基于ZigBee的路燈控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄭 潔 秦會(huì)斌

(杭州電子科技大學(xué)新型電子器件與應(yīng)用研究所，浙江杭州 310018)

1 引言

近年來，隨著城市道路照明現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，路燈監(jiān)控系統(tǒng)受到很大關(guān)注。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了大量路燈監(jiān)控系統(tǒng)方案，例如:采用GSM無線公共網(wǎng)短消息、基于PLC、基于組態(tài)王及GPRS通訊、基于Lonworks等［1］。然而這些方案實(shí)施復(fù)雜，費(fèi)用也不低廉，而ZigBee技術(shù)是一種基于IEEE 802.15.4的物理層和媒體訪問層標(biāo)準(zhǔn)，與其他短距離無線協(xié)議相比，具有功耗低、可靠性高、復(fù)雜度低、支持大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和運(yùn)行費(fèi)用較低等顯著優(yōu)點(diǎn)，非常適合在城市路燈系統(tǒng)中應(yīng)用［2～3］。本文提出了一個(gè)基于ZigBee的路燈控制器設(shè)計(jì)方案，可以有效的解決當(dāng)前路燈控制的智能化水平低、電能消耗大以及照明利用率低等問題，有著廣闊的應(yīng)用前景。

2 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信新技術(shù)。主要適用于數(shù)據(jù)吞吐量小、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資小、網(wǎng)絡(luò)安全要求高、耗電低的場(chǎng)合［4］。

從技術(shù)性能來看，ZigBee具有如下特點(diǎn):

可靠:由于其物理層采用了擴(kuò)頻技術(shù)，能夠在一定程度上抵抗干擾。MAC應(yīng)用層 (APS部分)有應(yīng)答重傳功能。MAC層的CSMA機(jī)制使節(jié)點(diǎn)發(fā)送前先監(jiān)聽信道，可以起到避開干擾的作用。

時(shí)延短:針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，一般時(shí)延只有15至30毫秒。

功耗低:低耗電模式下，2節(jié)5號(hào)電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6至24個(gè)月，相比而言藍(lán)牙能工作數(shù)周，Wi-Fi只能工作數(shù)小時(shí)，這是ZigBee的突出優(yōu)勢(shì)。

成本低:協(xié)議簡(jiǎn)單，代碼量少，且不收專利費(fèi)，每個(gè)芯片大概為兩美元。

低速率:工作在20～250 kbps的較低速率，專注于低傳輸應(yīng)用。

距離近:傳輸范圍一般介于10～100 m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1～3 km。

容量大:可支持高達(dá)65000個(gè)節(jié)點(diǎn)。

保密性好:采用64位出廠編號(hào)，支持AES-128加密。

頻段靈活:使用的頻段分別為2.4GHz(全球)、868MHz(歐洲)及915MHz(美國(guó))，而且均為免執(zhí)照頻段［5］。

3 智能路燈系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與簡(jiǎn)介

智能路燈系統(tǒng)由服務(wù)器、客戶端、主控器和路燈控制器組成。客戶端通過以太網(wǎng)連接到服務(wù)器上，主控器通過GPRS與服務(wù)器連接，主控器與路燈控制器之間是通過ZigBee無線網(wǎng)進(jìn)行通訊。主控器上既包含了GPRS模塊，也包含了ZigBee模塊，從而完成數(shù)據(jù)在服務(wù)器與路燈控制器之間的傳輸。

該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制路燈的開關(guān)、調(diào)光，定時(shí)開關(guān)，并監(jiān)測(cè)線路的電壓、電流，超過設(shè)定的閾值會(huì)向用戶報(bào)警。而且可以實(shí)現(xiàn)路燈的奇開偶開，在深夜的時(shí)候，設(shè)定只開啟其中一部分的路燈，能夠減少當(dāng)行人、車輛稀少時(shí)所造成的不必要的電能浪費(fèi)。

