基于ZigBee的LED智能節(jié)能路燈控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

姚樹香

（廈門大學(xué)，福建廈門 361005）

基于ZigBee的LED智能節(jié)能路燈控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

姚樹香

（廈門大學(xué)，福建廈門 361005）

隨著中國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不斷提高，人們越來越重視城市的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，路燈照明系統(tǒng)是新興城市建設(shè)中的關(guān)鍵設(shè)施之一，它直接關(guān)系到市民的日常生活.ZigBee技術(shù)是新信息時代的衍生物，因其能耗低、可靠性好、網(wǎng)絡(luò)容量大的優(yōu)勢備受社會各界的歡迎.本文主要從ZigBee技術(shù)優(yōu)點(diǎn)與軟硬件選擇上對智能節(jié)能路燈控制系統(tǒng)方案展開討論，主要探討ZigBee技術(shù)與LED燈給路燈節(jié)能技術(shù)帶來的革命性變化.

ZigBee技術(shù)；智能節(jié)能；可靠性

引言

ZigBee技術(shù)作為一項(xiàng)新興技術(shù)，應(yīng)用在傳統(tǒng)的行業(yè)中能夠產(chǎn)生巨大的影響.ZigBee技術(shù)有許多的優(yōu)點(diǎn)，最主要的就是它的網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積很廣，電能的消耗極低，而且還有非常強(qiáng)的抗干擾能力.LED燈是近幾年迅速發(fā)展起來的最具節(jié)能色彩的固體光源，它的能耗低、體積小，將這兩者結(jié)合起來就為LED路燈控制系統(tǒng)在智能節(jié)能的技術(shù)層面上提供了可靠的技術(shù)依據(jù).

1 智能節(jié)能路燈控制系統(tǒng)的研究意義

智能節(jié)能路燈控制系統(tǒng)可以省去大量的勞動力，一旦出現(xiàn)技術(shù)上的問題并不需要技術(shù)人員一一地進(jìn)行摸排，調(diào)度人員會在第一時間知道路燈究竟壞在了哪里，為電力設(shè)施的搶救工作提供了便利.其次它還具有鮮明的節(jié)能環(huán)保色彩，為和諧家園的建設(shè)提供了良好的基礎(chǔ).

2 智能節(jié)能路燈控制系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)規(guī)劃

2.1 基于ZigBee的LED智能節(jié)能路燈控制系統(tǒng)概述

2.2 整體方案設(shè)計(jì)框架

一個完整的智能節(jié)能路燈控制系統(tǒng)由四個不同的模塊或者是系統(tǒng)組成.它們在功能層面上可劃分為微波模塊、路燈直接的控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)與無線通信系統(tǒng).系統(tǒng)的整體框架圖如圖一所示：

圖一 整體系統(tǒng)的框架

2.3 路燈自動控制的工作原理

基于ZigBee的LED智能節(jié)能路燈控制系統(tǒng)采用的是星型無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它可以實(shí)現(xiàn)對路燈進(jìn)行多條路由控制的功能.此系統(tǒng)內(nèi)的協(xié)調(diào)器作為控制中心的監(jiān)控系統(tǒng)，若干個FFD設(shè)備作為路由的節(jié)點(diǎn)，RFD設(shè)備是此系統(tǒng)的末端節(jié)點(diǎn).此系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器主要是完成建立網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)管理的工作，它控制著整個網(wǎng)絡(luò)電源開關(guān)的狀態(tài)；FFD路由節(jié)點(diǎn)主要安裝在道路的兩側(cè)，多個路由節(jié)點(diǎn)連成串狀結(jié)構(gòu)成為中繼控制器，同時它還是燈桿上的微處理器，控制單個路燈的亮滅；RFD節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)的末端裝置，它會受到上級無線信號的指令控制自己的狀態(tài).這三者的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了路燈的智能化控制.

3 此控制系統(tǒng)所需的技術(shù)功能支持

此系統(tǒng)可以根據(jù)道路上行人與車輛的運(yùn)行情況實(shí)現(xiàn)自身的開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)沒有行人與車的時候路燈處于關(guān)閉的狀態(tài)，一旦檢測到有車輛通過時，系統(tǒng)會自動地打開路燈.路燈的控制設(shè)備之間是依靠無線通信的方式進(jìn)行連接的，智能節(jié)能在功能上主要是利用相鄰路燈之間的信息傳遞來分析是否有車輛與行人通過，實(shí)現(xiàn)了人、車在哪里路燈就亮哪里的功能，使得人與車輛始終都會在照明的范圍之內(nèi).該系統(tǒng)還需要良好的自動修復(fù)、ID設(shè)定的技術(shù)支持，因?yàn)橄到y(tǒng)需要對工作中的每一個模塊進(jìn)行自檢的工作，對于檢測出現(xiàn)異常的信息要及時上報(bào)給管理中心，也就是人們經(jīng)常所說的“路燈自動報(bào)修”.

