基于ZigBee的路燈智能控制系統(tǒng)設(shè)計

張 虎

（北京億來置業(yè)有限公司，北京101400）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市路燈建設(shè)的速度和規(guī)模也相應(yīng)增加，路燈正常照明所消耗的電能在整個交通系統(tǒng)中占據(jù)重要的比重，據(jù)某月相關(guān)資料統(tǒng)計，我國路燈耗電高達(dá)135億kW·h［1］。為更好地適應(yīng)公路建設(shè)需求，交通部門確定了以“智能交通”為核心的建設(shè)項目，而對于路燈的控制，一方面要求更加靈活，便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，另一方面也需要考慮在滿足照明需求的前提下盡可能地節(jié)省電能。在這個基礎(chǔ)上，本文確定了以ZigBee為核心的路燈智能控制方案，路燈節(jié)點(diǎn)利用組網(wǎng)簡單、性價比高的無線單片機(jī)，利用無線單片機(jī)控制路燈的開關(guān)，通過中心節(jié)點(diǎn)的連接，使用GPRS通信將路燈與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心相聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)路燈的遠(yuǎn)程、智能化監(jiān)控。

1 路燈智能控制方案

1．1 ZigBee協(xié)議棧框架

協(xié)議棧是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換所遵循的規(guī)則結(jié)合，例如兩個系統(tǒng)交互時，一個系統(tǒng)的應(yīng)用層與另一個系統(tǒng)的應(yīng)用層之間信息交互要通過各層協(xié)議來實(shí)現(xiàn)。ZigBee協(xié)議棧主要包括物理層（PHY）、介質(zhì)訪問控制層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層（APL）及安全服務(wù)提供層5部分。其中，PHY和MAC的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)參考國際電聯(lián)的IEEE802．15．4，剩余各層的協(xié)議規(guī)范由ZigBee聯(lián)盟給出。

1．2 ZigBee路燈設(shè)計的一般原則

對于ZigBee路燈設(shè)計，一般遵循以下幾個原則：（1）路燈控制節(jié)點(diǎn)應(yīng)該具有體積小、安裝方便等特點(diǎn)。（2）路燈節(jié)點(diǎn)的硬件部件應(yīng)便于擴(kuò)展和日后維護(hù)。（3）路燈節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有一定的穩(wěn)定性和可靠性。主要表現(xiàn)為，硬件方面有較高的適應(yīng)環(huán)境能力，保證在高溫、潮濕等環(huán)境下可靠運(yùn)行，在軟件方面可操作性和移植性好。（4）設(shè)計的系統(tǒng)具有可觀的性價比。

1．3 ZigBee智能路燈控制方案

對于ZigBee智能路燈的控制，在遵循基本設(shè)計原則的前提下，確定了以微處理器為核心的節(jié)點(diǎn)收發(fā)控制方案，如圖1所示。

圖1 ZigBee智能路燈控制方案

路燈1、2、…、n通過各自的微處理器控制，利用微處理器所連接的無線模塊，通過ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)微處理器與中心節(jié)點(diǎn)的信息交互，即實(shí)現(xiàn)路燈節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)的交互，中心節(jié)點(diǎn)把所收集到的路況信息，由GPRS通信傳給遠(yuǎn)程中心，遠(yuǎn)程中心根據(jù)控制算法發(fā)出控制指令，由GPRS傳給中心節(jié)點(diǎn)，再通過ZigBee協(xié)議將控制命令傳給對應(yīng)路況的路燈節(jié)點(diǎn)。其關(guān)鍵的技術(shù)表現(xiàn)為：（1）傳感器對路況信息的采集與判斷。利用光強(qiáng)傳感器，對路況光照強(qiáng)度進(jìn)行采集，經(jīng)放大、濾波，信號在路況中心節(jié)點(diǎn)的微處理器上進(jìn)行分析，如果光照強(qiáng)度小于給定，那么中心節(jié)點(diǎn)一方面通過GPRS與遠(yuǎn)程計算機(jī)交互，發(fā)出待“開燈”指令，另一方面通過ZigBee控制中心節(jié)點(diǎn)所對應(yīng)的幾個路燈做出相應(yīng)的動作。（2）路燈的節(jié)能管理與控制。利用振動傳感器，采集路上行人、車輛的信息，按上述控制機(jī)理，在采集的振動信息高于最低人行振動時，路燈開啟，否則，路燈自動關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)路燈的節(jié)能控制［2］。（3）網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)由局部路段中心節(jié)點(diǎn)和對應(yīng)路段路燈節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，GPRS網(wǎng)絡(luò)由各中心節(jié)點(diǎn)與遠(yuǎn)程控制計算機(jī)組網(wǎng)。

