應(yīng)用于城市路燈照明監(jiān)控系統(tǒng)中的無線通信技術(shù)

【摘要】本文提出將一種全新的無線通信技術(shù)———ZigBee技術(shù)應(yīng)用到城市道路LED路燈照明系統(tǒng)，利用ZigBee技術(shù)對LED路燈進(jìn)行監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)了LED路燈工作狀態(tài)的自動檢測和功率控制，為解決城市LED路燈照明系統(tǒng)的監(jiān)控和節(jié)能問題提供了一種可行的方案。

【關(guān)鍵詞】ZigBee技術(shù)簡介特性發(fā)展應(yīng)用

1城市路燈照明監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀及Zigbee技術(shù)簡介

路燈照明是城市基礎(chǔ)設(shè)施的組成部分，在城市的交通安全、社會治安、人民生活和市容風(fēng)貌中居于舉足輕重的地位，而且標(biāo)志著城市實(shí)力和成熟的程度。近年來，隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)的突飛猛進(jìn)，城市路燈照明技術(shù)應(yīng)用和城市路燈照明系統(tǒng)建設(shè)也取得了快速的發(fā)展。隨著照明技術(shù)和材料工藝等方面的迅速發(fā)展，路燈在功能、性能和外觀造型等方面已取得很大的提高，但大多數(shù)城市道路照明監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展相對滯后，存在著一系列的問題，諸如系統(tǒng)復(fù)雜，難以統(tǒng)一管理；路燈覆蓋面廣，維護(hù)力量不足；路燈使用及損壞情況不能及時掌握及反饋，導(dǎo)致路燈維護(hù)的有效性和及時性不能滿足要求，安全保障性差；開關(guān)控制效率低，用電浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重。因此，發(fā)展高效安全可靠的城市道路照明監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)，對城市道路照明系統(tǒng)進(jìn)行自動化、智能化的管理的重要性和迫切性日益提上日程。

自從上世紀(jì)八十年代起至今，從數(shù)據(jù)傳輸方面看，城市路燈照明監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展可以分為四個階段：

（1）八十年代末采用220V強(qiáng)電有線的控制方式；

（2）九十年代初期到中期利用電力線、電話線載波的控制方式；

（3）九十年代中期到末期采用230MHZ專用頻道進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸控制方式；

（4）二十一世紀(jì)初期至今采用利用移動運(yùn)營商的短消息業(yè)務(wù)和GPRS/CDMA無線公網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞胶?30MHZ數(shù)據(jù)傳輸控制方式。

電力線載波通信技術(shù)和GPRS無線通信技術(shù)成為目前城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)的主要方案，但也都存在較大的缺點(diǎn)。如電力線載波通信技術(shù)存在配電變壓器對電力載波信號有阻隔作用、三相電力線間有很大信號損失、電力線存在固有的脈沖干擾等問題。采用GPRS傳輸數(shù)據(jù)雖然可以解決電力線通信存在的問題，但這種方式成本極高，而且還將導(dǎo)致很多無線通訊資源的浪費(fèi)。

本文提出將一種全新的無線通信技術(shù)———ZigBee技術(shù)應(yīng)用到城市LED路燈照明系統(tǒng)，利用ZigBee技術(shù)對LED路燈進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了LED路燈的功率控制和LED路燈工作狀態(tài)的自動檢測功能，解決城市LED路燈照明系統(tǒng)的監(jiān)控和節(jié)能問題。

ZigBee技術(shù)是一種新興的無線通信技術(shù)，它是針對無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)自動控制領(lǐng)域的需求而開發(fā)的，具有低數(shù)據(jù)傳輸速率、低功耗、低成本、網(wǎng)絡(luò)容量大、時延短、網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)、通信可靠等特點(diǎn)。ZigBee技術(shù)在低速率、低功耗領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，將ZigBee技術(shù)應(yīng)用到城市LED路燈照明系統(tǒng)解決其監(jiān)控和節(jié)能問題，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)容量十分巨大，理論上一個協(xié)調(diào)器能容納最大節(jié)點(diǎn)個數(shù)可以達(dá)到65535個，每個路由器也能容納255個節(jié)點(diǎn)。這在照明監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用上是其它技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢。通常，我們可以把一個區(qū)域的路燈用一個協(xié)調(diào)器來控制。

在路燈控制系統(tǒng)中，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很少，只需幾分鐘甚至幾十分鐘發(fā)送一次數(shù)據(jù)。每次發(fā)送的數(shù)據(jù)量也很小，所以ZigBee技術(shù)的低速率的特點(diǎn)恰好適合應(yīng)用在這個控制領(lǐng)域中。利用ZigBee技術(shù)低功耗的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。ZigBee工作在2.4G的免費(fèi)頻段上，不會像使用GPRS一樣浪費(fèi)許多無線電的資源。

ZigBee技術(shù)是一種自組織網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以隨意變動，而且ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有自愈功能，網(wǎng)絡(luò)不會因?yàn)橐粋€或幾個節(jié)點(diǎn)壞掉而癱瘓；也不會因?yàn)樵黾右粋€或幾個節(jié)點(diǎn)而影響整個網(wǎng)絡(luò)的工作。ZigBee技術(shù)可以多跳路由，與普通的多跳不同，自組織網(wǎng)絡(luò)的多跳路由是一塊普通的節(jié)點(diǎn)來完成的。這些優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用在道路照明監(jiān)控系統(tǒng)中是十分有利的，因?yàn)榈缆返沫h(huán)境比較復(fù)雜。假如兩盞路燈之間遇到大的障礙物時，我們可以通過增加冗余節(jié)點(diǎn)的方式來改變網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而繞過障礙物使整個網(wǎng)絡(luò)暢通。

