будинку» (рис.1.2). 
 
Рисунок 1.2 – Управління «розумним будинком» з планшета  
Додатком до Bluetooth 5 як проміжний рівень для підтримки великих мереж 
з численними пристроями є протокол Bluetooth Mesh 1.0 з Bluetooth 4.0. Цей 
Bluetooth-протокол також підтримується сумісністю смартфонів відносно низьким 
енергоспоживанням і дуже низькою затримкою завдяки лавинній (flooding), а не 
сітчастій маршрутизації. 
Основне призначення Bluetooth - забезпечення економічного (з точки зору 
споживаного струму) та дешевого радіозв'язку між різними типами електронних 
пристроїв, причому чимале значення надається компактності електронних 
компонентів, що дає можливість застосовувати Bluetooth у малогабаритних 
пристроях розміром із наручний годинник. 
Інтерфейс Bluetooth дозволяє передавати як голос (зі швидкістю 64 Кбіт/сек), 
так і дані. Для передачі даних можуть бути використані асиметричний (721 Кбіт/сек 
в одному напрямку та 57,6 Кбіт/сек в іншому) та симетричний методи (432,6 
Кбіт/сек в обох напрямках). Працюючий на частоті 2.4 ГГц приймач, яким є 
Bluetooth-чіп, дозволяє в залежності від ступеня потужності встановлювати зв'язок 
в межах 10 або 100 метрів. Різниця у відстані, безумовно, велика, проте з'єднання в 
межах 10 м дозволяє зберегти низьке енергоспоживання, компактний розмір та 
досить невисоку вартість компонентів. Так, малопотужний передавач споживає 
всього 0,3 мА в режимі standby та в середньому 30 мА при обміні інформацією. 
Bluetooth працює за принципом FHSS (Frequency-Hopping Spread Spectrum). 
Коротко це можна пояснити так: передавач розбиває дані на пакети і передає їх за 
псевдовипадковим алгоритмом стрибкоподібної перебудови частоти (1600 разів на 
секунду) або шаблоном (pattern), складеним з 79 підчастот. "Зрозуміти" один 
одного можуть тільки ті пристрої, які налаштовані на той самий шаблон передачі - 
для сторонніх приладів передана інформація буде звичайним шумом. 
Основним структурним елементом мережі Bluetooth є так звана "пікомережа" 
(piconet) - сукупність від 2 до 8 пристроїв, що працюють на тому самому шаблоні. 
У кожній пікомережі один пристрій працює як master, а інші як slave. Master 
визначає шаблон, на якому будуть працювати всі slave-пристрої його пікомережі, 
та синхронізує її роботу. Стандарт Bluetooth передбачає з'єднання незалежних і 
навіть не синхронізованих між собою пікомереж (до 10) до так званої "scatternet" 
(один з варіантів перекладу дієслова to scatter звучить як "розсіювати"). Для цього 
кожна пара пікомереж повинна мати як мінімум один загальний пристрій, який 
буде master'ом в одній і slave'ом в іншій. Таким чином, в межах окремої scatternet з 
інтерфейсом Bluetooth може бути одночасно пов'язано максимум 71 пристрій, 
проте ніхто не обмежує застосування пристроїв-гейтів, які використовують той 
самий Internet для подальшого зв'язку. 
Частотний діапазон Bluetooth у більшості країн вільний від ліцензування, але 
у Франції, Іспанії та Японії через законодавчі обмеження необхідно 
використовувати відмінні від зазначених вище частоти. 
Говорячи про бездротовий зв'язок, не можна не порушити питання безпеки 
такого з'єднання. Крім фокусу з частотними шаблонами і необхідності 
синхронізації прийому передачі в стандарті Bluetooth передбачено шифрування 
даних, що передаються з ключем ефективної довжини від 8 до 128 біт і можливістю 
вибору односторонньої або двосторонньої аутентифікації (звичайно, можна 
обійтися взагалі без аутентифікації), що дозволяє встановлювати стійкість 
результуючого із законодавством кожної окремої країни (у деяких країнах 
заборонено використання сильної криптографії). На додаток до шифрування на 
рівні протоколу може бути застосовано шифрування на рівні додатків - тут уже 
застосування будь-яких стійких алгоритмів ніхто не обмежує. 
Часто доводиться стикатися з думкою, що Bluetooth-пристрої, що 
знаходяться в межах дії зв'язку, можуть просто з'єднатися і почати обмінюватися 
інформацією, яка, можливо, не призначена для сторонніх вух або очей. Насправді 
автоматичний обмін інформацією між Bluetooth-пристроями ведеться лише на рівні 
апаратного забезпечення, тобто виключно визначення самого факту можливості 
з'єднання. А ось на рівні програм користувач сам вирішує, ввести або заборонити 
автоматичну установку зв'язку. Таким чином, використання Bluetooth стає 
небезпечнішим за підключення до Інтернету, в якому всі вузли також з'єднані 
електрично, але це ще не означає отримання беззастережного доступу до будь-
якого ресурсу. 
Варто також зауважити, що стандарт Bluetooth розроблявся з розрахунком на 
малу потужність, тому його вплив на організм людини зведено до мінімуму. 
Основним напрямом використання Bluetooth має стати створення так званих 
персональних мереж (PAN, або private area networks), що включають такі 
різнопланові пристрої, як мобільні телефони, PDA, МР3-плеєри, комп'ютери і 
навіть мікрохвильові печі з холодильниками. Можливість передачі голосу дозволяє 
вбудовувати інтерфейс Bluetooth у бездротові телефони або, наприклад, бездротові 
гарнітури для мобільних телефонів. Можливості застосування Bluetooth практично 
безмежні: крім синхронізації PDA з настільним комп'ютером або приєднання 
відносно низькошвидкісної периферії на кшталт клавіатур або мишей інтерфейс 
дозволяє дуже просто і з невеликими витратами організувати домашню мережу. 
Причому вузлами цієї мережі можуть бути будь-які пристрої, що потребують 
інформації або мають необхідну інформацію. 
Як легко помітити, інтерфейс Bluetooth набагато краще пристосований для 
використання в бездротових пристроях зв'язку, де потрібна досить низька ціна, 
немає необхідності у високих швидкостях і бажано низьке енергоспоживання. 
Однак, як уже зазначалося, можливе створення комбінованих мереж, тим більше 
що IEEE 802.11 працює зовсім за іншим принципом кодування даних, отже, 
перебуваючи на одній і тій же робочій частоті, обидва стандарти чутимуть один 
одного фізично, але чужі сигнали будуть розцінені кожним з них як сторонній шум. 
Важливим аспектом розвитку Bluetooth є той факт, що ця технологія не 
підлягає ліцензуванню і її використання не вимагає виплати будь-яких ліцензійних 
відрахувань (хоча і вимагає підписання безкоштовної угоди). Така політика 
дозволила багатьом компаніям активно включитися в процес розробки пристроїв з 
інтерфейсом Bluetooth. 
  
1.4 Протоколи ANT та EnOcean 
 
Якщо користувач хоче піти ще далі, то будильник не тільки включить музику 
і світло в спальні, але і зробити це в ідеальний момент. Він визначить це за 
допомогою «розумного» годинника або фітнес-трекера (рис. 1.3), який дізнається 
про фазу сну користувача через моніторинг пульсу та детектор руху. Однак для 
того, щоб будильник мав доступ до даних пристроїв, йому необхідний протокол 
ANT (ANT — буквально: «мурашка», пропрієтарний мультимовний протокол 
бездротової сенсорної мережі з низьким споживанням енергії, розроблений у 2004 
році компанією Dynastream Innovations, яку згодом поглинули компанія-виробник 
GPS - Garmin. Так склалося, що в подібних пристроях Bluetooth використовується 
дуже рідко, це в прямому сенсі рідкісний виняток. Причина в тому, що ANT - 
найекономічніша бездротова технологія для датчиків, що знаходяться в 
безпосередній близькості, і тому відмінно підходить для всіх програм, які можуть 
працювати з невеликими елементами живлення дискового типу (кнопковими) або 
аналогічними невеликими акумуляторами, причому протягом декількох місяців і 
років без заряджання акумулятора або заміни батареї. 
    
а)                                                    б) 
Рисунок 1.3 –«Розумний» годинник а); фітнес-трекер б) 
 
Ще більш енергоефективним, ніж ANT, є лише стандарт EnOcean, що працює 
у субгігагерцевому діапазоні. Протокол не настільки ефективний, як ANT, але 
завдяки запатентованим розширенням для збору вільної енергії (технологія energy 
harvesting) бездротова технологія EnOcean дозволяє повністю обійтися без окремої 
системи накопичення енергії, тобто без батареї. Для цього вона використовує 
кінетичну енергію під час роботи перемикачів, сонячну енергію або отримує 
енергію за рахунок різниці температур (використовується ефект Зеєбека — 
виникнення ЕРС на кінцях послідовно з'єднаних різнорідних провідників, контакти 
між якими знаходяться за різних температур). Вимикачі з EnOcean вже є, 
наприклад, у збірних будинках компанії Weber. Наявний вимикач світла також 
можна використовувати і для того, щоб повідомити радіобудильник, що ви 
збираєтеся лягти спати, і таким чином запустити таймер сну. 
  
  
1.5 Технологія NFC 
 
Всі перелічені технології по-своєму хороші, проте якщо пристрій оснащений 
цими бездротовими технологіями, він не дуже зручний для власника. Кінцевим 
користувачам необхідно налаштувати всі підключення до своїх пристроїв і систем, 
і в цій ситуації допоможе технологія, заснована на передачі в області так званого 
ближнього поля - Near Field Communication («комунікація ближнього поля», 
«ближній безконтактний зв'язок») більш відома користувачам вже в поширеній 
абревіатурі NFC. Це технологія бездротової передачі даних малого радіусу дії, яка 
передбачає обмін даними між пристроями, що знаходяться на відстані до 4 см. 
Іншими словами, кінцевим користувачам потрібен лише смартфон, і вони повинні 
торкнутися кожного пристрою тільки один раз, щоб налаштувати мережі, не 
особливо морочивши собі голову (рис.1.4). Зручність такої системи зв'язку ще й у 
тому, що разом з даними можна передавати і потужність для зарядки батареї. 
 
Рисунок 1.4 – Зв'язок смартфона та будильника через систему NFC 
  
1.6 Різні протоколи в одному модулі 
 
Виходячи зі сказаного вище, перед розробниками стоїть завдання інтегрувати 
всі ці стандарти бездротового зв'язку «розумного будинку» в одну програму. З 
системою на кристалі (System-on-Chip, SoC) nRF52840 від компанії Nordic 
Semiconductor це дійсно просто: рішення «все в одному» пропонує не тільки 
потужний мікроконтролер з бездротовими пристроями для ZigBee, Thread, 
Bluetooth 5, Bluetooth Mesh, ANT, та NFC, а й порт USB. Крім того, nRF52840 для 
оцінки сигналів від датчиків є аналого-цифрові перетворювачі (АЦП) і найкраща в 
класі система шифрування даних між блоками передачі даних та захисту областей 
пам'яті. Що не менш важливо, система на кристалі nRF52840 лише не набагато 
дорожче, ніж просте рішення ZigBee. 
 
