基于Zigbee的校園路燈控制系統(tǒng)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)校園路燈夜間運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，采用了基于Zigbee技術(shù)的組網(wǎng)方案及網(wǎng)絡(luò)機(jī)構(gòu)，對(duì)于故障路燈進(jìn)行報(bào)警以保證校園夜間正常照明，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了全半夜燈的照明方式達(dá)到節(jié)能和延長(zhǎng)路燈使用壽命的要求。

關(guān)鍵詞：Zigbee；CC2430；路燈故障；節(jié)能

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007—9599 （2012） 14—0000—02

一、引言

隨著我國(guó)高校的快速發(fā)展，教學(xué)校區(qū)的分布越來(lái)越廣，對(duì)于其相配套的照明控制系統(tǒng)的要求也逐漸提升，要求其向著智能化和高效節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展并使獲取照明設(shè)備的信息方式達(dá)到遠(yuǎn)程化。采用先進(jìn)技術(shù)節(jié)約能源以及提高路燈自動(dòng)化控制與管理水平，已成為校園照明系統(tǒng)建設(shè)的當(dāng)務(wù)之急。目前，路燈的控制技術(shù)既無(wú)法做到隨時(shí)調(diào)整開(kāi)關(guān)燈的時(shí)間，也不能做到及時(shí)反映路燈的運(yùn)行狀態(tài)，而且路燈地域上分布廣泛，控制范圍越來(lái)越大導(dǎo)致發(fā)生故障機(jī)率很高，維修十分困難被動(dòng)。對(duì)于路燈運(yùn)行時(shí)的故障只有在巡查人員夜晚到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)才能發(fā)現(xiàn)，或者被動(dòng)等待學(xué)生和老師反映，難以做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并維修。

而在此提出的Zigbee技術(shù)為路燈控制系統(tǒng)的自動(dòng)化管理發(fā)展方向提供了較適合的解決方案，它有著時(shí)延短，成本低，網(wǎng)絡(luò)容量大，低功耗，可靠通信等特點(diǎn)。照明自動(dòng)監(jiān)控與管理系統(tǒng)能夠靈活開(kāi)關(guān)燈，隨時(shí)了解運(yùn)行參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，同時(shí)還能通過(guò)主干路段全夜燈、部分路段半夜的照明方式燈降低能耗，提高設(shè)備使用壽命，節(jié)約電能。

二、zigbee技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低耗功、低傳輸速率、低成本的雙向無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)。它的標(biāo)準(zhǔn)是基于IEEE802.15.4的物理層，MAC層及數(shù)據(jù)鏈路層，并在短距離范圍內(nèi)的各種傳感器間實(shí)行數(shù)據(jù)傳送和通信功能。其中Zigbee的2.4GHz波段在使用時(shí)無(wú)需任何申請(qǐng)，這樣便減少了生產(chǎn)的成本并大大推廣了設(shè)備的使用。Zigbee設(shè)備都有一個(gè)64bit的IEEE地址，在子網(wǎng)內(nèi)部可以分配一個(gè)16bit的地址來(lái)減少數(shù)據(jù)報(bào)的大小。它們之間都采用自組織網(wǎng)絡(luò)通信方式，只要它們?cè)谙嗷サ木W(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)便能自動(dòng)找到對(duì)方并建立網(wǎng)絡(luò)連接，很快就可以形成一個(gè)互聯(lián)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，它們還會(huì)根據(jù)各節(jié)點(diǎn)位置的變化而重新與新的附近節(jié)點(diǎn)建立網(wǎng)絡(luò)通信。

在zigbee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分為FFD（全功能設(shè)備）和RFD（簡(jiǎn)化功能設(shè)備）兩種。FFD可以作為協(xié)調(diào)器和路由器使用，可以和FFD和RFD設(shè)備之間進(jìn)行通訊；主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建和維護(hù)以及路由。RFD設(shè)備一般為終端節(jié)點(diǎn)，互相之間不能通訊，完成信息的發(fā)送和接收。

Zigbee網(wǎng)絡(luò)支持星型網(wǎng)絡(luò)、樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)三種拓?fù)洹?/p>

