基于ZigBee的校園路燈智能照明系統(tǒng)設(shè)計

王寧 陳磊

摘要：隨著無線技術(shù)、數(shù)字通信和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化逐漸出現(xiàn)在人們生活中，ZigBee技術(shù)便是數(shù)字通信和計算機(jī)技術(shù)中的一種。本文主要針對ZigBee校園路燈智能化照明系統(tǒng)進(jìn)行分析設(shè)計，有針對性地對各個功能模塊內(nèi)部元器件進(jìn)行選擇，制定了詳細(xì)的設(shè)計流程，組成了智能化照明系統(tǒng)，經(jīng)過分析探討，校園智能化照明系統(tǒng)的設(shè)計具有很大的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：ZigBee 校園 照明系統(tǒng)

中圖分類號：TM923.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）07-0147-02

校園道路照明是保證行人和車輛安全的主要措施，只有設(shè)置主體化照明系統(tǒng)，才能給學(xué)生提供很好的校園環(huán)境，減少不安全事故發(fā)生。從當(dāng)前校園路燈照明系統(tǒng)的狀況來看，由于系統(tǒng)設(shè)計方式落后，存在嚴(yán)重的電能消耗，無法實現(xiàn)節(jié)約型校園建設(shè)需求。本文主要利用ZigBee技術(shù)對校園路燈照明系統(tǒng)進(jìn)行分析，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)，并以LED燈進(jìn)行分析設(shè)計，構(gòu)建滿足校園路燈照明需求的智能化照明系統(tǒng)。

1 概述

1.1 ZigBee技術(shù)分析

ZigBee技術(shù)是根據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中具有低功耗、低成本、短距離、低數(shù)據(jù)傳輸率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以實現(xiàn)短距離內(nèi)傳輸速率要求不高的電子設(shè)備以及各種微小電氣之間的通信。ZigBee技術(shù)主要利用IEEE802.15.4中的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的物理層及MAC層協(xié)議。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，ZigBee技術(shù)聯(lián)盟為不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備提供了解決反饋，解決了設(shè)備兼容問題。ZigBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)層標(biāo)準(zhǔn)由ZigBee技術(shù)聯(lián)盟制定，用戶可以根據(jù)自己的實際需求，對其進(jìn)行開發(fā)利用。

1.2 傳統(tǒng)路燈控制方式

人工控制、時控、電力載波、GSM短消息控制、蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù)等是傳統(tǒng)路燈控制的主要方式。人工控制方式由人員根據(jù)開關(guān)燈時間控制路燈，時控方式也是以開關(guān)燈時間為依據(jù)實現(xiàn)操作，電力載波受電磁波影響較大，GSM短消息必須利用手機(jī)操作，費(fèi)用較高。上述幾種方式都不能集中對操作結(jié)果進(jìn)行監(jiān)視、記錄和統(tǒng)計，不能滿足城市化發(fā)展需求。在路燈控制方面，ZigBee技術(shù)可以結(jié)合傳感器原理及時解決傳統(tǒng)控制中存在的以下問題：首先，利用特殊亮度傳感器增強(qiáng)了照明效果，減少了人為干預(yù)；其次，利用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，保證了傳輸信號的質(zhì)量，減少了其他信號干擾；最后，CC2430芯片延時短、功耗低，操作框架簡單，便于安裝。

2 校園照明路燈系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)照明控制系統(tǒng)總體設(shè)計

在能源急劇消耗的影響下，實施節(jié)能照明已經(jīng)成為全球關(guān)注的主要問題，可以從兩方面實現(xiàn)節(jié)能。一方面，選用高校的節(jié)能照明裝置，如燈具、光源。另一方面，控制智能感應(yīng)，需要照明時開啟，不需要時關(guān)閉，減少開關(guān)燈時間，可以利用照明系統(tǒng)控制實現(xiàn)，即ZigBee技術(shù)。校園路燈照明系統(tǒng)主要由路燈、終端節(jié)點、上位機(jī)和匯聚節(jié)點等部分組成。終端節(jié)點可以在校園中實施控制，根據(jù)校園環(huán)境的變化，及時對各項參數(shù)進(jìn)行收集整理，然后利用終端節(jié)點的自組網(wǎng)方式形成網(wǎng)絡(luò)，并利用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)各個節(jié)點信息匯集；可以利用RS232串口實現(xiàn)匯集節(jié)點和上位機(jī)連接，并將收集的參數(shù)保存在數(shù)據(jù)庫中，保證數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，系統(tǒng)可以采用預(yù)設(shè)控制算法進(jìn)展，采用終端節(jié)點實現(xiàn)路燈開啟關(guān)閉控制，完成照明操作。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

（1）終端及匯集節(jié)點硬件設(shè)計。電源模塊、傳感器模塊、微處理器模塊和射頻模塊等是組成終端節(jié)點的重要組成部分，不同采集環(huán)境參數(shù)，設(shè)計的傳感器模塊也會發(fā)生變化。與終端節(jié)點相比，匯集節(jié)點不能實現(xiàn)參數(shù)采集，所以缺少傳感器模塊。終端節(jié)點的硬件框架圖如圖1所示。