Рисунок 1.5 – Система на кристалі nRF52840 
 
В основі nRF52840 лежить 32-бітовий процесор ARM Cortex M4F, який 
працює на частоті 64 МГц. Його вбудована пам'ять (1 Мбайт флеш-пам'яті та 256 
кбайт ОЗП) забезпечує достатньо місця для одночасної роботи кількох бездротових 
протоколів. Система на кристалі nRF52840 підтримує вимірювання RSSI з високою 
роздільною здатністю та такі функції, як EasyDMA, які знижують навантаження на 
процесор та забезпечують прямий доступ до пам'яті. Щоб знизити вимоги до 
живлення, всі периферійні компоненти мають функцію синхронізації та керування 
живленням. Це гарантує, що їх буде вимкнено, коли не використовуються. 
Криптографічний співпроцесор ARM CryptoCell-310 забезпечує дуже високий 
рівень безпеки. Він підтримує генератор випадкових чисел та безліч асиметричних, 
симетричних та хеш-криптографічних сервісів. Крім того, співпроцесор прискорює 
операції, зменшує завантаження процесора та знижує енергоспоживання. Система 
на кристалі nRF52840 має повну програмну сумісність протоколів із продуктами 
компанії Nordic Semiconductor серій nRF52, nRF51, nRF24L та nRF24AP. 
Будь-хто, хто зараз не бажає упустити ту перевагу, яку забезпечує технологія 
EnOcean, може використовувати модуль на основі nRF52, сумісний із модулями 
збирання енергії EnOcean. Постачання модуля, як і рішення для інших бездротових 
технологій, вже доступні від компанії Rutronik. 
 
 
  
2. СУТНІСТЬ ТЕХНОЛОГІЇ ZIGBEE - 
 
2.1 Постановка задачі 
 
Багато господарів все частіше обладнають своє житло технологіями 
«Розумний дім». Система розміщується в кімнатах і складається із спеціальних 
датчиків. Людина сама може контролювати температуру, керувати кондиціонером, 
освітленням, опаленням та іншою технікою на відстані. Система сигналізує про 
виникнення аварійної ситуації (витік води, газу тощо). Головний плюс – 
можливість контролю віддалено безпосередньо через мобільний телефон або 
планшет. Виїжджаючи у відпустку, можна не намагатися згадати про те, чи 
вимкнена праска. Щоб перевірити обстановку вдома, потрібно лише відкрити 
спеціальний додаток. Програма дозволяє керувати комунікаціями з будь-якої точки 
планети. 
Датчики можуть з'єднуватись між собою за допомогою проводів або 
утворювати бездротову систему. Останній варіант має перевагу перед першим. При 
встановленні бездротового обладнання не потрібно прокладати безліч проводів, які 
можуть пошкодити ремонт. А сам монтаж потребує більше часу. Однією з таких 
систем є система, що будується на основу протоколу ZigBee. Це стандарт 
бездротового зв'язку, схожий на Wifi та Bluetooth. За її допомогою усі прилади в 
будинку чи квартирі взаємодіють. Технологія активно застосовується і у сфері 
промисловості та охорони здоров'я. 
  
2.2 Історія створення та технічні характеристики стандарту ZigBee 
 
Спочатку кілька компаній об'єдналися задля спільної розробки нових 
стандартів бездротової мережі. Пріоритетним напрямом було вирішення проблеми 
сумісності мережі з обладнанням різних виробників. Альянс з'явився у 2002 році і 
його склад налічував понад 300 учасників. Починаючи з 2003 року, стали з'являтися 
нові стандарти. 
Ефективність технології ZigBee підвищилася завдяки наступним 
нововведенням: 
• були створені стандартні конфігурації програм та архів шаблонних кластерів; 
• використання стохастичної переадресації; 
• впровадження механізмів маршрутизації (Source Routing та інші); 
• виникла здатність визначати асиметричні зв'язки; 
• у разі перебоїв система автоматично починає використовувати інший канал без 
перешкод; 
• з'явилася додаткова система захисту. 
Остаточний варіант технології ZigBee Pro Feature Set 2006 затверджено у 
2007 році. 
Технічні характеристики 
ZigBee створено на основі стандарту IEEE 802.15.4-2006 і складається з 
високорівневих протоколів, які працюють із маленькими цифровими трансіверами. 
Передача даних здійснюється радіоканалом. Частота залежить від регіону. 
Функціонування на частоті 2,4 ГГц не пов'язані з розташуванням. Стандарт 
створювався з метою бути легшим в експлуатації та нижчим у ціні. Характерний 
низький період відповіді устаткування. Період активації займає трохи більше 15 
мілісекунд. Завдяки переходу в режим сну значно падає потреба в електроенергії. 
Система дозволяє працювати з додатками для телекомунікацій; іграшок; 
комерційного будівництва; підвищення енергоефективності; персонального 
домашнього догляду за хворими; автоматизація процесів будинку. 
  
2.3 Топологія мережі ZigBee 
 
Спочатку підтримувалася комірчаста топологія мережі. Сигнал передавався 
між пристроями «по ланцюжку», поки інформація не досягне мети. Всі ZigBee 
гаджети виступають, при необхідності, як проміжна комірка (рис.2.1). 
 
Рисунок 2.1 – Схема комірчастої топології 
 
Порівняння з Wifi та Bluetooth 
Головна схожість з Wifi полягає в тому, що обидві мережі працюють на 
частоті 2,4 ГГц, не вимагаю спеціальних дозволів, а радіус охоплення сигналу 
дорівнює 20 метрам. 
Головна відмінність ZigBee. 
ZigBee працює за комірчастим типом, у той час як Wifi і Bluetooth 
приєднуються до центрального роутера (топологія «зірка»). За відсутності зв'язку 
з роутером, вузол не може підключитися до інших членів мережі. Наприклад, якщо 
телевізор виходить в інтернет через модем, він не зможе відтворити фільм або 
отримати його з планшета, якщо роутер не підключений до мережі. У комірчастій 
структурі вузли пов'язані безпосередньо. Завдяки цьому обрив зв'язку не є 
перешкодою передачі даних. Цей механізм набагато надійніший і застосовується в 
самій мережі Інтернет. Для реалізації технології «Розумний дім» цей фактор є дуже 
важливим. При аварії сигнал Wifi може не передатися на велику дальність через 
бетонні стіни. 
ZigBee пристрої споживають мінімальний обсяг енергії, оскільки 
функціонують у сплячому режимі. Пропускна можливість ZigBee (250 
Кбіт/секунду) набагато нижча, ніж у Wifi (300-1000 Мбіт/секунду). Це з тим, що 
ZigBee доставляє маленькі пакети даних, а Wifi дозволяє отримати великі файли 
(відео тощо.). 
Швидкість. Період затримки передачі сигналу ZigBee набагато менше, ніж у 
Bluetooth (кілька секунд) і становить 30 мілісекунд. Показник ZigBee приблизно 
дорівнює часу від натискання вимикача та виникнення світла у люстрі. У зв'язку з 
цим останнім часом Bluetooth став менше використовуватися при встановленні 
системи «Розумний дім». 
Кількість вузлів у ZigBee набагато більша. Теоретично до мережі Wifi може 
приєднатися від 300 до 1000 учасників. Але користувачі відзначають, що під час 
роботи з кількома пристроями відбуваються затримки у роботі і навряд чи вдасться 
перевірити показник. ZigBee система функціонує за будь-якої кількості учасників, 
що необхідно при установці «розумного будинку» на великих площах. 
Ціна. Вартість модуля ZigBee на порядок дешевша, ніж ціна Wifi модему. 
 
Таблиця 2.1 – Порівняння бездротових технологій 
 
Технологія  Wi-Fi Bluetooth ZigBee Thread 
Стандарт зв’язку IEEE802.11 IEEE802.15.4 IEEE802.15.4 IEEE802.15.4 
Швидкість передачі даних 300+ Мбіт/с До 3 Мбіт/с 250 Кбіт/с 250 Кбіт/с 
енергоспоживання високе низьке низьке низьке 
Частотний діапазон, ГГц 2,4 2,4 2,4 2,4 
Підтримка ІР-технологій + - - + 
Топологія зірка зірка mesh mesh 
 
Система Insteon забезпечує передачу інформації двома каналами: 
бездротовим і дротовим. Цей фактор зменшує ризик втрати даних у разі 
несправності. Функціонування мережі Insteon можливе без центрального 
контролера, оскільки немає поділу пристроїв на групи. Мінус – вона не сумісна з 
вітчизняними електромережами. 
Для стандарту Z-wave випущено менше програмного забезпечення, але 
система гарантовано працює із обладнанням свого виробництва. 
 
Рисунок 2.2 – Порівняння топологій різних стандартів 
 
На сучасний ринок випускається багато ZigBee пристроїв: до них відноситься 
розетка, дімер, лампочка, датчики руху, сенсори контролю води, температури та 
інші. На даний момент (травень 2023 року) з великої кількості причин серед 
виробників пристроїв на протоколі ZigBee лідирує китайська компанія Xiaomi.  
  
2.4 Складові частини мережі ZigBee 
 
Усередині системи всі ZigBee пристрої поділяються на кілька груп. 
1. Координатори (ZC). Прилад запускає мережу та задає всі команди для 
керування її діями. Також контролер забезпечує безпеку всіх процесів. 
2. Маршрутизатор (ZR). Функціонують безперервно та забезпечують роботу 
пристроїв, що перебувають у режимі сну (до 32 штук). Також переносять дані та 
займаються відновленням гаджетів у разі великої завантаженості чи несправності 
системи. Утворюють з'єднання з координатором, іншим маршрутизатором, а також 
дочірніми периферійними приладами та обладнанням для передачі інформації. 
3. Кінцеві пристрої (ZED). Виконують отримання та відправлення пакетів 
даних. Підключаються до двох гаджетів, перерахованих вище. Не підключають 
дочірні прилади. Працюють із сенсорами, контролерами та механізмами, що 
виконують команди. Для збереження енергії часто працюють у сплячому режимі. 
 
Рисунок 2.3 – Мережа ZigBee та її компоненти 
На початковому етапі формування мережі використовується координатор 
PAN. Він знаходить радіоканал, в якому немає перешкод, і чекає на запити на 
підключення, які відправляють різні пристрої. Спочатку підключати інших 
учасників може лише координатор, а надалі інші пристрої для пересилання даних. 
Після отримання запиту відбувається обмін повідомленнями. 
Буває два варіанти приєднання: MAC асоціація, повторне мережне 
приєднання. У першому випадку пристрій, який бажає стати частиною мережі на 
рівні MAC, відправляє запит маячка. Коли маячки досягають мети, керуючий 
пристрій сканує мережі і вибирає, яку краще підключити в конкретній ситуації, 
надсилає вимогу про приєднання із позначкою «повторне приєднання». 
Отримавши відповідь, керуючий пристрій надсилає повідомлення з адресою. Такий 
спосіб приєднання недостатньо безпечний, оскільки всі дані не захищені 
кодуванням. 
Повторне мережне приєднання часто використовується при первинному 
зверненні. У такому разі учасник, який бажає вступити до мережі, знає поточний 
ключ. Тому такий спосіб приєднання набагато безпечніший. Дізнатися ключ можна 
під час налаштування обладнання. При повторному підключенні обладнання 
обмінюється між собою пакетами запиту та відповіді на приєднання. 
Окрім випадків приєднання нових пристроїв структура мережі змінюється і 
у випадках, коли пристрої залишають мережу та повторно приєднуватись в інших 
місцях (це відбувається, наприклад, у разі перезавантаження пристрою). 
На рис.2.3 наведено приклад перепідключення. Пристрій з адресою 0E3B 
перепідключається як 097D, а потім як 0260. Щоразу він приєднується до іншого 
маршрутизатора і отримує адресу з наявного в розпорядженні маршрутизатора 
діапазону адрес, що приєднує. 
Координатор 
Пристрій забезпечує взаємозв'язок між усіма учасниками мережі, коли немає 
підключення до Інтернету. 
 