4 此系統(tǒng)方案的硬件選擇

4.1 硬件元器件的選擇

智能節(jié)能化的路燈控制系統(tǒng)在主控芯片上主要是采用CC2530芯片，它可以輕松地完成無線網(wǎng)絡(luò)間的通信功能，CC2530單片機(jī)中有一個系統(tǒng)可編程的Flash程序存儲器，它在供電模式下具有保持?jǐn)?shù)據(jù)不丟失的能力.CC2530芯片因其高性能的無線收發(fā)器與增強(qiáng)版的8051微處理器內(nèi)核成為了ZigBee技術(shù)開發(fā)應(yīng)用的首要選擇，在無線收集系統(tǒng)中還有一個比較重要的元器件就是SHT11溫濕度傳感器，它可以將當(dāng)?shù)氐臏囟扰c濕度數(shù)據(jù)采集并發(fā)送到中心控制系統(tǒng)，無線控制部分的主要器件是STM32單片機(jī).

傳統(tǒng)的財(cái)務(wù)管理機(jī)制，無法應(yīng)對企業(yè)合并重組后帶來的管理體系變化。因此企業(yè)應(yīng)當(dāng)重新確立財(cái)務(wù)管理制度以提升管理效率。首先，企業(yè)應(yīng)改變財(cái)務(wù)部門的內(nèi)部分工，并依據(jù)工作量與重要程度重新劃分工作崗位。例如，針對銷售部門等特殊性，企業(yè)可要求財(cái)務(wù)部門在銷售中心設(shè)置分支機(jī)構(gòu)，從而使該部門的財(cái)務(wù)管理更為有效。其次，財(cái)務(wù)部門應(yīng)當(dāng)改變傳統(tǒng)的審核機(jī)制與對賬時效。例如，財(cái)務(wù)部門可將每月的20—23日定為對外結(jié)款日。在這一時間，財(cái)務(wù)部門可集中處理供應(yīng)商的財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)，并提供結(jié)款服務(wù)。通過這樣的措施，財(cái)務(wù)部門的管理效率將得到提升，管理成本也將受到控制。

4.2 CC2530芯片的電路原理圖

圖二 CC2530芯片的電路原理圖

CC2530芯片具有21個I/O引腳，擁有兩個不同的外圍晶振頻率，該芯片的布線盡可能地接近了各個引腳，并對周圍進(jìn)行了敷銅處理，極大地減小了晶振高頻信號對其他信號的影響作用，最大限度地減小了對CC2530收發(fā)距離的影響.

4.3 SHT11溫濕度傳感器

SHT11溫濕度傳感器將傳感元件與信號處理電路都集中分配在一個集成板上，可以實(shí)現(xiàn)輸出信號的絕對數(shù)字化，它的傳感器具有良好的穩(wěn)定性與可靠性，它的反應(yīng)速度極快，具有超強(qiáng)的抗干擾能力.

在結(jié)構(gòu)上它具有一個測濕敏感元件和一個測溫元件，在這個芯片上它可以與14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路連接.

4.4 STM32單片機(jī)

STM32單片機(jī)是基于性能高、成本低、消耗低等因素而專門設(shè)計(jì)的ARM內(nèi)核，它可以在電壓極低的情況下正常運(yùn)行，就算它的所有設(shè)備均處于工作狀態(tài)也僅僅消耗36mA的電流；其次就是它所搭載的是8MHZ的RC振蕩器，具有快速退出低消耗模式的特性，進(jìn)一步降低了微控制器整體的功率消耗.

5 此系統(tǒng)方案的軟件選擇

5.1 主要模塊概述

在ZigBee技術(shù)的控制設(shè)備中主要采用兩大類的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，分別是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn).協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可以在設(shè)備運(yùn)行之初進(jìn)行手動的參數(shù)設(shè)置，以此來初始化協(xié)議棧.它在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上還可以連接其他的節(jié)點(diǎn)或者是斷開與它們之間的聯(lián)系，維護(hù)其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；路由節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行搜索網(wǎng)絡(luò)并加入網(wǎng)絡(luò)的具體工作，它會實(shí)時地對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與收取，可以與相鄰的節(jié)點(diǎn)通信實(shí)現(xiàn)路燈提前點(diǎn)亮，它是現(xiàn)代社會智能節(jié)能路燈控制系統(tǒng)不可缺少的一部分.

智能節(jié)能路燈監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想是采用分區(qū)模塊化的軟件，大致分為四個模塊，這四個模塊在功能上劃分為采集模塊、CPU處理模塊、ZigBee協(xié)議模塊以及網(wǎng)絡(luò)通信模塊.