（2）選擇終端節(jié)點和各模塊器件。終端節(jié)點是組成校園路燈照明系統(tǒng)的基礎(chǔ)單元，可以實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)采集、數(shù)據(jù)處理和發(fā)送等功能。由于校園路燈環(huán)境較大，信息采集相對較復(fù)雜，具有數(shù)據(jù)采集量大、范圍廣等特點。所以必須終端節(jié)點設(shè)備必須具有價格低廉、功耗低、適應(yīng)性強(qiáng)和體積小等特點，根據(jù)校園智能照明系統(tǒng)需求，可以將終端節(jié)點模塊控制如下：

第一，微處理器模塊。將ATmeg128單片機(jī)作為核心部件，選用先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，同時具有128K程序儲存器，可以和SPI總線的編輯接口連接，8個10位ZIGBEE DC通道和和雙可變串行操作模式。此種單片機(jī)必須滿足結(jié)構(gòu)簡單、體積小等特點，還可以根據(jù)軟件的合計需求，針對性選擇節(jié)能模式，實現(xiàn)各個節(jié)點節(jié)能降耗需求。第二，射頻模塊。將TI公司生產(chǎn)的CC2530作為射頻模塊。此芯片具有材料耗費(fèi)低、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點強(qiáng)大等特點，可以結(jié)合RF收發(fā)器優(yōu)勢，還具有增強(qiáng)型8051CPU，系統(tǒng)可編程閃存，只需要少量內(nèi)部配件就可以實現(xiàn)信號收發(fā)，在一定程度上降低了系統(tǒng)功耗，節(jié)省了電力能源。第三，傳感器模塊。傳感器模塊的主要目的是對周邊光線強(qiáng)度、溫度、濕度等狀況進(jìn)行采集，收集環(huán)境變化信息。給系統(tǒng)提供支持。所以溫度傳感器的選擇必須具有體積小、構(gòu)建耗費(fèi)低、抗干擾能力強(qiáng)等作用可以選擇DS18B20，光線強(qiáng)度使用GL4516和RE200熱釋電紅外傳感器操作。第四，電源模塊。利用固定電源完成電池供電操作，保證節(jié)點持續(xù)工作，安全有效運(yùn)行。

2.3 匯集節(jié)點軟件設(shè)計

匯集節(jié)點的主要任務(wù)是負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)建立，同時及時對無線網(wǎng)問題進(jìn)行維護(hù)，保證建成網(wǎng)絡(luò)之后，可以允許終端節(jié)點加入，同時給網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地質(zhì)，完成終端節(jié)點傳送的數(shù)據(jù)，處理完成后，將其發(fā)送給上位機(jī)。

3 設(shè)計LED燈驅(qū)動電源

將LED電路驅(qū)動選擇為HV9910B，輸出頻率控制在幾瓦到幾十瓦之間。HV9910B屬于可優(yōu)化降壓驅(qū)動器，可以利用恒定電源模式或關(guān)斷電流量中方法操作。由于HV9910B有兩個采樣閾值電壓，主要是內(nèi)部250mV和LD引腳外部電壓。進(jìn)行實際工作時，閾值選取電壓中較低的，同時利用電阻對電流狀況進(jìn)行檢查，提高效率。本次將LED等按照20串2并連接，每串電流控制在350mA。電壓控制在50到70Vs取值80kHz。驅(qū)動原理圖如下圖2所示。

4 LED燈操作系統(tǒng)整體運(yùn)行程序

系統(tǒng)內(nèi)部選取TI的CC2530作為ZigBee無線通信模塊，同時選擇增強(qiáng)型8051CPU、系統(tǒng)終端和路由控制盞燈，保證每個燈對應(yīng)一個ID。終端和路由驅(qū)動芯片控制PWM-D引腳，實現(xiàn)LED等控制。關(guān)閉LED燈后，節(jié)點處于完全休眠狀態(tài)，一旦開啟，節(jié)點將從休眠狀態(tài)喚醒，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控和數(shù)據(jù)無線傳輸工作。數(shù)據(jù)監(jiān)控主要對LED等溫度、電流及電壓等情況進(jìn)行控制，一旦超過臨界值，將采取保護(hù)措施對其進(jìn)行保護(hù)。為了符合國家節(jié)能要求，還可以在ZigBee協(xié)調(diào)器加上可以對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)的傳感器，尤其在雷雨天氣，保證可以對所有節(jié)點的路燈進(jìn)行控制。

5 進(jìn)行系統(tǒng)功能測試

進(jìn)行實驗構(gòu)造時，可以配置網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，由路由節(jié)點和終端節(jié)點對 LED燈進(jìn)行控制，協(xié)調(diào)器借助串口和上位機(jī)連接。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，ZigBee可以對通信80米進(jìn)行控制；上位機(jī)可以利用監(jiān)控界面控制LED燈開關(guān)，還可以表示出LED燈的亮滅、溫度和狀態(tài)；經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)運(yùn)行正常，符合要求。

6 結(jié)語

為了保證校園照明的有效實施，本文基于ZigBee設(shè)計了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)校園系統(tǒng)方案，具有低成本、低能耗和適應(yīng)性強(qiáng)等特點，完善了終端節(jié)點設(shè)計，同時詳細(xì)介紹了匯聚節(jié)點軟件流程。最后以LED燈源進(jìn)行了詳細(xì)介紹，希望本文的分析可以給相關(guān)人員提供參考。

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