 
Хаб (мережевий міст) 
Пристрій забезпечує підключення системи Smart Home до мережі інтернет. 
Завдяки цьому з'являється можливість керувати системою віддалено. Різні 
програми для гаджетів допомагають контролювати та змінювати параметри (тепла 
підлога, кондиціонер тощо). Хаб постійно повинен бути в активному стані, 
оскільки виконує функції координатора мережі. Для підключення до інтернету 
можна використовувати як мережу WiFi, так і дротове підключення до роутера. 
Для віддаленого керування з гаджетів створені програми на Android або iOS. 
Для підключення до інтернету використовуються мережні мости Smart Hub, Bridge, 
Gateway. Для серії оснащення «Розумного Дому» від бренду випускається хаб того 
ж виробника. При покупці обладнання важливо перевірити його на сумісність із 
ZigBee. Оснащення, яке відрізняється виробником, може між собою не взаємодіяти. 
Крім того, будинком можна керувати голосом. Деякі хаби працюють із усіма 
голосовими програмами. 
Типи підтримуваних датчиків та пристроїв 
Протоколом передбачені деякі програми, які відрізняються за призначенням. 
До таких профілів належать: Telecom Services. Light Link, Home Automation та інші. 
Останній використовується всіма системами автоматичного керування будинком. 
Якщо один із приладів підтримує програму, а другий ні, то вони не зможуть 
працювати коректно. Багато компаній виготовляють чіпи з підтримкою ZigBee. 
Програми можуть трохи відрізнятися, удосконалюватись виробником. Тому буває, 
що пристрої підтримують протокол, але між собою не взаємодіють. 
Крім того, сама система має кілька спеціальних напрямків: 
• ZigBee RF4CE – специфікація для керування побутовою технікою; 
• ZigBee Pro – вдосконалена версія ZigBee. 
У продажу є всілякі електроприлади із ZigBee. При впровадженні системи 
важливо дивитися опис та підбирати обладнання одного виробника та випущене 
приблизно в один час. 
 
  
2.5 Програмна частина протоколу 
 
При створенні програмного забезпечення бралися за основу спрощені 
методики побудови недорогих дрібних мікропроцесорів. Для швидкого старту 
розроблено стандартні модулі із прошивкою ETRX357. Вони дозволяють 
працювати з аналоговою, цифровою периферією та мережевими функціями, 
використовуючи набір команд АТ. Якщо стандартного функціоналу недостатньо, 
можна скористатися програмним стеком Silicon Labs. Всі модулі виготовляються 
на базі мікросхеми ЕМ357 і щоб перейти від стандартної прошивки до власного 
додатку, необхідний програмний відладчик ISA3. 
 
Рисунок 2.4 – Вид одного з одноплатних комп'ютерів 
 
Для спрощення процедури існує спеціальний компонувальник програм. Він, 
виходячи з конфігурації обладнання ZigBee, створює каркас і функції майбутнього 
застосування. Далі розробник самостійно вносить необхідні зміни. 
Технологія ZigBee відрізняється низкою переваг і успішно реалізується в 
системі «Розумний Дім». Крім сумісності з платформами для автоматизації на 
даному ринку є безліч ZigBee обладнання, що полегшує процес установки і 
подальшого обслуговування. 
  
3. РОЗРОБКА СИСТЕМИ ДИСТАНЦІЙНОГО КЕРУВАННЯ 
СВІТИЛЬНИКА НА ОСНОВІ ПРОТОКОЛУ ZIGBEE 
 
3.1 Розробка структурної схеми системи керованого світильника на 
основі протоколу ZigBee 
 
Розробники сучасних світлодіодних світильників стикаються із необхідністю 
дистанційного регулювання яскравості системи освітлення. Одним з найпростіших 
варіантів управління світильником є використання готового джерела живлення, що 
керується димером. Як бездротовий канал для віддаленого керування можна 
застосувати радіомодулі XBee, які здатні не тільки доставляти команди керування, 
але й об'єднувати безліч світильників у мережу для контролю з єдиного центру. У 
роботі розробляється система керованого світильника на основі протоколу ZigBee 
з урахуванням поширених компонентів. 
Радіомодулі XBee (рис.3.1) дозволяють реалізувати бездротовий канал 
управління світильником [1] без проведення довгої розробки, пов'язаної з 
проектуванням високочастотних схем або написанням складного радіочастотного 
та мережного протоколу. Найчастіше використовуються пристрої у варіантах 2400 
МГц з протоколами ZigBee, Wi-Fi, 802.15.4 та з протоколом DigiMesh для діапазону 
868 МГц. Застосування готового XBee-модуля із завантаженим програмним 
забезпеченням дозволяє суттєво скоротити час розробки. Розробка ведеться 
здебільшого на системному та конструкторському рівнях, оскільки модуль є 
апаратно закінченим і налаштованим продуктом. Вбудоване в радіомодулі XBee 
програмне забезпечення дозволяє в автоматичному режимі об'єднати в ZigBee-
мережу сотні світильників, кожен з яких буде мати індивідуальну адресу. Модулі з 
протоколами ZigBee або DigiMesh можуть додатково виступати ретрансляторами 
радіопакетів для тих вузлів, які в силу віддаленості та/або перешкод не мають 
прямого зв'язку з центральним пультом управління. Вбудовані в XBee-модуль 
інтерфейси GPIO, ADC і PWM можна використовувати для безпосереднього 
підключення до ланцюгів управління світлодіодного світильника. 
 
Рисунок 3.1 – Радіомодулі XBee 
 
Блок-схему мінімальної системи управління наведено на рис.3.2,а. Цей 
варіант не потребує додаткового мікроконтролера. Плавне регулювання яскравості 
можна здійснювати за допомогою вбудованого в модуль PWM-інтерфейсу. Модуль 
XBee Series 1 містить два незалежні PWM-канали. Ступінчасте регулювання 
яскравості можна проводити за допомогою цифрових виходів. До пристрою можна 
також підключити аналогові та цифрові датчики для контролю температури та 
інших параметрів світильника. Дані для керування яскравістю повинні надсилатися 
з ПК у вигляді API-пакетів із впорядкованою структурою. Пакет включає 10-бітове 
значення для управління яскравістю через PWM-інтерфейс модуля і додаткові 
бінарні дані для встановлення цифрових виходів. Керуючий API-пакет 
надсилається конкретному світильнику за заводською 64-бітною адресою модуля-
отримувача. Можна також формувати широкомовну розсилку, яка дозволяє однією 
командою проводити групову зміну яскравості всіх світильників, що об'єднані в 
мережу. Для зчитування будь-яких параметрів зі світильника формується адресний 
запит (API-пакет), у відповідь на який модуль-одержувач повертає стан цифрових 
входів, значення АЦП, напругу живлення чи власну температуру. Розшифровку та 
правила формування API-пакетів можна знайти у документації на модулі XBee [2]. 
Навіть за такої простої схеми включення можна отримати надійно працюючу 
систему із захищеним каналом зв'язку (AES-128) і хорошим набором сервісних 
функцій, наприклад, з віддаленим тестуванням якості радіозв'язку та зчитуванням 
параметрів світильника через наявні на борту модулі АЦП та цифрові входи. Цій 
системі, однак, властиві й певні недоліки, а саме: 
1. При використанні PWM для управління яскравістю необхідною умовою є 
здатність блоку живлення працювати з фіксованою частотою ШІМ-модуля (~12 
кГц). Багато блоків живлення вимагають керуючий ШІМ із частотою не більше 3 
кГц. 
2. Обмежена кількість PWM-виходів (максимум два) не дозволяє реалізувати 
управління по трьох колірних каналах (RGB). 
3. Необхідно враховувати питання узгодження рівнів, оскільки вся периферія 
модуля розрахована на роботу з рівнями 3,3 В. 
4. Модуль не може безпосередньо підключатися до широко поширених 
цифрових датчиків температури, що працюють за протоколами 1-Wire або I2C. 
 
Рисунок 3.2 – Варіанти блок-схеми керування світильником 
 
Більше можливостей можна отримати, якщо реалізувати блок-схему 
керування світильником, зображену на рис.3.2,б. У цій системі додатковий 
мікроконтролер (МК) бере на себе функції управління навантаженням, а XBee 
виступає лише як канал доставки управляючих команд. Об'єм пам'яті та кількість 
периферії мікроконтролера можна вибрати, виходячи з вимог до набору функцій 
конкретної системи освітлення. Найчастіше буде достатньо ресурсів навіть 
молодших моделей з 8-32-бітних лінійок популярних виробників мікроконтролерів 
(STM, TI, Microchip та ін.). Як центральний пульт управління виступає ПК з 
підключеним до нього XBee-модулем. Підключення здійснюється за допомогою 
перехідної плати, яка потрібна лише для узгодження рівнів із USB або COM-портом 
ПК. Можна також використовувати готовий ZigBee-адаптер [3]. 
  
3.2 Функціональні можливості RF-модулів XBee Series 2 
 
RF-модулі XBee Series 2 OEM були розроблені з метою реалізації 
можливостей протоколу ZigBee у низьковитратних та малоспоживаючих 
бездротових мережах. Модулі споживають мінімум енергії та забезпечують 
надійну передачу даних між віддаленими пристроями. Модулі функціонують у 
смузі частот ISM 2,4 ГГц (рис.3.3). 
 
Рисунок 3.3 – Пульт керування на RF-модулі XBee Series 2 
 
Висока продуктивність, низька ціна:  
• у приміщенні/міській забудові: до 40 м;  
• поза приміщенням в зоні прямої видимості: до 120 м;  
• потужність передачі: 2 мВт (+3 дБм);  
• чутливість прийому: -95 дБм;  
• швидкість передачі даних RF: 250,000 біт/сек  
Розширені мережеві можливості та безпека  
• запити та підтвердження DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum);  
• кожен послідовний канал має більше 65,000 унікальних мережевих адрес;  
• підтримка топологій Point-to-point, Point-tomultipoint та Peer-to-peer до 
помилок у mesh-мережах. 
Низьке енергоспоживання XBee Series 2: 
• струм передачі: 40 мА (@3.3 В);  
• струм прийому: 40 мА (@3.3 В);  
• струм у режимі сну: < 1 мкА @ 25 C.  
Таблиця 3.1 – Призначення виводів модуля XBee Series 2 (сигнали, що 
активуються за нижнім рівнем, показані жирним шрифтом) 
Вивід Назва Напрямок Опис 
1 VCC - Живлення 
2 DOUT Вихід UART Data Out 
3 DIN/CONFIG Вхід UART Data In 
4 DIO12 Будь-який Цифровий вхід/вихід 12 
5 RESET  Вхід Перезапуск модуля (сигнал, тривалістю не менше 200 нс) 
6 PWM0/RSSI Будь-який ШІМ Вихід 0 / Індикатор потужності сигналу / Цифровий 
DIO10 вхід/вихід 
7 PWM/DIO11  Будь-який Цифровий вхід/вихід 11  
8 [зарезервовано] - Не з'єднувати 
9 DTR/SLEEP _RQ/ Будь-який Контроль режиму сну 
DIO8  
10 GND - Земля 
11 DIO4 Будь-який Цифровий вхід/вихід 
12 CTS / DIO7 Будь-який Управління обміном даними Clear-to-Send або Цифровий 
вхід/вихід 7 
13 ON/SLEEP/DIO9 Вихід Індикатор статусу модему або Цифровий вхід/вихід 9 
14 [зарезервовано] - Не з'єднувати 
15 Associate / DIO5 Будь-який Асоційований індикатор, Цифровий вхід/вихід 5 
16 RTS / DIO6 Будь-який Управління обміном даними Request-to-Send, Цифровий 
вхід/вихід 6 
17 AD3 / DIO3 Будь-який Аналоговий Вхід 3 або Цифровий вхід/вихід 3 
18 AD2 / DIO2 Будь-який Аналоговий Вхід 2 або Цифровий вхід/вихід 2 
19 AD1 / DIO1 Будь-який Аналоговий Вхід 1 або Цифровий вхід/вихід 1 
20 AD0 / DIO0 / Будь-який Аналоговий Вхід 0, Цифровий вхід/вихід 0 або кнопка 
кнопка ідентифікації ідентифікації вузла 
Простота у використанні  
• готовність до роботи «з коробки» - немає необхідності в налаштуванні RF 
зв'язку;  
• режими AT та API команд для налаштування параметрів модуля;  
• малі габарити;  
• широкий набір команд;  
• безкоштовне програмне забезпечення X-CTU (для тестування та 
налаштування).  
Послідовний зв'язок 
RF-модулі XBee Series 2 OEM взаємодіють із керуючим хост-пристроєм 
через асинхронний послідовний порт. Через цей порт модулі можуть підтримувати 
зв'язок з будь-яким сумісним за логічними рівнями та напругами UART. Як варіант, 
можливий зв'язок через логічний перетворювач із будь-яким послідовним 
пристроєм (наприклад, через інтерфейсну RS-232 або USB плату, що поставляється 
MaxStream). 
Обмін даними по UART Пристрої з інтерфейсом UART можуть 
безпосередньо приєднуватися до виводів RF-модуля, як показано на рис.3.4. 
 