其中采集模塊主要是沿用微波檢測技術(shù)，為了能夠更有效地確定多普勒效應(yīng)，此模塊必須準(zhǔn)確地得到多普勒信號的過零點(diǎn)數(shù)與時間間隔，只有在擁有足夠多的過零點(diǎn)數(shù)時才可以認(rèn)定為是有效信號.在對多普勒電路進(jìn)行調(diào)試的過程中要先焊接好每一個必要的元器件，通過對PW的調(diào)節(jié)使電壓比較器得到一個比較合理的參考電壓.調(diào)試的目的主要是檢查多普勒雷達(dá)是否正在正常的工作；反射回來的信號是否在多普勒頻率公式的測定范圍內(nèi)；經(jīng)過放大后的信號是否滿足I/O接口的電平要求，下圖為雷達(dá)工作時的使能電路.

圖三 雷達(dá)工作時的使能電路

ZigBee協(xié)議模塊主要是檢測CC2530芯片是否在正常工作，最基本的工作就是負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)與信息的收發(fā)處理工作，協(xié)調(diào)器會不斷地采集來自路燈與雷達(dá)之間的指令，在進(jìn)行相應(yīng)的處理后會以不同的字符給終端發(fā)出操作指令.要想使此模塊進(jìn)行工作必須編寫相應(yīng)的測試程序，主要包括定時器中斷程序、外部中斷程序、USART串口以及ADC采樣等測試程序，在對這些模板程序進(jìn)行測試后，就要進(jìn)行基于ZigBee協(xié)議棧的無線數(shù)據(jù)通信測試.下圖為協(xié)調(diào)器的接口電路：

圖四 協(xié)調(diào)器的接口電路

將各個模塊進(jìn)行組合以后就要進(jìn)行下一步的調(diào)試步驟，基于對于路燈的實(shí)用性研究，本系統(tǒng)采用串狀網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).這是一種特殊的網(wǎng)絡(luò)形式，在進(jìn)行配置的時候要使得每個路由都有且只有一個父節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)，這樣做會使相鄰的節(jié)點(diǎn)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上也是相鄰的，由此一來，路燈之間的數(shù)據(jù)傳輸就不需要進(jìn)行繁瑣的轉(zhuǎn)發(fā)階段，極大地提高了無線通信的傳輸效率.

5.2 主機(jī)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

主機(jī)系統(tǒng)軟件根據(jù)智能路燈實(shí)現(xiàn)功能的需要主要劃分為監(jiān)控主程序、日歷時鐘子程序、LED燈顯示子程序等.大致的軟件設(shè)計(jì)流程圖如下：

6 系統(tǒng)的可靠性研究

圖五 主機(jī)軟件控制流程圖

系統(tǒng)的穩(wěn)定性是衡量系統(tǒng)價值的重要指標(biāo)，單片機(jī)系統(tǒng)會受到來自各方面的干擾，外界的干擾會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得不到保障.在整個的路燈控制系統(tǒng)里如果出現(xiàn)干擾的現(xiàn)象極容易造成程序的紊亂，進(jìn)而影響到路燈的智能與節(jié)能化.所以，在以后的路燈智能節(jié)能控制系統(tǒng)中要加強(qiáng)對干擾的控制力度，為整個系統(tǒng)提供一個穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境.

在對系統(tǒng)的硬件進(jìn)行抗干擾的研發(fā)控制中要努力確保供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性.防止出現(xiàn)電壓過大或者欠壓的情況；其次就是在電路中加入濾波器，可以采用隔離從根本上杜絕干擾的產(chǎn)生，因?yàn)橹挥羞@樣初級的干擾才不會進(jìn)入到下一級.STM32單片機(jī)在設(shè)計(jì)時充分考慮到了散熱與電磁干擾方面的問題，最大限度地降低了整個系統(tǒng)的干擾發(fā)生率，顯著地增強(qiáng)了它的抗干擾能力.

結(jié)語：

針對于現(xiàn)代社會路燈管控系統(tǒng)的缺陷，本文提出了基于ZigBee的LED智能節(jié)能路燈控制系統(tǒng)，它具有低成本與低消耗的特點(diǎn)，此系統(tǒng)已經(jīng)得到了業(yè)界的廣泛好評.我們有理由相信，在不久的將來，智能節(jié)能路燈控制系統(tǒng)將會得到進(jìn)一步的開發(fā)與研究，它將以一種節(jié)能、綠色的形象出現(xiàn)在我們的視野中、出現(xiàn)在我們美麗的城市中.

〔1〕徐殿國，張相軍，劉曉勝，等.照明電子技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與未來［J］.電力電子技術(shù)，2010.

〔2〕瞿雷，劉盛德，胡咸斌.ZigBee技術(shù)及應(yīng)用［J］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

〔3〕李文仲，段朝玉，等.ZigBee2006無線網(wǎng)絡(luò)與無線定位實(shí)戰(zhàn)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.1.

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1673-260X（2015）04-0039-03