2 ZigBee路燈節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計

ZigBee路燈節(jié)點(diǎn)的組成如圖2所示，微處理器是路燈節(jié)點(diǎn)的主要組成部分，其功能包括采集路況信息、電壓電流信息，接收來自控制中心的指令，發(fā)送路況與監(jiān)測數(shù)據(jù)等。傳感器模塊主要完成路面振動、光強(qiáng)等信息的采集，經(jīng)運(yùn)算放大器、濾波、A／D轉(zhuǎn)換傳給微處理器；ZigBee模塊主要是實(shí)現(xiàn)路燈節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)的信息交互，便于實(shí)現(xiàn)采集信息和待執(zhí)行指令之間的信息交互；路燈控制模塊主要控制路燈的照射亮度、開關(guān)等，可根據(jù)路面振動、光照等，結(jié)合采集的電壓、電流，對路燈光照亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖2 路燈節(jié)點(diǎn)的組成

3 ZigBee路燈節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計

3．1 ZigBee路燈節(jié)點(diǎn)的協(xié)議棧軟件構(gòu)建

根據(jù)相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)，ITU與ZigBee聯(lián)盟規(guī)定的ZigBee協(xié)議棧，其操作和信號傳輸需要在一個協(xié)議規(guī)則的幫助下，使用IEEE802．15．4。對于協(xié)議規(guī)定的ZigBee通信，一般采用原語來實(shí)現(xiàn)，ITU和ZigBee聯(lián)盟相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)定義了多種原語規(guī)則，要想真正實(shí)現(xiàn)原語的相互交互，完成數(shù)據(jù)信息的通信，在很大程度上還需要借助于軟件編譯，即通過軟件算法，將原語和控制算法、數(shù)據(jù)信息相匹配，完成通信規(guī)則［3］。

在ZigBee協(xié)議棧軟件中加入基于輪轉(zhuǎn)查詢式的應(yīng)答模式，例如路燈節(jié)點(diǎn)需求“打開”，這樣就會通過應(yīng)答，將該路燈節(jié)點(diǎn)加入無線網(wǎng)絡(luò)，與協(xié)調(diào)器進(jìn)行交互，完成數(shù)據(jù)通信。應(yīng)答方式的操作主要是基于多種事物共同作用的結(jié)果，對于一個無線節(jié)點(diǎn)的加入，往往需要探尋多個目標(biāo)，完成信息的收發(fā)，而為了方便，可使所有的探尋過程在同一個程序目錄下實(shí)現(xiàn)，然后根據(jù)路燈的實(shí)際位置和路燈控制的具體要求來調(diào)用某個路燈對應(yīng)的事件處理函數(shù)，進(jìn)入該任務(wù)的事件處理函數(shù)之后，再根據(jù)路燈信號來判別是該任務(wù)的哪一種事件發(fā)生，進(jìn)而執(zhí)行相應(yīng)的事件處理。

3．2 路燈的軟件控制

在中心節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，首先初始化微處理器，然后程序開始初始化協(xié)議棧和開中斷，并在此基礎(chǔ)上建立一個新的網(wǎng)絡(luò)。如果只需要一段路燈亮，可以修改地址，只讓靠近網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器一段的路燈亮。也就是第幾個路由器，就以該路由器的物理地址發(fā)送開關(guān)命令，這樣路燈就只會從網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器亮到該路由器，此路由器后面的路燈就不會亮了。

4 結(jié)語

利用ZigBee和GPRS相結(jié)合的手段實(shí)現(xiàn)路燈的智能化控制是路燈照明發(fā)展的重要方向之一，隨著無線技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，與有線傳輸相比，其通信質(zhì)量、通信效率都得到較大的提升。本文針對路燈的智能控制，分析并確定了路燈控制的基本方案：利用微處理器所連接的無線模塊，通過ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)微處理器與中心節(jié)點(diǎn)的信息交互，中心節(jié)點(diǎn)把所收集到的路況信息，由GPRS通信傳給遠(yuǎn)程中心，遠(yuǎn)程中心根據(jù)控制算法發(fā)出控制指令，由GPRS傳給中心節(jié)點(diǎn)，再通過ZigBee協(xié)議將控制命令傳給對應(yīng)路況的路燈節(jié)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)路燈的遠(yuǎn)程、智能控制。

［1］Akyildiz I F，Su W．Wireless Sensor Networks：A Survey［J］．Computer Networks，2002（4）

［2］張偉，王宏剛，程培溫．基于GPRS的智能路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究［J］．計算機(jī)測量與控制，2010（9）

［3］網(wǎng)蜂團(tuán)隊．ZigBee實(shí)戰(zhàn)演練［Z］