Рисунок 3.4 – Діаграма системного обміну даними через інтерфейс UART 
 
Дані надходять у модуль UART через вхід DIN (Вивід 3) у вигляді 
асинхронного послідовного сигналу. Коли дані не передаються, сигнал повинен 
перебувати на верхньому рівні. Кожен байт даних складається зі стартового біта 
(низький), 8-ми бітів даних (MSB) та біта зупинки (верхній рівень). Рис.3.5 
ілюструє приклад послідовної передачі через модуль. 
 
Рисунок 3.5 – Пакет даних UART 0x1F (десяткове число ʺ31ʺ) у момент передачі 
RF-модуль. Приклад формату даних 8-N-1 (біти ‐ парність ‐ #біт зупинки) 
 
Модуль UART виконує кілька завдань, у тому числі часовий контроль та 
перевірку парності, необхідних для передачі даних. Послідовний зв'язок 
визначається двома пристроями UART, параметри яких сумісні між собою 
(швидкості, парність, біти початку, біти зупинки). 
Послідовні буфери 
Модулі XBee Series 2 підтримують буферні простори для тимчасового 
зберігання отриманих даних по послідовному та RF каналах. Послідовний буфер 
прийому збирає вхідні дані та зберігає їх до початку обробки (пересилання RF-
каналом). Послідовний буфер передачі збирає дані, отримані RF каналом, для 
подальшої передачі з UART. 
 
Рисунок 3.6 – Діаграма внутрішнього обміну даними 
 
Послідовний буфер прийому. Коли послідовні дані надходять до RF-модуля 
через вхід DIN (Вивід 3), дані зберігаються в послідовному буфері прийому до 
початку передачі. Існують умови, за яких модуль може не обробляти дані у 
послідовному буфері прийому негайно. При великому обсязі послідовних даних 
може знадобитися контроль CTS, щоб уникнути переповнення буфера.  
Випадки, коли послідовний буфер прийому може переповнитися:  
1. Якщо модуль отримує безперервний потік RF-даних. При цьому дані з 
послідовного буфера прийому не будуть передаватися доти, доки прийом RF даних 
не припиниться.  
2. Якщо при передачі пакета RF-даних (1) потрібно визначення адреси або 
формування маршруту до вузла призначення, (2) якщо не було отримано 
підтвердження про відправку або (3) була відправлена широкомовна передача, 
можлива затримка передачі даних з послідовного буфера прийому.  
Послідовний буфер передачі. Після отримання RF-дані переміщуються в 
послідовний буфер передачі та надсилаються з послідовного порту. Якщо 
послідовний буфер передачі заповнюється настільки, що всі дані в отриманому RF-
пакеті до нього не вміщаються, такий пакет повністю пропускається.  
Випадки, в яких послідовний буфер передачі може переповнитися, що 
призведе до пропуску RF-пакетів:  
1. Якщо швидкість прийому RF-даних вище, ніж швидкість обміну даними 
між модулем та хост-пристроєм.  
2. Якщо хост-пристрій не дозволяє модулю надсилати дані з послідовного 
буфера прийому (за допомогою апаратного контролю обміну даними). 
Керування обміном даними. Виводи RTS та CTS використовуються для 
керування обміном даними. CTS забезпечує сигнал хост-пристрою про припинення 
відправлення даних модулю, RTS забезпечує сигнал модулю про припинення 
відправлення даних хост-пристрою. RTS та CTS активуються за допомогою команд 
D6 та D7.  
Керування обміном даними за допомогою CTS. Якщо функцію CTS 
активовано (див. команду D7) і до заповнення буфера залишається 17 Байт, модуль 
встановлює CTS на верхній рівень, що означає сигнал хост-пристрою зупинити 
передачу даних. CTS знову дозволяє надсилання даних, коли вільний простір у 
буфері збільшується до 34 байт. 
Керування обміном даними за допомогою RTS. Якщо функцію RTS 
активовано (див. D6) і RTS знаходиться на верхньому рівні, дані з послідовного 
буфера передачі не будуть передаватися. Хост-пристрій не повинен забороняти 
передачу за допомогою RTS на тривалий час, інакше можливе переповнення 
послідовного буфера передачі. У разі переповнення послідовного буфера передачі 
всі отримані пакети RF-даних будуть пропущені. 
Робота в Прозорому режимі 
RF-модулі з версіями програмного забезпечення 1.0xx (Координатор) та 
1.2xx (Маршрутизатор/Кінцевий пристрій) підтримують роботу у Прозорому 
режимі. Під час роботи в прозорому режимі всі послідовні дані, отримані через 
Вивід DIN, будуть надіслані до RF-каналу, а отримані RF-дані будуть надіслані 
через Вивід DOUT хост-додатку. Інакше висловлюючись, у цьому режимі модулі 
виступають як замінники послідовного інтерфейсу, пропонуючи замість дротових 
ліній бездротовий канал. У прозорому режимі модулі налаштовуються за 
допомогою AT-команд у режимі керування.  
Формування пакетів бездротової передачі даних. Дані буферизуються в 
послідовному буфері прийому доти, доки одна з наступних подій не викличе 
формування пакетів та їх передачу: 
1. Протягом часу, заданого параметром RO, не було даних. Якщо RO = 0, то 
формування пакета починається після отримання кожного символу.  
2. Отримано максимальну кількість символів, можливих для пакета RF (72).  
3. Отримано послідовність переходу до Режиму управління (GT + CC + GT). 
Усі символи, до цього накопичені у послідовному буфері прийому, будуть 
надіслані. 
Робота в режимі API. Робота в режимі API (Application Programming 
Interface) є альтернативою роботі в прозорому режимі. Робота з API, заснована на 
кадрах, розширює можливості взаємодії хост-додатку з модулями. RF-модулі з 
наступними версіями програмного забезпечення підтримують роботу в режимі 
API: 1.1xx (Координатор) та 1.3xx (Маршрутизатор/Кінцевий пристрій).  
При роботі в режимі API всі вхідні та надіслані дані містяться у кадрах, що 
визначають поведінку модуля. Фрейми даних на передачу (отримані через DIN 
(Вивід 3)) включають:  
• фрейм даних для передачі по RF;  
• фрейм управління (еквівалент AT-командам).  
Фрейми прийому даних (відправляються через DOUT (Вивід 2)) включають:  
• фрейми прийому RF- даних;  
• відповідь на команду;  
• оповіщення – перезапуск, активацію та деактивацію асоціювання тощо.  
Режим API забезпечує альтернативний спосіб налаштування модуля та 
маршрутизації даних на рівні хост-додатку. Тепер для зміни параметрів модуля, 
наприклад адреси призначення, не обов'язково переходити в режим керування. 
Натомість хост-програма має відправити модулю кадр з необхідними параметрами 
та даними. Прийом даних від модуля також здійснюється за допомогою кадрів, що 
містять відповіді на команди, статусні пакети, адресну інформацію або дані. Робота 
в Режимі API спрощує багато операцій, наприклад, такі як:  
передача даних на безліч адрес без переходу в Режим управління;  
отримання статусу про відправку даних для кожного з відправлених RF-
пакетів; 
ідентифікацію вихідної адреси для кожного отриманого пакета. 
Режими роботи 
Режим бездіяльності. Якщо RF-модуль не надсилає і не отримує дані, він 
переходить на Режимі бездіяльності (Idle Mode). У цьому режимі RF-модуль очікує 
отримання та перевіряє вхідні RF-дані. З режиму бездіяльності можливі переходи 
до наступних режимів:  
• режим передачі (дані в послідовному буфері готові до формування в пакети);  
• режим прийому (отримані дійсні RF-дані); 
• режим сну (тільки для Кінцевих пристроїв); 
• режим керування (введена послідовність переходу в Режим керування).  
Режим передачі. Коли послідовні дані отримані і готові до формування в 
пакети, RF-модуль виходить з режиму бездіяльності і починає передачу даних. 
Адреса призначення вказує, для якого (або яких) вузлів призначені дані. До 
моменту відправлення даних модуль перевірить, чи існує 16-бітова мережна адреса 
і маршрут до вузла призначення. Якщо 16-бітова мережна адреса невідома, 
почнеться процедура визначення мережної адреси. Якщо невідомий маршрут, 
розпочнеться процедура визначення маршруту до вузла призначення. Якщо модуль 
з відповідною мережевою адресою не знайдено, пакет буде пропущено. Дані будуть 
надіслані після знаходження маршруту. Якщо процедура визначення маршруту 
закінчується невдало, пакет буде пропущено.  
При передачі даних від одного вузла до іншого підтвердження мережного 
рівня відправляється назад по знайденому маршруту до вузла-джерела. Цей пакет 
з підтвердженням вказує вузлу джерела, що пакет даних був отриманий вузлом 
призначення. Якщо мережне підтвердження не отримано, вузол-джерело повторить 
передачу даних. 
Режим прийому. Після отримання дійсного RF-пакета дані передаються в 
послідовний буфер прийому.  
Режим керування. Для зміни або отримання параметрів RF-модуля модуль 
повинен перейти в Режим керування - стан, в якому вхідні послідовні символи 
інтерпретуються як команди.  
AT-режим керування. Для переходу до AT-режиму керування: Введіть 
командну послідовність з 3-х символів "+++" і зачекайте деякий час до і після 
командних символів.  
Послідовність переходу до AT-режиму керування за замовчуванням:  
• немає символів протягом однієї секунди [параметр GT = 0x3E8];  
• протягом однієї секунди введіть три символи плюс ("+++") [параметр CC = 
0x2B];  
• немає символів протягом однієї секунди [параметр GT = 0x3E8].  
Усі параметри в послідовності можна змінити. 
Щоб надіслати команду AT: введіть команду AT і параметри за допомогою 
наступного синтаксису (рис.3.7). 
 
