基于CC2530的ZigBee無(wú)線路燈節(jié)能智能監(jiān)控系統(tǒng)

湯鎮(zhèn)輝，張正明

(電子科技大學(xué) 中山學(xué)院，廣東 中山 528402)

隨著我國(guó)城鄉(xiāng)一體化建設(shè)和城市化建設(shè)的不斷深入，對(duì)道路照明擴(kuò)展規(guī)模越來(lái)越大，因此對(duì)道路照明及景觀照明提出了更高、更新的要求。與此同時(shí)，路燈的電能消耗和燈具損耗也越來(lái)越大。傳統(tǒng)的路燈控制系統(tǒng)存在著智能化程度低、線路穩(wěn)定度差等問(wèn)題，給城市照明系統(tǒng)的管理和維護(hù)帶來(lái)很大困難。為了解決以上問(wèn)題，本論文提出了基于CC2530的ZigBee無(wú)線路燈節(jié)能智能監(jiān)控系統(tǒng)方案。該方案能夠靈活開(kāi)關(guān)燈，自動(dòng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，提高設(shè)備智能化管理。本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際要求，對(duì)每一組路燈進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)照明模式的多樣化和靈活性，若有損壞的路燈，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)顯示其信息，并通知管理人員，有效地提高了城市照明系統(tǒng)的管理水平。

1 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離無(wú)線通信技術(shù)，目前在近距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。ZigBee協(xié)議棧是建立在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)之上。IEEE802.15.4定義了物理層和MAC層的規(guī)范。其余如網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層規(guī)范[1]等方面由ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)。ZigBee技術(shù)采用自組織網(wǎng)絡(luò)，且其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以隨意變動(dòng)的這一特點(diǎn)對(duì)道路照明監(jiān)控系統(tǒng)十分有利，對(duì)實(shí)現(xiàn)路燈節(jié)能智能監(jiān)控系統(tǒng)的智能化、高可靠性、低成本起到很好的作用[2]。

ZigBee低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)具有如下特點(diǎn)[3-4]：

(1)低功耗。ZigBee技術(shù)傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量小。而且，ZigBee模塊在非工作時(shí)間采用休眠模式，使得系統(tǒng)運(yùn)行非常節(jié)省電能。

(2)數(shù)據(jù)傳輸可靠。ZigBee采用沖突避免的載波多路偵聽(tīng)技術(shù)，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳送需求時(shí)則立刻傳送，保證了系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

(3)網(wǎng)絡(luò)容量大。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可包含65 535個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，按功能的完整性可劃分為全功能設(shè)備(FFD)和半功能設(shè)備(RFD)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)可相互連接，組成大容量的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

(4)工作頻段多樣。使用頻段有：2.4 GHz ISM頻段 、868 MHz(歐洲)及 915 MHz(美 國(guó))，并在 不同 的載 波頻率下有 250 Kb/s、40 Kb/s和20 Kb/s三種不同的傳輸速率。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為：網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、星型結(jié)構(gòu)和樹(shù)狀結(jié)構(gòu)[5]，當(dāng) CC2530用倒F型PCB天線時(shí)，可靠收發(fā)距離為200 m左右，考慮到網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠縮短信息傳輸?shù)难舆t和提高通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性[6]，因此無(wú)線路燈節(jié)能智能監(jiān)控系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢圆捎镁W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使用路由功能傳輸。因?yàn)镃C2530可以實(shí)現(xiàn)20級(jí)左右路由，所以本系統(tǒng)采用 CC2530。一個(gè)“CC2530+CC2591”組成的路由器與協(xié)調(diào)器的可靠收發(fā)距離可以達(dá)到1 km左右，“CC2530+CC2591”組成的路由器與普通路由器如果布局合理的話，就可以讓整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信距離達(dá)到20 km左右。

無(wú)線路燈節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)是由一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器、若干個(gè)路燈路由控制器和若干個(gè)路燈終端設(shè)備控制器組成的無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示。根據(jù)ZigBee通信與組網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)，將ZigBee技術(shù)與傳統(tǒng)的路燈控制模式相結(jié)合，采用對(duì)每組路燈進(jìn)行檢測(cè)和控制的方式，就能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)路燈的損壞情況和它的具體位置，方便維修管理，實(shí)現(xiàn)按需節(jié)能、智能化管理，達(dá)到城市照明系統(tǒng)節(jié)能減排的目標(biāo)。

