基于Zigbee的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王少用 楊金明

華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東省 廣州市 510640

基于Zigbee的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王少用 楊金明

華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東省 廣州市 510640

本文介紹了一種基于ZigBee技術(shù)的風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈的監(jiān)控系統(tǒng)。它能及時(shí)、準(zhǔn)確的檢測(cè)到蓄電池電壓、電流、太陽(yáng)能電池板等路燈的各項(xiàng)參數(shù)，并通過(guò)GPRS上傳至監(jiān)控中心，又能對(duì)路燈的開(kāi)關(guān)及亮度等進(jìn)行控制，方便管理和維護(hù)，具有巨大的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

Zigbee；無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)；LED路燈

引言

隨著風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈系統(tǒng)的普及和推廣，如何保證路燈的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行將成為新的問(wèn)題和難點(diǎn)。完全依賴(lài)光電控制或值班人員進(jìn)行手動(dòng)控制傳統(tǒng)的路燈的控制方式由于控制的不穩(wěn)定，可靠性差等因素肯定是行不通的。近年來(lái)隨著Zigbe技術(shù)的應(yīng)用和快速發(fā)展，于是提出了將Zigbee技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)光互補(bǔ)路燈的控制系統(tǒng)，并與GPRS相結(jié)合實(shí)現(xiàn)路燈的遠(yuǎn)程監(jiān)控，它具有自動(dòng)化程度高、運(yùn)行可靠、高效節(jié)能、維護(hù)方便、便于控制等顯著特點(diǎn)，本文將研究其具體的實(shí)現(xiàn)方法。

1 Zigbee 技術(shù)

Zigbee技術(shù)是近幾年興起的一種短距離無(wú)線通信技術(shù)，其工作于免費(fèi)的ISM頻段（2.4GHz），它主要用于低成本、低功耗、低復(fù)雜度、低數(shù)據(jù)速率、近距離、高容量、高可靠性的多設(shè)備聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。它是基于IEEE 802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)而成的，IEEE 802.15.4僅處理MAC層和物理層協(xié)議，Zigbee聯(lián)盟對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。

根據(jù)功能的不同，IEEE 802.15.4把網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分為全功能設(shè)備（FFD）和半功能設(shè)備（RFD）。FFD實(shí)現(xiàn)了IEEE 802.15.4協(xié)議全部功能，而RFD則根據(jù)特定應(yīng)用需要只實(shí)現(xiàn)了協(xié)議中一部分功能。Zigbee協(xié)議定義了三種類(lèi)型的設(shè)備，即PAN協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。協(xié)調(diào)器為網(wǎng)絡(luò)的總控制器，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和路由器必須是FFD。一個(gè)FFD可以和RFD通信，也可以和其他的FFD通信，而RFD之間不能直接通信，而只能與FFD設(shè)備通信。RFD在網(wǎng)絡(luò)中只能作為終端設(shè)備，僅需簡(jiǎn)單的8為微處理器和4K的系統(tǒng)資源就能滿(mǎn)足其協(xié)議功能。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)，以及管理網(wǎng)絡(luò)密室；路由器除了實(shí)現(xiàn)應(yīng)用功能外，還具有擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋、建立可靠數(shù)據(jù)路由路徑等功能；終端設(shè)備只實(shí)現(xiàn)應(yīng)用功能，其數(shù)據(jù)由路由器接收和發(fā)送。

Zigbee技術(shù)具備強(qiáng)大的自組網(wǎng)能力，支持三種主要的自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型，即星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和簇狀結(jié)構(gòu)。本文結(jié)合Zigbee技術(shù)、成本、可靠性和其他實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了基于簇狀結(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)的路燈控制系統(tǒng)，取得了很好的效果。

2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

路燈監(jiān)控系統(tǒng)采用了Zigbee技術(shù)與GPRS技術(shù)相結(jié)合的無(wú)線簇狀網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)作為數(shù)據(jù)傳輸媒介。其網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖1所示。

每盞LED路燈配備一個(gè)Zigbee通信芯片，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)組成以網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)的樹(shù)狀網(wǎng)的LED路燈子網(wǎng)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPRS技術(shù)接入互聯(lián)網(wǎng)，從而與控制中心建立聯(lián)系。路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)選擇附近層數(shù)（離網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)）最小、強(qiáng)度最強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)作為自己的父節(jié)點(diǎn)。Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)，從而形成一個(gè)Zigbee子網(wǎng)，遠(yuǎn)程控制中心通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與各個(gè)Zigbee子網(wǎng)通信，形成整個(gè)城市的大區(qū)域遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

圖1 網(wǎng)絡(luò)示意圖

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)無(wú)線通信模塊選擇合適的頻道作為本子網(wǎng)的頻道。然后定期發(fā)送信標(biāo)消息，表明自己的存在。