Рисунок 3.7 – Синтаксис AT-команди 
 
Щоб прочитати параметр, збережений у регістрі RF-модуля, пропустіть поле 
параметра. Попередній приклад змінює нижній байт адреси призначення модуля 
значення "0x1F". Для збереження нового значення в незалежній пам'яті, необхідно 
ввести команду WR. Для збереження змінених параметрів після перезавантаження 
модуля необхідно зберігати нові значення за допомогою команди WR. В іншому 
випадку після перезавантаження модуля значення параметрів повернутися до 
колишніх значень (останніх збережених значень).  
Відповідь на команду. Після відправки команди модулю той перевірить і 
виконає команду. Якщо команда пройшла успішно, модуль поверне повідомлення 
"OK". Якщо виконання команди закінчилося помилкою, модуль поверне 
повідомлення "ERROR".  
Вихід із AT-режиму управління: 
1. Надішліть команду ATCN.  
2. Якщо протягом часу, заданого параметром CT, не отримано жодної AT-
команди, RF модуль автоматично повернеться до Режиму бездіяльності. 
Режим сну. У режимі сну RF-модуль переходить у стан низького 
енергоспоживання. Для переходу в Режим сну, має відбутися одна з наступних 
подій (на додаток до ненульового значення параметра SM):  
• активація виводу Sleep_RQ (Вивід 9);  
• режим бездіяльності модуля (дані не передаються та не приймаються) 
протягом часу, визначеного параметром ST.  
Команда SM є основною командою налаштування режиму сну. За 
замовчанням Режим сну вимкнено (SM=0), і модуль залишається в режимі 
бездіяльності/прийому без переходу в режим сну. У стані бездіяльності модуль 
може постійно контролювати наявність даних як у послідовному, так і RF-каналах.  
Таблиця 3.2 – Налаштування Режиму сну (тільки для програмного забезпечення 
Маршрутизатора / Кінцевого пристрою) 
Налаштування Перехід в режим Вихід з режиму Опис Команди Споживання 
режиму сну сну сну 
SM=1 Активація Деактивувати (0В) Вивід, керований SM < 1uA 
(високий рівень) вивід Sleep_RQ хост-додатком 
виводу Sleep_RQ (Вивід 9) 
(Вивід 9) 
SM=4 Автоматичний Вихід RF модуль SM, ST, < 1uA 
перехід в режим відбувається після прокидається SP, SN 
сну за певного інтервалу після певного 
параметром ST часу, який інтервалу часу для 
визначається перевірки 
параметром SP наявності даних 
(Сон у циклі) RF 
Протокол Zigbee: Режим сну. Відповідно до протоколу Zigbee, Режим сну 
підтримується лише на Кінцевих пристроях. Управління режимом сну за 
допомогою виводу Sleep_RQ Вивід Sleep_RQ (Вивід 9) керує присипленням і 
пробудженням пристрою в залежності від рівня сигналу: якщо Sleep_RQ 
активований (високий рівень), модуль припинить відправку та прийом даних, і 
перейде в стан низького споживання енергії. У цьому режимі модуль не 
відповідатиме на запити по послідовному або RF-каналу.  
Для пробудження модуля необхідно деактивувати (встановити низький 
рівень) вивід Sleep_RQ (Вивід 9). Після цього модуль прокинеться і, як тільки вивід 
CTS встановиться на низький рівень, буде готовий до прийому або надсилання 
даних. Коли модуль виходить з режиму сну, він надсилає запит до батьківського 
пристрою (Маршрутизатор або Координатор) для отримання інформації про 
наявність буферизованих пакетів даних, призначених для Кінцевого пристрою. 
Протягом усього часу, поки модуль знаходиться в активному режимі, він 
опитуватиме батьківський пристрій, очікуючи відповіді про отримані RF-дані. Як 
тільки батьківський пристрій отримав RF-даних для одного або більше своїх 
дочірніх пристроїв, він перенаправить пакет цього кінцевого пристрою відразу 
після отримання запиту.  
Сон у циклі. Сон у циклі призначений для періодичного пробудження 
модуля, з метою перевірки наявності для нього RF-даних, та переходу в режим сну 
після такої перевірки. Якщо параметр SM дорівнює 4, модуль буде спати протягом 
часу, визначеного параметром SP. Після закінчення часу SP модуль прокинеться і 
перевірить наявність послідовних або RF-даних. Для перевірки наявності RF даних 
модуль відправить запит батьківському пристрою (Маршрутизатору або 
Координатору). Якщо батьківський пристрій отримав дані для модуля, модуль 
залишиться в активному режимі, поки не отримає дані. Інакше модуль знову 
перейде у режим сну.  
Після отримання послідовних або RF-даних модуль запустить таймер ST, і 
залишиться в активному режимі до закінчення таймера. В активному режимі 
модуль продовжить надсилання запитів батьківського пристрою для перевірки 
наявності даних. Таймер ST буде перезапускатися щоразу, коли модуль отримує 
послідовні або RF-дані. Після закінчення таймера ST модуль перейде до сну. 
Коли модуль виходить з режиму сну, він активує вивід On/Sleep (Вивід 13) 
для індикації свого стану для хост-додатка. Якщо хост-додаток потребує більшого 
часу сну, ніж забезпечує параметр SP, або він повинен прокидатися лише за 
наявності RF-даних, можливе застосування команди SN для відключення активації 
виводу On/Sleep протягом кількох інтервалів SP. Наприклад, якщо SP встановлено 
на 20 секунд та SN = 5, Вивід On/Sleep залишиться вимкненим (тобто, на низькому 
рівні) протягом 100 секунд.  
Якщо контроль CTS активовано, вивід CTS (Вивід 12) перейде на низький 
рівень (0В), при пробудженні модуля і деактивується (встановиться на верхній 
рівень) під час переходу в режим сну, вказуючи таким чином хост-додатку про 
можливості обміну даними. 
 
  
3.3 Схемотехнічна реалізація системи дистанційного керування 
світильника на основі протоколу ZigBee 
 
Розглянемо практичну реалізацію системи управління, побудовану із 
застосуванням мікроконтролера за блок-схемою рис.3.2,б. Пристрій складається з 
двох частин - пульта управління та радіокерованого світильника. 
Як пульт управління використовується модуль, що працює автономно, тобто 
не підключений до ПК або керуючого мікроконтролера (рис. 3.3). У модуль XBee 
вбудований функціонал автоматичного періодичного відправлення значень АЦП 
та цифрових входів на заздалегідь запрограмовану 64-бітну адресу одержувача. 
Значення АЦП (діапазон 0–1023), що відправляються, призначені для управління 
яскравістю світлодіодної лампи. Надсилання команд кожні 50 мс дозволяє плавно 
змінювати яскравість у реальному часі. Це максимальна частота, з якою модулі 
XBee Series 2 в принципі здатні надсилати радіопакети (20 Гц). Використовуючи 
модулі XBee Series 1 (802.15.4), можна підвищити частоту відправки приблизно до 
50 Гц і більше, проте в цьому випадку об'єднати модулі в мережу можливо тільки 
за топологією «зірка» (тобто без ретрансляцій). 
Розглянемо схемотехнічну реалізацію вузлів бездротового світлодіодного 
світильника. 
В якості об'єкта управління обраний блок живлення (БЖ) HLP-40H-36 [4], 
який може бути підключений, наприклад, до дев'яти послідовно з'єднаних 
світлодіодних ламп C20-AL-1XPE-CW-E03 з сумарною потужністю 27 Вт. 
Максимальний струм, який віддається БЖ, досягає 750 мА. БЖ має вхід керування, 
на який можна подавати ШІМ-сигнал із частотою не більше 3 кГц або постійна 
напруга 1-10 B. Вхід керування дозволяє регулювати вихідний струм у широких 
межах, однак він не призначений для повного відключення навантаження. При 
подачі на керуючий вхід напруги 0,5 В вихідний струм становить приблизно 50 мА, 
проте при подальшому зниженні напруги відбувається стрибкоподібне падіння 
яскравості. При плавному підвищенні напруги від 0 В лампа спалахує стрибком, 
коли напруга на вході керування досягає приблизно 0,6 В. Керуючий струм не 
перевищує одиниць мікроампер, проте на ненавантаженому вході управління 
присутня напруга +10 В. Все це слід враховувати при поєднанні БЖ із схемою 
управління. 
 
а) 
 
 
Рисунок 3.8 –Умовне позначення а) та зовнішній вигляд б)  
блоку живлення HLP-40H-36 
 
Основні параметри блоку живлення HLP-40H-36 
• Вихідна потужність (ном): 40 Вт; 
• Вихід: 36 В; 
• Напруга 1 каналу: 22...36 В; 
• Вихідний струм 1 каналу: 0.67...1.12 А; 
• Тип стабілізації: напруга, струм; 
• Вхід: 110/220 В авто; 
• Конструктивне виконання: відкритий; 
• Можливості: ККМ/низькі пульсації, LED драйвер, димінг; 
• Типи захисту: КЗ, перевантаження, перенапруження, перегрів; 
• Кількість виходів: 1; 
• Тип управління виходом: ШІМ, 1-10 В, потенціометр зовнішній; 
• Вхідна напруга AC: 90...305 В; 
• Вхідна напруга DC: 127...431 В; 
• Коефіцієнт потужності: 0,95; 
• Напруга ізоляції вхід-вихід: 3.75 кВ; 
• Застосування: LED; 
• ККД: 89%; 
• Шум: 200 мВ; 
• Робоча температура: -40...70 ºС; 
• Температура зберігання: -40...80 ºС; 
• Вага: 0,2 кг; 
• Розмір: 147.0х53.0х27.0 мм. 
 
Рисунок 3.9 – Використання RF-модуль XBee Series 2 як приймача 
Як приймач використовується RF-модуль XBee Series 2 детально описаний в 
попередньому розділі. 
Джерелом напруги, що змінюється, є PWM-вихід мікроконтролера, поданий 
через інтегруючий фільтр на вхід операційного підсилювача LM324N. 
 
Рисунок 3.10 – Інтегруючий фільтр та операційний підсилювач LM324N 
 
Мікросхема серії LM324 є недорогим операційним підсилювачем, що має 
прямий диференціальний вхід, внутрішньочастотну компенсацію при одиничному 
підсиленні та захист від короткого замикання. 
В одному корпусі мікросхеми розташовано чотири незалежні один від одного 
операційні підсилювачі. Вони мають ряд незаперечних переваг проти типових 
операційних підсилювачів, що застосовуються у схемах з однополярним 
живленням. 
Мікросхема відмінно працює в широкому діапазоні напруги живлення: від 3 
до 32 В. Мікросхема LM324n виробляється в корпусах типу SOIC і DIP. 
Технічні дані операційного підсилювача LM324n 
• Напруга живлення: 
• - однополярна: 3 ... 32 В. 
• - двополярна: 1,5 ... 16 В. 
• Підсилення постійної напруги: 100 дБ. 
• Власний струм споживання: 700 мкА. 
• Вхідний струм зміщення (з температурною компенсацією): 45 нА. 
• Вхідна напруга зміщення: 2 мВ. 
• Діапазон вхідної синфазної напруги містить землю. 
• Диференціальний діапазон вхідної напруги досягає напруги живлення. 
• Вихідна напруга: від 0 до Uж. - 1,5 В. 
Габаритні розміри операційного підсилювача LM324 наведені на рис.3.11 
 
Рисунок 3.11 – Габаритні розміри операційного підсилювача LM324 
 
Для індикації стану яскравості світильників використовується дисплей 
YMCO1006AATUGN1 з драйвером ML1001 (рис.3.12) 
 