路燈控制器ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中的執(zhí)行單元，每個(gè)控制器控制一盞路燈，多個(gè)控制器相互協(xié)調(diào)工作，共同組成一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，是該系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵和難點(diǎn)。路燈控制器具有無線通訊功能、控制執(zhí)行功能和信息采集功能。該控制器不但是消息的接收器，還是消息的轉(zhuǎn)發(fā)器，他可以把收到的要發(fā)送到其他控制器的消息轉(zhuǎn)發(fā)出去，從而實(shí)現(xiàn)消息的遠(yuǎn)距離傳輸。他可以控制LED路燈的開關(guān)以及亮度值，而且能實(shí)時(shí)采集線路上的電壓、電流，超過閾值會(huì)報(bào)警。

4 硬件設(shè)計(jì)

該控制器分模塊化進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中包括CC2530核心模塊、電源模塊、電壓電流檢測(cè)模塊以及LED控制模塊。

該路燈控制器是以CC2530為核心芯片設(shè)計(jì)的。CC2530是TI公司推出的用于嵌入式應(yīng)用的片上系統(tǒng)，是使用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)、ZigBee和ZigBee RF4CE的一個(gè)片上系統(tǒng)解決方案。CC2530內(nèi)部已集成了一個(gè)8051微處理器與高性能的RF收發(fā)器。CC2530能夠以非常低的總材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，擁有較大的Flash，其存儲(chǔ)容量多達(dá)256KB，它是理想的ZigBee專業(yè)應(yīng)用芯片［6］。CC2530比他之前推出的CC2430有更大的Flash，更小的體積，更低的功耗，而且擁有更大的最大發(fā)射功率和更好的靈敏度，使得他能夠傳輸更遠(yuǎn)的距離。使用CC2530，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離能夠達(dá)到100米左右，再加上CC2591，可以傳輸1千米到2千米。

為了給控制器供電，設(shè)計(jì)了一個(gè)兩路5W輸出12V的開關(guān)電源，其中一路經(jīng)HT7533穩(wěn)壓芯片后輸出3.3V給CC2530供電，另一路給PWM調(diào)光模塊提供一個(gè)隔離的12V電源。該電源將220V的市電經(jīng)整流濾波后，用開關(guān)電源芯片TNY277PN逆變成高頻交流電，以TL431組成的相關(guān)電路作為基準(zhǔn)穩(wěn)壓源，與光耦LM817配合實(shí)現(xiàn)電壓的負(fù)反饋。其設(shè)計(jì)如圖1所示。

電壓電流檢測(cè)，可以先通過測(cè)得其峰峰值，再轉(zhuǎn)化為有效值，就能夠知道電流電壓的大小。為了獲得峰峰值，主要的方式有平均值檢波，準(zhǔn)峰值檢波，峰值檢波。平均值檢波最大特點(diǎn)是檢波器的充放電時(shí)間常數(shù)相同，特別適用于對(duì)連續(xù)波的測(cè)量。準(zhǔn)峰值檢波方式進(jìn)行測(cè)試的主要問題是測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)。峰值檢波的充電時(shí)間常數(shù)很小，即使是很窄的脈沖也能很快充電到穩(wěn)定值，由于電路的放電時(shí)間常數(shù)很大，檢波的輸出電壓可在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)保持在峰值上。由于峰值檢波的特點(diǎn)，所以在這里采用峰值檢波。峰值檢波，主要由二極管電路和電壓跟隨器組成，當(dāng)輸入電壓正半周時(shí)，二極管導(dǎo)通，對(duì)電容充電，當(dāng)輸入負(fù)半周時(shí)，二極管截止，電容即不充電也不放電，保持在之前的最大值。先用電壓互感器、電流互感器將大信號(hào)轉(zhuǎn)換為小信號(hào)，再利用峰值檢波原理，將交流電轉(zhuǎn)換為其峰值，然后經(jīng)過CC2530的模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到線路的電壓、電流值。其具體設(shè)計(jì)如圖2、圖3所示。