利用ZigBee技術(shù)可以節(jié)省監(jiān)控系統(tǒng)的成本，因?yàn)閆igBee技術(shù)比GPRS等技術(shù)成本要低很多，而且可以在監(jiān)控中心控制路燈的開關(guān)，更加靈活的操作。

2基于Zigbee技術(shù)的城市道路照明監(jiān)控系統(tǒng)的方案設(shè)計

城市道路LED路燈照明監(jiān)控系統(tǒng)的方案設(shè)計包括軟件和硬件兩部分。整個系統(tǒng)方案如圖1所示。

硬件部分是以Zigbee模塊為核心，包括LED驅(qū)動電路、LED路燈狀態(tài)檢測及功率控制電路，以及直流穩(wěn)壓電源電路等數(shù)個硬件電路模塊。本項(xiàng)目中采用成都無線龍公司生產(chǎn)的ZigBee模塊———C51RF-Lbee-SMA，該模塊以TI（德州儀器）生產(chǎn)的ZigBee芯片CC2430為核心，由無線SOC、功率放大器（PA）和低噪聲放大器（LNA）組成；LED驅(qū)動電路是一個恒流驅(qū)動電路；檢測電路通過檢測LED驅(qū)動電路產(chǎn)生的電流檢測信號，由軟件來判斷LED路燈工作狀態(tài)的好壞；功率控制電路通過控制輸出給LED驅(qū)動電路的控制信號，控制LED路燈的工作功率；直流穩(wěn)壓電源電路提供Zigbee模塊及其他電路模塊正常工作所需要的5V和3.3V直流供電。

對于單盞路燈的監(jiān)控系統(tǒng)的方案如圖2所示。

圖1系統(tǒng)方案圖

圖2單盞路燈監(jiān)控系統(tǒng)方案

軟件部分包括應(yīng)用ZigBee技術(shù)對道路照明系統(tǒng)的監(jiān)控部分的程序，包括ZigBee協(xié)議棧物理層，網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層的程序。ZigBee協(xié)議棧應(yīng)用層部分的程序由LED路燈工作功率控制和LED路燈狀態(tài)檢測兩部分程序組成，還有保證Zigbee無線通信數(shù)據(jù)收發(fā)的安全可靠性的程序。網(wǎng)絡(luò)層中有協(xié)議棧的路由的設(shè)置，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)置。物理層中的配置程序需要設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的PANID和信道，只有設(shè)置好這些參數(shù)后才能正常通信，并區(qū)分開其它的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。功率控制部分主要是通過Zigbee模塊中的核心芯片CC2430的定時器產(chǎn)生一個方波，在項(xiàng)目中我們設(shè)定的是固定頻率的方波（頻率為2KHz），通過改變占空比的方式來改變LED驅(qū)動電路中的電流大小。檢測路燈好壞是通過Zigbee模塊的CC2430的AD口讀取口上電平的值，高電平代表路燈異常，并及時地在電腦界面上顯示出來。具體的程序設(shè)計這里由于篇幅所限不再一一列出。

ZigBee協(xié)議棧由物理層（PHY）、媒體接入控制層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層（APL）組成。協(xié)議棧的每層為上層提供服務(wù)接口，使上層可以方便的調(diào)用下層的函數(shù)。關(guān)于ZigBee協(xié)議棧的構(gòu)成及協(xié)議棧各層的的相關(guān)內(nèi)容，以及使用的開發(fā)工具包括IAR、物理地址修改軟件、數(shù)據(jù)分析儀等由于篇幅所限就不再贅述。

三、系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)測試以及對整個道路LED路燈照明監(jiān)控系統(tǒng)的測試。

Zigbee網(wǎng)絡(luò)測試主要測試網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)能力、組網(wǎng)時間、網(wǎng)絡(luò)容量、網(wǎng)絡(luò)深度（跳數(shù)）及網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。在本項(xiàng)目中重點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò)容量、網(wǎng)絡(luò)深度（跳數(shù)）以及網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行了測試。這里由于篇幅所限不再詳述。

道路照明監(jiān)控系統(tǒng)的總體測試主要是測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能和整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，包括對LED路燈工作狀態(tài)能否正常自動檢測，對LED路燈的功率控制是否安全有效，以及ZigBee整體網(wǎng)絡(luò)工作的穩(wěn)定性等。

整個系統(tǒng)的測試在某園區(qū)完成，把園區(qū)道路上的10盞LED路燈安裝上路燈監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控中心設(shè)在室內(nèi)，通過操作界面對路燈進(jìn)行控制。每盞LED路燈之間的間隔大約是30m。

控制時，只要在監(jiān)控中心的操作界面上設(shè)定控制的時間，路燈就能夠完成功率的自動控制，并且及時反饋路燈的工作狀態(tài)等信息。路燈的默認(rèn)狀態(tài)是全功率狀態(tài)，功率控制分為5個檔位，可以根據(jù)不同的時間段來選擇。如果有路燈不能正常工作，系統(tǒng)界面上會彈出提示警示。

綜合上述，本文設(shè)計的城市道路LED路燈照明監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用Zigbee技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對城市道路LED燈照明系統(tǒng)的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了對LED路燈工作狀態(tài)的自動檢測和功率控制，能夠很好地實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目所要求的功能，是一種能較好地解決城市LED路燈照明系統(tǒng)的監(jiān)控和節(jié)能問題的方案。