Рисунок 3.12 – Дисплей для відображення стану яскравості світильників 
ML1001 – статичний LCD GOG (чіп у склі) драйвер для 40-сегментного LCD 
у позолоченому протиударному виконанні. Можна каскадно сформувати цілісний 
із 80 або 120 сегментів LCD драйвер. У звичайному виконанні модуль TN LCD 
GOG вимагає кращої роздільної здатності за TN LCD технологією. 
Використовуючи серію ML1001 драйверів, користувач отримує кращий контраст, 
широкий кут огляду, широкий діапазон напруги живлення і широкий діапазон 
робочих температур, коли порівнювати по комплексу показників.  
Драйвер ML1001 включає внутрішній генератор на 32 кГц, 40-бітний регістр 
зсуву, 40-бітний регістр даних, 16-бітний сегментний драйвер, 24-бітний 
сегментний драйвер, два загальних драйвера, керуючу схему миготіння, схему 
скидання по включенню живлення та дільник який необхідний для формування 
тактових імпульсів для керування миготінням, сегментами та загальними 
драйверами схеми.  
Через вивід DIN, дані на дисплей послідовно зсуваються в 40-бітному 
регістрі зсуву по фронту DCLK сигналу, що наростає. Дані на дисплей, які будуть 
показані на LCD, що додається, потім зберігаються в 40-бітому регістрі даних по 
наростаючому фронту сигналу LOAD.  
Інші функції, подібно до миготіння даних на дисплеї - BEN і BCLK, 
вимкнення внутрішнього генератора - OEN, вхід зовнішнього тактового сигналу - 
FIN і включення та вимкнення сегментів і загальних драйверів за допомогою SEN1, 
SEN2, CEN1A і CEN1B, є також. 
Дані на дисплей зчитуються з регістру зсуву послідовно через вивод DIN по 
фронту DCLK сигналу, що наростає. Дані на дисплеї повинні бути відображені по 
фронту сигналу LOAD, що наростає. Дані на дисплей у регістрі зсуву будуть на 
виході (вивід DOUT) після 40 наростаючих фронтів сигналу DCLK. Дані на дисплеї 
послідовно мають бути подані на SEG40, SEG39 … SEG2, SEG1 для відповідного 
відображення даних.  
1) Скидання при включенні живлення  
При включенні живлення ML1001 скидається в такий початковий стан:  
1. Виходи регістру зсуву встановлюються в GND  
2. Виходи регістру даних встановлюються в GND, отже всі LCD сегменти 
вимкнені.  
2) Генератор. 
а) Внутрішнє тактування.  
Внутрішня логіка та керуючі сигнали LCD для ML1001 тактуються за 
допомогою вбудованого генератора або зовнішнього тактування. Коли 
використовується внутрішній генератор, OEN має бути заземлено та OOUT має 
бути з'єднаний з FIN. Генератор генерує частоту 32 кГц, яка залишається 
незалежною в діапазоні 2,0 В ≤ VDD ≤ 6,0 В.  
б) Зовнішнє тактування.  
Коли використовується зовнішнє тактування, OEN з'єднується з VDD, потім 
зовнішні імпульси подаються на FIN. 
3) Синхронізація.  
ML1001 має кілька частот для сигналу тактування, щоб використовувати 
вибираючи для тактування LCD дисплея (тобто LCLK) або тактування миготіння 
(тобто BCLK). 
4) Виводи сегментів  
ML1001 має 40 виводів сегментів, які мають бути безпосередньо приєднані 
до LCD. Якщо потрібно менше, ніж 40 сегментів, то сегменти, що не 
використовуються, повинні бути залишені непід'єднаними. Користувач може 
відключити перші з 1 по 16 сегменти та останні з 17 по 40 сегменти, відповідно 
треба VDD з'єднати з SEN1 або SEN2. Виходи сегментів повинні бути заземлені у 
разі їх відключення.  
5) Загальні виходи  
ML1001 має два загальні сигнали (тобто COM1A і COM1B). Ці два загальні 
сигнали протилежні LCLK. Загальні виходи мають бути непід'єднаними, якщо не 
використовуються. Користувач може відключити COM1A і COM1B, відповідно 
треба VDD з'єднати із СEN1 або СEN2. Загальні виходи може бути заземлені, якщо 
їх відключили.  
6) Миготіння  
ML1001 має функцію миготіння, що використовується, якщо заземлити BEN 
та вхід тактування миготіння (тобто BCLK) також з'єднати з виходом дільника 
частоти ML1001 або зовнішнім сигналом тактування. Користувач може вимкнути 
функцію миготіння, з'єднавши BEN та VDD. 
Таблиця 3.3 – Опис виводів 
Символ Опис 
VDD Напруга живлення 
GND Загальний вивід 
LOAD Завантаження даних з регістру зсуву в регістр даних 
DIN Вхідне виведення даних на дисплей 
LCLK Вхідне виведення тактування LCD дисплея 
DCLK Вхідне виведення для тактування даних на дисплеї 
CHK механічний контакт 
Як керуючий використаний PIC16LF777 (рис.3.13). Жодних спеціальних 
вимог до мікроконтролера пропонована схема не пред'являє, проте наявність 
апаратних UART та PWM полегшує роботу програміста. Використаний 
мікроконтролер має три канали PWM, що дозволить, за потреби, реалізувати 
управління повнокольоровим RGB-світильником для художнього підсвічування 
будівель. 
 
Рисунок 3.13 – Мікроконтролер PIC16LF777 
Основні параметри мікроконтролер PIC16LF777 
• Вид монтажу: SMD/SMT 
• Висота: 1 мм 
• Довжина: 10 мм 
• Категорія продукту: 8-бітні мікроконтролери 
• Кількість входів/виходів: 36 I/O 
• Кількість каналів АЦП: 11 Channel 
• Кількість таймерів/лічильників: 8 Timer 
• Комерційне позначення: PIC 
• Максимальна робоча температура: + 85 °C 
• Максимальна тактова частота: 20 МГц 
• Мінімальна робоча температура: 40 °C 
• Напруга живлення - макс.: 5.5 V 
• Напруга живлення - мін.: 2 V 
• Робоча напруга живлення: 2 V to 5.5 V 
• Розмір ОЗУ даних: 368 Б 
• Розмір ПЗУ даних: 368 Б 
• Розмір програмної пам'яті: 14 kБ 
• Роздільна здатність АЦП: 10 bit 
• Серія: PIC16(L)F7x7 
• Тип інтерфейсу: AUSART, CCP, I2C, MSSP, SPI 
• Тип пам'яті програм: Flash 
• Тип ПЗУ даних: Flash 
• Тип продукту: 8-bit Microcontrollers — MCU 
• Торгова марка: Microchip Technology 
• Чутливий до вологості: так 
• Ширина: 10 мм 
• Ширина шини даних: 8 bit 
• Ядро: PIC16 
Для стабільної напруги живлення мікропроцесора 3 В використовується 
мікросхема стабілізації напруги NCP1117-3.3 
 
Рисунок 3.14 – Стабілізатор напруги 
 
NCP1117 має значне зниження падіння напруги разом із підвищеною 
точністю вихідної напруги та температурною стабільністю порівняно зі старими 
промисловими стандартними триконтактними регуляторами. Ці пристрої мають 
обмеження вихідного струму, безпечну компенсацію робочої зони та захист від 
теплового відключення, що робить їх зручними для проектування для живлення 
багатьох споживчих і промислових продуктів. Типова схема застосування 
фіксованого вихідного стабілізатора показана на рис.3.14.  
Вхідний обхідний конденсатор C1 може знадобитися для стабільності 
регулятора, якщо пристрій розташований на відстані більше ніж кілька дюймів від 
джерела живлення. Цей конденсатор зменшить чутливість схеми при живленні від 
джерела з комплексним опором та значно покращить вихідну характеристику 
перехідного процесу. Вхідний шунтуючий конденсатор слід встановлювати з 
найменшою можливою довжиною доріжки безпосередньо на вході регулятора та 
клемах заземлення. Керамічний або танталовий конденсатор 10 мкФ має бути 
достатнім для більшості застосувань.  
Частотна компенсація для регулятора забезпечується конденсатором C2, і 
його використання є обов’язковим для забезпечення стабільності виходу. 
Необхідне мінімальне значення ємності 4,7 мкФ. Тип конденсатора може бути 
керамічним, танталовим або електролітичним, якщо він відповідає мінімальному 
значенню ємності. Більш високі значення вихідної ємності можна використовувати 
для підвищення стабільності контуру та перехідної характеристики з додатковою 
перевагою зменшення вихідного шуму. 
Схема бездротового світлодіодного світильника наведено на рис.3.15.  
 
Рисунок 3.15 – Радіокерований світильник 
 
Прийнята XBee-модулем команда управління видається через UART як API-
пакет (рис.3.16). З цього пакета мікроконтролер витягує два байти рівня яскравості 
та використовує їх для встановлення шпаруватості PWM-виходу. ШІМ-сигнал, що 
формується, має встановлену програмно фіксовану частоту 2 кГц (може 
варіюватися в широких межах). В принципі, підключений БЖ підтримує ШІМ-
керування, однак з метою охоплення більшої кількості використовуваних в різних 
БЖ інтерфейсів застосовано управління яскравістю за допомогою інтерфейсу 0-10 
В. Джерелом напруги, що змінюється, є PWM-вихід мікроконтролера, поданий 
через інтегруючий фільтр на вхід операційного підсилювача. Останній потрібен 
для узгодження рівнів і представляє собою класичний неінвертуючий підсилювач 
з Кп = 3. 
 
Рисунок 3.16 – Пакет з інформацією про яскравість 
  
4. ОХОРОНА ПРАЦІ 
 
4.1 Аналіз умов праці інженера-проектувальника при роботі в  
       технічній лабораторії 
 