路由節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)，搜索各頻道，根據(jù)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)/上級(jí)路由節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)消息選擇層數(shù)最小、強(qiáng)度最強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)，發(fā)送加入請(qǐng)求信令，提交本節(jié)點(diǎn)物理地址（用于節(jié)點(diǎn)唯一標(biāo)識(shí)）、類(lèi)型等信息。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)/上級(jí)路由節(jié)點(diǎn)為新節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址（用于路由），返回加入響應(yīng)信令。加入網(wǎng)絡(luò)后的路由節(jié)點(diǎn)定期發(fā)送信標(biāo)消息，內(nèi)容包括節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址、類(lèi)型、層次。路由節(jié)點(diǎn)定期向上級(jí)節(jié)點(diǎn)上報(bào)自身狀態(tài)信息以及下級(jí)節(jié)點(diǎn)的匯總信息。

終端節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)，搜索各頻道，根據(jù)上級(jí)路由節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)消息選擇層數(shù)最小、強(qiáng)度最強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)，發(fā)送加入請(qǐng)求信令，提交本節(jié)點(diǎn)物理地址、類(lèi)型等信息。上級(jí)路由節(jié)點(diǎn)為新節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)，返回加入響應(yīng)信令。終端節(jié)點(diǎn)定期向上級(jí)路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送狀態(tài)信息。路由節(jié)點(diǎn)維持下級(jí)節(jié)點(diǎn)地址及狀態(tài)列表。路由節(jié)點(diǎn)需有機(jī)制告知終端節(jié)點(diǎn)已收到其狀態(tài)信息。

當(dāng)上級(jí)路由節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，子節(jié)點(diǎn)重啟加入程序，重新搜索上級(jí)節(jié)點(diǎn)，以致不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。

3 風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的無(wú)線收發(fā)器是CC2430，產(chǎn)自TI公司，是符合IEEE.802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的片上Zigbee產(chǎn)品。它在單個(gè)芯片上整合了Zigbee射頻（RF）前端、內(nèi)存和工業(yè)級(jí)增強(qiáng)型8051微控制器。CC2430只需極少的外圍器件就可工作。節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)圖如圖2所示。

風(fēng)能和太陽(yáng)能經(jīng)電力變換向蓄電池充電儲(chǔ)存能量，控制器通過(guò)電壓電流檢測(cè)模塊采樣蓄電池充電電流電壓，太陽(yáng)能電池板的電流電壓和風(fēng)機(jī)輸出的電壓電流，經(jīng)過(guò)控制算法，輸出PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)AC/DC,DC/DC 電路，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤及最大風(fēng)能捕捉，并根據(jù)電壓電流大小實(shí)現(xiàn)一定的保護(hù)功

圖2 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)框圖

能，CC2430和控制器經(jīng)SPI接口通信，將電路運(yùn)行的各種參數(shù)和故障及時(shí)的發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，再整合處理發(fā)送至監(jiān)控中心，并將控制中心下達(dá)的命令數(shù)據(jù)傳送至控制器，CC2430根據(jù)情況控制LED路燈的開(kāi)關(guān)和照度。

4 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用TI公司發(fā)布的Zigbee協(xié)議棧，這樣能大大地簡(jiǎn)化軟件部分的設(shè)計(jì)。Zigbee協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)主要是應(yīng)用框架層（AF）和應(yīng)用支持子層（APS）的修改并添加自己的驅(qū)動(dòng)程序，網(wǎng)絡(luò)層是以庫(kù)的形式提供，通過(guò)調(diào)用接口函數(shù)可以加入網(wǎng)絡(luò)和查詢(xún)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，MAC層和物理層也不用去改動(dòng)。由于在Zigbee協(xié)議棧中自帶操作系統(tǒng)層（OSAL），除了初始化一些必要的變量，整個(gè)Zigbee的啟動(dòng)都以任務(wù)的方式完成啟動(dòng)。

Zigbee無(wú)線數(shù)據(jù)通信任務(wù)函數(shù)和LED路燈控制任務(wù)都運(yùn)行在操作系統(tǒng)上，OSAL對(duì)任務(wù)時(shí)間進(jìn)行觸發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。每個(gè)任務(wù)包含若干事件，當(dāng)一個(gè)事件產(chǎn)生時(shí)，對(duì)應(yīng)任務(wù)的事件變量就被設(shè)置衛(wèi)星應(yīng)的事件號(hào)，這樣事件調(diào)度程序就會(huì)調(diào)用相應(yīng)的任務(wù)處理程序。其主程序流程圖如圖3所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

將Zigbee無(wú)線技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈的管理上，解決了以往路燈控制的諸多不足。在遠(yuǎn)程監(jiān)控界面上能過(guò)觀看每個(gè)路燈的運(yùn)行情況及以往的運(yùn)行操作記錄，還能具體到控制每一盞燈的運(yùn)行,能夠?qū)崿F(xiàn)智能化控制。Zigbee、風(fēng)能、太陽(yáng)能和LED路燈相結(jié)合，使系統(tǒng)具有綜合成本低、可靠性高、功耗小、維護(hù)方便、智能化程度高等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

[1] 東莞勤.上光電股份有限公司.基于Zigbee+GPRS的LED路燈遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)[J].照明工程學(xué)報(bào).2009(8):103-105

[2] 關(guān)耀宗，胥布工.基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的道路照明監(jiān)控及節(jié)能系統(tǒng).自動(dòng)化與信息工程.2007，（4）

[3] 林方鍵，胥布工.基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的路燈節(jié)能控制系統(tǒng).控制工程.2009(5):324-326

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.061