圖1 系統(tǒng)框架圖

路燈節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)的各個(gè)模塊運(yùn)行主程序流程如圖2所示。首先系統(tǒng)上電初始化各個(gè)模塊，然后協(xié)調(diào)器選擇一個(gè)信道和PAN ID(個(gè)域網(wǎng)ID號(hào))后就開(kāi)始建立網(wǎng)絡(luò)，路由器和終端設(shè)備隨后加入網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器發(fā)出相應(yīng)的控制命令。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

ZigBee新一代SoC芯片[7]CC2530是TI公司推出的用于嵌入式應(yīng)用的片上系統(tǒng)，是使用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)、ZigBee和ZigBeeRF4CE的一個(gè)片上系統(tǒng)解決方案。CC2530內(nèi)部已集成了一個(gè)8051微處理器與高性能的RF收發(fā)器。CC2530能夠以非常低的總材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，擁有較大的快閃記憶體，其存儲(chǔ)容量多達(dá)256 B，它是理想的ZigBee專(zhuān)業(yè)應(yīng)用芯片；支持新RemoTI的ZigBeeRF4CE，這是業(yè)界首款符合ZigBee RF4CE兼容的協(xié)議棧。此外，CC2530具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)，運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短，進(jìn)一步確保了低能源消耗。圖3為CC2530外圍電路設(shè)計(jì)。圖3中的D3倒F天線是單端天線，也就是非平衡天線，所以需要用電容、電感組成一個(gè)非平衡變壓器(BALUN)，如圖 3中的虛線框圖，來(lái)滿(mǎn)足RF輸入/輸出匹配的要求。

圖2 系統(tǒng)主程序流程圖

PCB天線設(shè)計(jì)難度較大，通常還需要仿真工具的支持，但TI公司已經(jīng)把倒F型PCB天線設(shè)計(jì)的規(guī)格公布了。對(duì)于終端設(shè)備的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，PCB天線不失為一種較經(jīng)濟(jì)的選擇，因?yàn)槠渫ㄐ啪嚯x可以滿(mǎn)足本系統(tǒng)的要求。路燈節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)采用光敏電阻傳感器檢測(cè)的方式采集路燈狀態(tài)信息并通過(guò)無(wú)線傳回主控中心(協(xié)調(diào)器)，同時(shí)經(jīng)主控中心處理后，將相應(yīng)的控制命令發(fā)送至指定的路燈節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器的設(shè)計(jì)是根據(jù)電子時(shí)鐘產(chǎn)生的精確時(shí)間和光敏電阻采集外界光線的強(qiáng)弱來(lái)控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的路燈。在下半夜采用隔柱亮燈 (開(kāi)部分燈)的方法降低電能消耗；在大白天，采用關(guān)全部路燈的方法，如果天氣突然轉(zhuǎn)陰，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)打開(kāi)部分路燈，滿(mǎn)足人們照明要求；傍晚時(shí)分，用光敏傳感器采集的光線強(qiáng)弱來(lái)判斷是否需要開(kāi)關(guān)燈，做到及時(shí)開(kāi)關(guān)燈。根據(jù)以上的控制實(shí)現(xiàn)智能和節(jié)能控制。表1所示的為協(xié)調(diào)器主控制路燈的狀況(此表要根據(jù)城市的實(shí)際情況制定)。

圖3 CC2530外圍電路

表1 協(xié)調(diào)器根據(jù)時(shí)間與外界狀態(tài)發(fā)出控制命令

本文提出了基于CC2530的ZigBee無(wú)線路燈節(jié)能智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，在路燈控制器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了自組織網(wǎng)絡(luò)的建立、通信、互操作性測(cè)試，解決了以往無(wú)線控制網(wǎng)絡(luò)的通信不穩(wěn)定的問(wèn)題。初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用這種模式建立的無(wú)線路燈節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)不僅具有較好的可靠性和較高的控制效率，而且還能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)路燈損壞情況和它的具體位置，減少了巡燈工作，同時(shí)又根據(jù)城市是否需要打開(kāi)路燈的實(shí)際情況來(lái)控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的路燈開(kāi)關(guān)，從而做到合理及時(shí)開(kāi)、關(guān)燈。在下半夜采用隔柱亮燈的方法不僅能滿(mǎn)足人們照明的需要，而且還能減少電能消耗，能夠很好地達(dá)到節(jié)能和智能化管理的目的，有著廣闊的應(yīng)用前景。

[1]蔣挺，趙成林.紫蜂技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006.

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[4]黃沈磊.基于ZigBee的自組網(wǎng)無(wú)線路燈控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2010.

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[7]峰碩電子科技有限公司.德州儀器TI-CC2530射頻單片機(jī)芯片應(yīng)用開(kāi)發(fā)指導(dǎo).2011.