В даній роботі проводиться розробка системи дистанційного керування 
освітленням. Подібні роботи полягають в проведенні складних системних 
розрахунків. В сучасних умовах ці роботи проводять із застосуванням сучасної 
комп’ютерної техніки. Робота інженера-проектувальника з комп’ютером пов’язана 
з довготривалим сидінням на одному місці майже нерухомо перед монітором 
комп’ютера. 
Для ефективної організації роботи спеціаліста у приміщенні технічної 
лабораторії необхідно проаналізувати всі прямі та побічні фактори впливу 
навколишнього середовища на працівників. За рівнем фізичних навантажень ця 
робота відноситься до категорії Іа.  
Кімната лабораторії розрахована на 4 постійних робочих місця. Лабораторія 
має такі розміри : довжина 6 м , ширина 5 м , висота 3,5 м. Площа кімнати складає 
30 м2, об’єм – 105 м3. Це складає 7,5 м2 площі та 35 м3 об’єму на одне постійне 
робоче місце, що відповідає вимогам ДБН В.2.2.28-2010. 
Лабораторія являє собою приміщення з однобічним природним освітленням, 
північно-західною орієнтацією вікон. Природне освітлення здійснюється через 
вікна. Розміри двох вікон приміщення однакові і становлять 1,402,0 м. Робочі 
столи розташовані так, що вікна знаходяться збоку робочих місць. Вікна обладнані 
шторками, які розсіюють світло. При цьому у полі зору працюючого  
забезпечується оптимальне співвідношення яскравості робочих та навколишніх 
поверхонь.  
Найменшим об’єктом розрізнення виступає «крапка» тексту на фоні монітора 
(в текстових редакторах та математичних прикладних програмах це текст чорного 
кольору і білий колір робочого поля). Найменший об’єкт розрізнення – 0,25 мм, що 
відповідає дуже високому ступеню точності зорової праці. Розряд зорової праці – 
II, підрозряд – г. Контраст об’єкту розрізнення з фоном - великий.   
Згідно з ДБН В.2.5-28-2018 нормування природного освітлення проводиться 
за допомогою коефіцієнта природної освітленості (КПО), вираженого в відсотках, 
який для даного типу зорової праці складає 1,5%. Фактичне значення КПО 
знаходиться в межах 30-40%. Отже, рівень природного освітлення є достатнім. 
Для темного часу доби передбачене штучне освітлення. При штучному 
освітленні нормується величина освітленості в люксах (Лк), яка вибирається в 
залежності від характеристик зорової праці з урахуванням найменшого розміру 
об'єкта розрізнення, фону, контрасту об'єкта розрізнення з фоном. 
Лабораторія обладнана шістьма світильниками типу ЛСП 02В-2×40, 
розташованими безпосередньо над робочими місцями на стелі приміщення. 
Кожний світильник має дві люмінесцентні лампи денного світла. Для даного типу 
зорової праці необхідна величина штучного загального освітлення складає 300 Лк. 
Фактичне значення даного параметра складає більше 330 Лк. Отже рівень 
штучного освітлення на робочому місці є достатнім відповідно до ДБН В.2.5-28-
2018 «Природне і штучне освітлення». 
В кімнаті в холодний період року функціонує система централізованого 
водяного опалення, яка відповідає ДБН В.2.5.67-2013 «Опалення, вентиляція та 
кондиціювання». Система опалення складається з двох 10-ти секційних 
біметалевих радіаторів, встановлених під кожним вікном. 
Важливе значення мають фактори мікроклімату в робочому приміщенні, так 
як вони безпосередньо впливають на здоров’я та самопочуття працівника. Згідно з 
ДСН 3.3.6.042-99 нормативні значення основних факторів мікроклімату наступні: 
1. Температури повітря: 
− в теплий період року – 23 - 25 °С (допустима – 20 - 28 °С). ; 
− в холодний період року – 22 - 24 °С  (допустима – 21 - 25 °С). 
2. Вологість повітря: 
− в теплий період року – 40 - 60 %; 
− в холодний період року – 40 - 60 %. 
3. Швидкість руху повітря: 
− в теплий період року – 0,1 м/с (допустима – 0,1 - 0,2 м/с) ; 
− в холодний період року –  0,1 м/с (допустима –  менше 0,1 м/с) . 
Фактичні значення даних параметрів мають такі значення:  
1. Температури повітря в теплий період року становить – 25 - 27 °С, в 
холодний період року – 20 - 23 °С . 
2. Вологість повітря має різні значення але знаходиться в допустимих межах 
– 40 - 60 %. 
3. Швидкість руху повітря як в теплий так і в холодний період року не 
перевищує 0,1 м/с.  
Таким чином, параметри повітря як в теплий так і в холодний період року 
задовольняють прийнятим стандартам і нормам, тому немає необхідності 
встановлення системи кондиціювання. 
В даному приміщенні передбачена неорганізована природна вентиляція. 
Повітря просочується через нещільності у вікнах та дверях. Також здійснюється 
провітрювання приміщення при відкриванні вікон та кватирок.  
З вище наведених значень параметрів мікроклімату в робочому приміщенні 
можна зазначити, що система опалення, яка застосовується, повністю забезпечує 
належні умови праці (температуру повітря) в холодний період року.  
Інженер-проектувальник проводить велику кількість часу поряд із системним 
блоком комп’ютера, в якому вентилятор охолодження створює шум. Це також 
являється важливим фактором виробничого середовища. Додатковий рівень шуму 
створює принтер, який знаходиться в дальньому кутку кімнати. 
Згідно з ДСН 3.3.6.037-99 «Санітарні норми рівнів шуму на робочих місцях» 
нормативне значення еквівалентного рівня шуму при даному видові діяльності та 
типу робочого місця складає 50 дБА. Рівень шуму на робочих місцях в даному 
приміщенні становить 45-47 дБ, що не перевищує норми.  
Відповідно до ДСН 3.3.6.096-2002 напруженість ЕМП у діапазоні частот 
60кГц-3МГц на робочих місцях персоналу протягом робочого дня не повинна 
перевищувати 50 В/м. Фактичне значення даного параметра складає менше 0,4 В/м. 
Отже, рівень електромагнітного випромінювання знаходиться в межах норми. 
Умови праці спеціаліста при роботі з комп'ютером визначаються 
характеристиками устаткування, якістю робочих матеріалів у робочій зоні, 
конструкцією робочих меблів та її розмірними характеристиками. Робоче місце 
співробітника є постійним і складається зі столу, на якому установлений 
персональний комп'ютер, та спеціального м’якого стільця. Монітор розміщені так, 
щоб відстань від очей користувача до екрану складала не менше 70 cм, кут огляду 
30о. Руки користувача розташовуються на робочому столі в горизонтальному 
положенні. Ширина столу 1,2 м, усі предмети, що знаходяться на ньому 
розташовані на відстані не більш 75 см від працівника, отже вони знаходяться в 
робочій зоні. Висота столу 74 см. Параметри робочого місця відповідають ДСТУ 
8604:2015 та ДСанПіН 3.3.2.007-98. 
З точки зору психологічного навантаження доцільно віднести роботу 
інженера до роботи з великим обсягом інформації та великою розумовою 
активністю. Однотипність даних на екрані та очікування закінчення розрахунків 
може привести до додаткового виснаження, швидкого стомлення, значного 
зниження працездатності. 
При великому рівні психологічних навантажень спеціаліст змушений довгий 
час перебувати у нерухомому стані, практично без фізичних навантажень, що 
негативно відображається на фізичному стані та вимагає додаткових вольових 
зусиль, які виснажують людину. 
Електропроводка в досліджуваному приміщенні прихованого типу, що 
захищає працюючих в аудиторії від дотику до оголених проводів напругою 220 В 
при механічному руйнуванні проводки. Приміщення відноситься до 3 типу: 
приміщення без підвищеної небезпеки, відповідно ПУЕ-17, оскільки в приміщенні 
немає таких небезпечних факторів як: високої відносної вологості повітря 
(перевищення 75% протягом тривалого часу); високої температури повітря (більше 
35 °С протягом тривалого часу); струмопровідного пилу; струмопровідної підлоги; 
хімічно активного середовища. Обладнання, встановлене в приміщенні живиться 
напругою 220 В і споживає потужність менше ніж 2000 Вт. Системний блок ПК, 
має металевий корпус, тому згідно ДСТУ Б В.2.5-82:2016 ці корпуси під'єднано до 
загальної системи захисного заземлення. 
З працівниками установи регулярно проводиться інструктаж з техніки 
безпеки, який складений з врахуванням вимог необхідних нормативних документів 
з гігієни праці та техніки безпеки. 
Приміщення лабораторії відноситься до приміщень з категорією 
пожежобезпеки типу В (горючі та важкогорючі рідини, тверді горючі та 
важкогорючі речовини і матеріали (в тому числі пил та волокна), речовини та 
матеріали, здатні при взаємодії з водою, киснем повітря або одне з одним горіти, за 
умови, що приміщення, в яких вони знаходяться (використовуються), не належать 
до категорії А та Б) згідно з ДСТУ Б В.1.1-36:2016, оскільки в приміщенні існують 
дерев'яні меблі, велика кількість паперу та інші матеріали.  
Існуючі в установі інструкції на випадок пожежі складенні відповідно до 
НАПБ А.01.001-2014 «Правила пожежної безпеки в Україні».  
План евакуації з приміщення розміщений на стіні з вільним доступом до 
нього. Приміщення обладнане вуглекислотним вогнегасником ВВК-3.5, який 
закріплено в місці вільного доступу у випадку виникнення пожежі (відповідно 
Правил використання вогнегасників). 
Важливою обставиною є те, що в приміщенні не встановлено систему 
пожежної сигналізації відповідно ДБН В.2.5.56-2014. Для подальшої безпечної 
праці в приміщенні лабораторії необхідно обов’язково провести розрахунок і 
встановити сучасну систему пожежної сигналізації. 
 
  
4.2 Розробка системи пожежної сигналізації лабораторії 
 
Система пожежної сигналізації призначена для своєчасного виявлення місця 
загорання й формування керуючих сигналів для систем оповіщення про пожежу й 
автоматичного пожежогасіння.  
Вітчизняні нормативні документи по пожежній безпеці суворо 
регламентують перелік будинків і споруд, що підлягають оснащенню 
автоматичною пожежною сигналізацією (ДБН В.2.5.56-2014). У цей час весь 
перелік організаційно-технічних заходів на об'єкті під час пожежі має одну головну 
мету - порятунок життя людей. Тому на перше місце виходять завдання раннього 
виявлення загорання й оповіщення персоналу.  
Основні функції пожежної сигналізації забезпечуються різними технічними 
засобами. Для виявлення пожежі служать оповісники, для обробки й 
протоколювання інформації й формування керуючих сигналів тривоги - 
приймально-контрольні пристрої й периферійні пристрої.  
В приміщенні лабораторії пропонується встановити адресно-аналогові 
оповісники пожежні димові Aritech серії 2000, які призначені для роботи в складі 
пожежної сигналізації й виявлення пожежі й задимлення приміщення на ранній 
стадії. Кожен оповісник пожежний димовий Aritech може контролювати площу до 
100 кв. м і встановлюється на висоті до 12 м. 
За принципом дії оповісник пожежний димовий являє собою граничний 
датчик диму з чутливістю, що налаштовується, функціонування якого засноване на 
оптичному контролі щільності навколишнього середовища. З певною частотою 
оповісник порівнює амплітуди імпульсів відбитого від часток диму інфрачервоного 
випромінювання, які формуються електричною схемою оповісника, із заданим 
граничним значенням. Для цього в оптичній камері пожежного оповісника під 
певним кутом встановлюються інфрачервоний світлодіод і фотоприймач. У 
черговому режимі роботи оповісника інфрачервоне випромінювання від 
світлодіода не попадає на фотоприймач. Однак при потраплянні в оптичну камеру 
диму, його частки розсіюють інфрачервоне випромінювання, і воно досягає 
фотоприймача. При потоці відбитого світла вище встановленої величини оповісник 
пожежний димовий формує сигнал пожежної тривоги. Цей сигнал передається на 
приймально-контрольний пристрій FP2000, який формує керуючі сигнали для 
запуску системи оповіщення. 
Для призначення унікальної адреси оповісник пожежний димовий має два 
кругових перемикачі, розташованих на його корпусі. При надходженні від одного 
з оповісників сигналу тривоги або повідомлення про необхідність чищення димової 
камери на дисплеї контрольно-приймального приладу FP2000 відображається 
адреса димового оповісника, по якому легко визначити зону загоряння або 
місцезнаходження пожежного оповісника, що вимагає очищення.  
Оповісник має змінну оптичну камеру, що дозволяє, у випадку забруднення 
проводити регламентне обслуговування кожного оповісника безпосередньо на 
місцях установки, не відправляючи на станцію техобслуговування. Якщо система 
пожежної сигналізації повідомляє, що оповісник вимагає очищення, для цього 
досить зняти корпус оповісника, вийняти стару димову камеру, продути основу 
оповісника струменем повітря і встановити нову камеру. Після цього оповісник 
пожежний димовий потребує тільки перевірки чутливості.  
Для того щоб переконатися, що надходження диму в оптичну камеру 
оповісника не обмежене й викликає спрацьовування оповісника, а також 
включення сигналу тривоги, всі оповісники пожежні димові тестують з 
періодичністю раз на рік або частіше. Для тестування оповісників 
використовується аерозольний балон зі штучним димом. Струмінь диму 
направляється на оповісник і по згенерованому оповісником сигналу тривоги 
можна судити про його працездатність. При тестуванні необхідно строго слідувати 
інструкції, щоб не пошкодити пожежний оповісник і не змінити його настройки.  
Також оповісник пожежний димовий може бути оснащений однорозрядним 
7-сегментним дисплеєм. Якщо піднести магніт до вбудованого в димовий 
оповісник геркону, то на дисплеї відобразиться адреса оповісника й поточний стан 
навколишнього повітря.  
У керуючому програмному забезпеченні пожежної сигналізації Aritech 
використані алгоритми компенсації забруднення оповісників і призначення їм 
різних рівнів чутливості залежно від часу доби (день/ніч) і характерного для 
приміщення рівня задимленості.  
Компенсація забруднення оповісника здійснюється автоматично, по мірі 
нагромадження пилу в оптичній камері. Фотоприймач, яким оснащений оповісник 
пожежний димовий, генерує сигнал більш високого рівня. Програма компенсації 
забруднення пожежного оповісника визначає нові граничні значення, що 
відповідають сигналу тривоги й несправності. Коли концентрація пилу в оптичній 
камері досягає граничного значення для заданого рівня чутливості, система 
пожежної сигналізації інформує оператора про те, що оповісник пожежний 
димовий вимагає очищення або заміни димової камери. 
Всі оповісники пожежні димові здійснюють обмін даними з адресно-
аналоговою панеллю FP2000 відповідно до індустріального протоколу SIA. Цей 
протокол забезпечує цілісність і безпомилковість роботи системи пожежної 
сигналізації за рахунок різноманітності циклів магістралі й перевірки помилок за 
допомогою контрольних сум. При цьому швидкість обміну даними між димовим 
оповісником й адресно-аналоговою панеллю не знижується.  
Адресний прилад приймально-контрольний FP2000 з торгівельною маркою 
Aritech призначений для створення гнучкої програмованої системи пожежної 
сигналізації для будинків різного призначення й будь-якої площі.  
Прилад приймально-контрольний пожежний FP2000 підтримує адресно-
аналогові пожежні датчики серій Aritech й Apollo, а також передбачає підключення 
безадресних датчиків. 
Європейська норма E54, якій відповідає прилад FP2000, вимагає, щоб 
коротке замикання або розрив у шлейфі не могли вплинути на роботу більш ніж 32 
пожежних оповісників. Тому при підключенні до приладу шлейфів, до складу яких 
входить більше 32 пожежних оповісників, через кожні 32 оповісника варто 
встановлювати модуль ізоляції коротких замикань. 
 