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

（一）傳統(tǒng)路燈控制方式

目前常見(jiàn)的路燈控制方式有時(shí)控方式，人工控制，電力載波，蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù)，2G網(wǎng)絡(luò)控制等。時(shí)間控制方式是把時(shí)間當(dāng)作開(kāi)關(guān)燈的依據(jù)，到了規(guī)定時(shí)間則開(kāi)啟或關(guān)閉路燈。人工控制是工作人員根據(jù)時(shí)間手動(dòng)掌握路燈的開(kāi)關(guān)。2G網(wǎng)絡(luò)控制則通過(guò)手機(jī)發(fā)送短信來(lái)控制路燈的開(kāi)關(guān)，雖然方便但是費(fèi)用較高。電力載波則容易受到周?chē)邏弘娋€強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾。這些傳統(tǒng)的路燈控制方式都有自身存在的缺點(diǎn)，它們都不具備智能化和高度自動(dòng)化的特點(diǎn)，無(wú)法做到記錄運(yùn)行操作結(jié)果，達(dá)不到校園現(xiàn)代化的量化管理要求。

（二）智能系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

較傳統(tǒng)的控制方式而言，基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的路燈控制技術(shù)則很好的解決了以上問(wèn)題。在路燈開(kāi)關(guān)上不再單純地以時(shí)間和人工控制為依據(jù)，在智能系統(tǒng)中采用高靈敏度的亮度傳感器，通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)地采集環(huán)境光強(qiáng)判斷是否達(dá)到開(kāi)關(guān)燈標(biāo)準(zhǔn)從而擺脫人工干預(yù)。由于Zigbee使用了直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，故使得網(wǎng)絡(luò)具有安全可靠性，保證了信號(hào)在傳輸過(guò)程中免受其他信號(hào)干擾。此外，在芯片選用方面使用了TI公司的CC2430芯片，該芯片使用安裝方便，低功耗，延時(shí)短，協(xié)議棧清晰簡(jiǎn)明。從以上優(yōu)勢(shì)可以看出由Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組建的校園路燈控制系統(tǒng)可以利用校園地域的特點(diǎn)選擇合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)且各節(jié)點(diǎn)距離短傳輸范圍小，組網(wǎng)簡(jiǎn)單可靠。只要經(jīng)過(guò)合理設(shè)計(jì)可以讓無(wú)線網(wǎng)絡(luò)頻率在校園范圍內(nèi)抗干擾性增強(qiáng)并能做到無(wú)通信盲區(qū)，便于對(duì)路燈在校園分布區(qū)域進(jìn)行管理。

（三）系統(tǒng)組成及工作原理

本系統(tǒng)中將每條道路劃分為一個(gè)子區(qū)域，用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)校園內(nèi)路燈進(jìn)行多條路有控制。路由節(jié)點(diǎn)由FFD設(shè)備承擔(dān)，路燈上的終端子節(jié)點(diǎn)由RFD設(shè)備承擔(dān)。網(wǎng)絡(luò)的建立和管理由網(wǎng)路協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)。道路上每隔一段距離安裝一個(gè)FFD路由節(jié)點(diǎn)，使它們相互聯(lián)接形成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的中繼控制器，它可以轉(zhuǎn)發(fā)下一級(jí)路燈節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)信息。同時(shí)，它也是路燈上的無(wú)線收發(fā)微處理器，通過(guò)對(duì)傳感器測(cè)量參數(shù)信息的處理來(lái)控制路燈的開(kāi)關(guān)。最終整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通過(guò)RS232串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，從上位機(jī)監(jiān)控軟件中可以容易地獲取網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息。

路燈照明控制系統(tǒng)硬件組成包括：路燈驅(qū)動(dòng)電路與路燈、無(wú)線收發(fā)與處理器控制單元（集成C51的CC2430芯片）、環(huán)境數(shù)據(jù)采集傳感器（光感和紅外）、校園控制中心路燈監(jiān)控與管理系統(tǒng)。

要想對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的子節(jié)點(diǎn)都做到較好的控制即實(shí)現(xiàn)對(duì)單燈的控制和操作，則在網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)協(xié)調(diào)器會(huì)給每個(gè)終端子節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)16bit的地址，這個(gè)地址在網(wǎng)絡(luò)中是獨(dú)一無(wú)二的。這樣通過(guò)監(jiān)控平臺(tái)就可以尋址到任何節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，也能由路由自動(dòng)完成廣播信息的轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)達(dá)到控制網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)的目的。