 
Таблиця   4.1 - Основні технічні характеристики оповісника  
пожежного димового серії 2000 
Параметри Значення 
Максимальна контрольована площа: 100 кв. м 
Максимальна відстань між будь-якою 
6 м 
точкою поверхні й оповісником: 
Максимальна висота стелі: 12 м 
Робоча напруга: 17 – 28 В пост. струму 
Споживання струму  
у стані спокою при 24 В: < 150 мкА 
Світлодіод: 2 мА, 
у стані тривоги при 24 В: 
7-сегментний дисплей: 2 мА 
Індикація тривоги: Червоний світлодіод 
Струм, доступний для зовнішньої індикації: 4 мА 
Вологість: 0 – 95%, без конденсату 
Ступінь захищеності: Стандарт IP43 
Розміри оповісника: діаметр 100 мм, висота 50 мм 
Температура зберігання: -30 – +85°С 
Робоча температура: -20 – + 70°С (без зледеніння) 
 
  
Таблиця 4.2 - Модельний ряд оповісників пожежних димових Aritech 
Модель 
оповісника 
Найменування Базова основа 
пожежного 
димового 
оповісник пожежний димовий з одним 
DP2051 індикаційним світлодіодом без драйвера DB2001(U) 
виносних світлодіодів 
оповісник пожежний димовий з 
індикаційним світлодіодом, 
DP2071 
однорозрядним 7-сегментним дисплеєм і DB2002(U) 
драйвером виносних світлодіодів 
оповісник пожежний димовий із двома 
DP2061 DB2002(U) 
індикаційними світлодіодоми 
 
Також для запобігання впливу системних несправностей на роботу системи 
пожежної сигналізації норма E54 рекомендує, щоб один приймально-контрольний 
прилад здійснював моніторинг не більше 512 пожежних оповісників й адресних 
пристроїв.  
 
Рисунок 4.1 – Прилад приймально-контрольний пожежний Aritech FP2000 
 
Після монтажу устаткування системи пожежної сигналізації прилад може 
бути запущений у режимі самотестування й самонастроювання, після чого система 
встає на охорону об'єкта й готова до роботи. У процесі роботи прилад приймально-
контрольний може виводити на екран поточну інформацію про стан кожного з 
підключених пожежних оповісників із вказівкою його адреси. Всі події, що 
відбуваються в системі пожежної сигналізації, реєструються у файлі звітів. 
Прилад приймально-контрольний FP2000 обладнаний програмними 
засобами захисту системи пожежної сигналізації від фіктивних тривог. Програмне 
забезпечення приладу дозволяє настроювати рівень чутливості підключених до 
приладу адресно-аналогових пожежних оповісників, а також міняти рівень їх 
чутливості залежно від часу доби, що особливо важливо для виробничих 
приміщень, де денний рівень запиленості повітря й температури значно 
відрізняється від нічного.  
При роботі з оптичними димовими оповісниками прилад приймально-
контрольний дозволяє також враховувати поступове забруднення змінної димової 
камери кожного оповісника. У процесі їх роботи програмне забезпечення 
приймально-контрольного пристрою визначає опорний рівень сигналу (фоновий 
сигнал) і при його зростанні встановлює новий поріг спрацьовування. Коли 
значення фонового сигналу досягає максимально припустимого рівня, 
приймально-контрольний прилад сповіщає оператора системи пожежної 
сигналізації про необхідність очищення або заміни пожежного оповісника.  
На передній панелі приладу розташований рідкокристалічний дисплей на 80 
символів і мембранна клавіатура. На дисплеї приладу відображається інформація 
про адресу й поточний стан пожежних оповісників (поточне значення величини 
сигналу; поточне тестове значення; середнє, найбільше й найменше значення 
величини сигналу; якість зв'язку з пожежним оповісником і ступінь його 
забруднення) або іншого підключеного устаткування.  
Всі приєднані до приймально-контрольного приладу оповісники групуються 
по зонах. Індикація стану кожної виділеної зони (несправність / тривога) 
здійснюється парою світлодіодів, розташованих на передній панелі приймально-
контрольного приладу Aritech.  
 
Таблиця 4.3 - Основні технічні характеристики приладу  
приймально-контрольного FP2000 
Модель приладу: FP2000 
Число шлейфів, що підключають 
2 - 8 
до приладу 
Число зон, контрольованих 
приладом 16 - 64 
Максимальна кількість 
8 
шлейфів типу А: 
Адресних пристроїв на шлейф: 128 
Адресних пристроїв на прилад: 1024 
Номінальне навантаження 
До 100 мА 
шлейфа: 
Стандартні виходи: OUT 1 – OUT 4 
 - Несправності мережного живлення; 
 - Від'єднання акумуляторів; 
Контроль можливих 
 - Розрядки акумуляторів; 
несправностей: 
 - Повного відключення розрядженого    
    акумулятора. 
Нормальний режим: 
Максимальне навантаження: 200 ВА 
Сумарний вихідний струм: 4 А 
Струм, доступний для 
0,15 А 
додаткових пристроїв: 
Режим тривоги: 
Максимальне навантаження: 200 ВА 
Сумарний вихідний струм (27,6 
4 А 
В): 
Струм, доступний для 
3 А 
додаткових пристроїв: 
Захист корпуса: IP54 
Робоча температура: -5°С – +40°С 
 
В розробленій системі пожежної сигналізації використано оповісник 
пожежний димовий з індикаційним світлодіодом, однорозрядним 7-сегментним 
дисплеєм і драйвером виносних світлодіодів Aritech DP2071. Його основні технічні 
характеристики наведені в таблиці 4.1. Він дозволяє контролювати приміщення 
площею до 100 м2, що дозволяє використати один оповісник, для забезпечення 
більшої надійності оповіщення застосуємо два оповісника. Оповісник 
підключається до шлейфу приймально-контрольного приладу Aritech FP2864, який 
знаходиться на першому поверсі будівлі. 
  
ВИСНОВКИ 
 
Технологію ZigBee створено на основі стандарту IEEE 802.15.4-2006 і вона 
призначена для роботи з компактними цифровими пристроями на частоті 2,4 ГГц. 
Метою створення стандарту було зменшення споживання енергії, мінімізація 
затримки передачі сигналу, збільшення кількості вузлів, простота в експлуатації та 
низька вартість. 
ZigBee працює з комірчастою структурою, у той час як її конкуренти Wi-Fi і 
Bluetooth мають топологію мережі «зірка», що означає приєднання всіх кінцевих 
пристроїв до центрального роутера. Якщо відсутній зв'язок з роутером, вузол не 
може підключитися до інших членів мережі. У комірчастій топології вузли 
пов'язані безпосередньо один з одним і не залежать від працездатності одного 
пристрою. Тому втрата зв'язку з одним з модулів не впливає на передачу даних 
мережею, оскільки будь-який з сусідніх модулів може виступати як ретранслятор.  
В роботі розглянуто принцип побудови мережі дистанційного керування 
освітленням. Оскільки радіомодулі мають повноцінний функціонал блок-схема 
системи управління може бути реалізована з мінімальною кількістю компонентів. 
Регулювання яскравості здійснюється за допомогою широтно-імпульсної 
модуляції, оскільки всі вузли мають PWM-інтерфейс. Розширені можливості 
можна отримати, якщо в блок-схему керування світильником додати 
мікроконтролер, який візьме на себе функції керування навантаженням, а модулі 
XBee виступають лише як складові радіоканалу для обміну управляючими 
командами.  
RF-модулі XBee Series 2 розроблені для реалізації можливостей протоколу 
ZigBee у бездротових мережах. Обрані модулі характеризуються високою 
енергоефективністю, надійністю передачі даних між віддаленими пристроями. 
Розглянуто принцип дії модуля XBee Series 2 та призначення його виводів. 
Розглянуто схемотехнічну реалізацію вузлів бездротового світильника. 
Прийнятий XBee-модулем сигнал управління видається через UART як API-пакет 
на мікроконтролер. З цього пакета мікроконтролер опрацьовує інформацію про 
рівень яскравості та використовує її для встановлення параметрів широтно-
імпульсної модуляції PWM-виходу (постійна напруга 1-10 B). Ця напруга, що 
залежить від рівня яскравості, подається через RC-фільтр на вхід операційного 
підсилювача, який використовується для узгодження рівнів сигналів між 
мікроконтролером і блоком живлення. В блоці живлення управління яскравістю 
здійснюється за допомогою інтерфейсу 0-10 В. Для візуалізації стану роботи 
системи керування світильниками використовується LCD дисплей з драйвером 
ML1001. Для стабільної напруги живлення мікроконтролера використовується 
стабілізатор напруги на мікросхемі NCP1117. 
Для керування блоком живлення використаний мікроконтролер PIC16LF777, 
який має апаратні виходи UART та PWM. Зазначимо, що використання 
мікроконтролера виправдане лише  у випадку управління повнокольоровим RGB-
світильником, оскільки мікроконтролер має три канали PWM, в той час як в RF-
модулі XBee Series 2 реалізовано лише один канал PWM. 
В розділі охорони праці розглянуто модернізацію системи пожежної 
сигналізації, основним призначенням якої є своєчасне виявлення місця загорання й 
формування керуючих сигналів для систем оповіщення про пожежу й 
автоматичного пожежогасіння. В приміщенні лабораторії пропонується 
встановити адресно-аналогові оповісники пожежні димові Aritech серії 2000, які 
призначені для роботи в складі пожежної сигналізації й виявлення пожежі й 
задимлення приміщення на ранній стадії. Кожен оповісник пожежний димовий 
Aritech може контролювати площу до 100 м2 і встановлюється на висоті до 12 м. 
 
  
Список використаної літератури 
 
1. Що таке протокол для розумного будинку? 6 популярних видів. - Режим 
доступу: https://wisehome.com.ua/ua/scho-take-protokol-dlya-rozumnogo-
budinku-6-populyarnih-vidiv/ 
2. Що таке Zigbee і чому це важливо для вашого розумного будинку. - Режим 
доступу: https://xterm.com.ua/novosti/chto-takoe-zigbee-i-pochemu-eto-vazhno-
dlia-vashego-umnogo-doma 
3. XBee™ Series 2 OEM RF Modules. Product Manual v1.x.1x - ZigBee Protocol. - 
60 р. 
4. Data Sheet PIC16F7X7 / Microchip Technology Inc. – 280 р. 
5. User Guide NCP1117LP  Semiconductor Components Industries, LLC, 2014. – 15 
р. 
6. User Guide ML1001 Последовательный статический LCD COG Driver. / 
Minilogic Devise Corporation. – 14 р. 
7. 40W Single Output Switching Power Supply. HLP-40H series. – 4 р.
Репозиторій ЧДТУ