智能校園的路燈監(jiān)控系統(tǒng)采用基于時(shí)間的控制方案為主，Zigebee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以根據(jù)不同的環(huán)境，例如：陰雨、雷雨天氣啟動(dòng)照明系統(tǒng)。本系統(tǒng)的其中一大特點(diǎn)是具有路燈故障自動(dòng)報(bào)修功能，因此Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)上都集成了亮度傳感器。在未開(kāi)啟路燈之前，主節(jié)點(diǎn)上的亮度傳感器監(jiān)測(cè)環(huán)境光線值，當(dāng)環(huán)境亮度低于設(shè)定值時(shí)將信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器，若在時(shí)間允許范圍內(nèi)則開(kāi)啟照明系統(tǒng)；當(dāng)路燈照明系統(tǒng)啟動(dòng)后。則每個(gè)主節(jié)點(diǎn)及子節(jié)點(diǎn)上的亮度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燈泡的亮度情況。若某一節(jié)點(diǎn)亮度傳感器測(cè)量返回的數(shù)值與其它傳感器數(shù)值相差較大（或者與正常情況下亮度數(shù)值相差較大），則系統(tǒng)監(jiān)控軟件進(jìn)行故障報(bào)警，并將此節(jié)點(diǎn)記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中，待第二天工作人員巡查時(shí)按系統(tǒng)指示的錯(cuò)誤亮度數(shù)值傳感器所在的路燈進(jìn)行維修或更換，使發(fā)生故障的路燈及時(shí)得到修理。

本系統(tǒng)的另外一個(gè)特點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)主干道路全夜燈，部分路段半夜燈的照明方式來(lái)降低能耗提高路燈的使用壽命。在時(shí)控的基礎(chǔ)上（比如晚上11點(diǎn)以后），讓部分路段路燈子節(jié)點(diǎn)上集成的紅外傳感器開(kāi)始工作。當(dāng)無(wú)人經(jīng)過(guò)的時(shí)候?qū)嵭邪胍篃粽彰?，有人?jīng)過(guò)的時(shí)候則點(diǎn)亮相應(yīng)的路燈即可。

四、系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)

（一）硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)以CC2430為主要的硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

芯片內(nèi)集成了存儲(chǔ)器，1個(gè)8位CPU（8051微處理器），常用的片內(nèi)外設(shè)及豐富的I/O口資源和無(wú)線收發(fā)器。具有優(yōu)良的靈敏度和強(qiáng)抗干擾能力。采用了0.8μm CMOS工藝生產(chǎn)，使處于休眠狀態(tài)時(shí)的功耗極低且從休眠轉(zhuǎn)到正常模式時(shí)間微少。對(duì)于需要長(zhǎng)期電池供電的環(huán)境十分適合。芯片自帶的微控制器使得硬件設(shè)計(jì)中減少了一個(gè)模塊，把系統(tǒng)的組件成本降到最低。

（二）軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)需要讓系統(tǒng)執(zhí)行開(kāi)關(guān)的命令時(shí)，處于時(shí)刻監(jiān)聽(tīng)信號(hào)狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器會(huì)檢測(cè)到相應(yīng)的命令并發(fā)送到FFD節(jié)點(diǎn)，由FFD節(jié)點(diǎn)執(zhí)行命令并決定是否分組轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)當(dāng)有新的節(jié)點(diǎn)要加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)則為它分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址。

FFD節(jié)點(diǎn)也通常處于監(jiān)控狀態(tài)，它需要根據(jù)RFD節(jié)點(diǎn)上的亮度傳感器的數(shù)值判斷是否開(kāi)關(guān)路燈。

路燈照明系統(tǒng)開(kāi)啟后RFD節(jié)點(diǎn)的功能除了監(jiān)聽(tīng)還需上報(bào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的光強(qiáng)數(shù)據(jù)，部分路段路燈根據(jù)紅外感應(yīng)結(jié)果執(zhí)行命令。

五、結(jié)論

通過(guò)對(duì)基于Zigbee技術(shù)的校園路燈控制系統(tǒng)的研究，結(jié)合路燈分布的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出的具有故障報(bào)錯(cuò)和節(jié)能的監(jiān)控方案。在方便安裝的同時(shí)有效地解決了路燈控制的靈活性、經(jīng)濟(jì)性，充分利用Zigbee抗干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)穩(wěn)定，低速率低功耗和自配置的特點(diǎn)降低系統(tǒng)檢修的復(fù)雜性。最終使得管理智能化信息化，提高了校園資源管理的效率。

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