圖1 電源模塊

圖2 電壓檢測(cè)模塊

圖3 電流檢測(cè)模塊

LED控制模塊包括繼電器模塊和調(diào)光模塊。兩路繼電器電路可以控制兩盞LED路燈的開關(guān)。當(dāng)CC2530的P1_5輸出低電平，三極管截止，繼電器斷開，路燈熄滅;當(dāng)P1_5輸出高電平，三極管飽和，繼電器吸和，路燈點(diǎn)亮。兩路調(diào)光電路可以控制兩盞LED路燈的亮度，而且每路都可以實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光和可控硅調(diào)光。CC2530的P0_3輸出200Hz占空比可以從1%～100%的PWM。當(dāng)P0_3為高電平，三極管Q71飽和導(dǎo)通，光耦導(dǎo)通，三極管Q72也飽和導(dǎo)通，MV1輸出0V;而當(dāng)P0_3為低電平，三極管Q71截止，光耦斷開，三極管Q72也截止，MV1輸出12V。如此，就可以在MV1端得到一個(gè)200Hz的PWM。而且通過二極管整流、穩(wěn)壓，可以輸出0～12V的直流，滿足不同路燈的要求。其設(shè)計(jì)電路如圖4、圖5所示。

圖4 繼電器模塊

5 程序設(shè)計(jì)

ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為:網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、星型結(jié)構(gòu)和樹狀結(jié)構(gòu)［7］，考慮到網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠縮短信息傳輸?shù)难舆t和提高通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性［8］，因此智能路燈系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢圆捎镁W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使用路由功能傳輸。

路燈控制器不僅有控制功能，還有查詢與報(bào)警功能。其程序?qū)崿F(xiàn)方式如下?？刂破髟诮?jīng)過一系列的初始化之后，便會(huì)搜索網(wǎng)絡(luò)并加入。在這之后對(duì)電壓、電流采樣，如果超過設(shè)定的閾值，就會(huì)發(fā)送報(bào)警消息到協(xié)調(diào)器。接下來會(huì)判斷是否有收到來自協(xié)調(diào)器的命令。如果收到協(xié)調(diào)器的開關(guān)命令，通過操作繼電器來打開或者關(guān)閉LED路燈;如果收到的是調(diào)光命令，利用調(diào)光驅(qū)動(dòng)來調(diào)節(jié)路燈的亮度;當(dāng)收到的是查詢命令，可以根據(jù)需要把當(dāng)前的LED開關(guān)情況、調(diào)光值以及電壓電流值發(fā)送到協(xié)調(diào)器。如果沒有收到任何命令的話，就會(huì)重新采樣電壓、電流，如此一直循環(huán)。具體流程圖如圖6所示。

圖5 PWM調(diào)光模塊

圖6 流程圖

為了使路燈控制器與主控器能夠通訊，制定了自己的通訊協(xié)議，其中包括發(fā)送命令和返回命令，幀結(jié)構(gòu)如表1、表2所示。

表1 發(fā)送命令幀結(jié)構(gòu)

表2 返回命令幀結(jié)構(gòu)

幀結(jié)構(gòu)的各個(gè)部分含義如下:

◆起始符:標(biāo)識(shí)一幀的開始。

◆目的識(shí)別:表示該命令是單播、組播、還是廣播。

◆目的地址:目的控制器上CC2530的IEEE地址。

◆命令分類:區(qū)分命令的類型。

◆命令對(duì)象:表示命令的執(zhí)行對(duì)象是什么，比如繼電器、調(diào)光等。

◆動(dòng)作類型:動(dòng)作的類型，比如開、關(guān)。

◆動(dòng)作要求:動(dòng)作的具體值，比如調(diào)光的數(shù)值。

◆校驗(yàn)碼:異或校驗(yàn)。

◆結(jié)束符:標(biāo)識(shí)一幀的結(jié)束。

◆器件類型:發(fā)送返回命令的控制器的器件種類，如路由器、終端設(shè)備等。

◆源地址:發(fā)送返回命令的控制器上CC2530的IEEE地址。

◆數(shù)據(jù)內(nèi)容:等同于動(dòng)作要求，是返回的具體值。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)物圖如圖7所示。右邊是220V輸入端，右下角是電源部分，中間是CC2530模塊，左邊是控制模塊。該控制器成本低，功耗小，工作穩(wěn)定，通訊距離可達(dá)1千米，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

圖7 實(shí)物圖

7 結(jié)論

根據(jù)實(shí)際需要完成了智能路燈系統(tǒng)的路燈控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，該控制器在提高照明系統(tǒng)的信息化、智能化程度的同時(shí)，還大大降低了電能的浪費(fèi)，符合國(guó)家節(jié)能減排的發(fā)展戰(zhàn)略，定會(huì)在智能交通領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

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［4］趙望達(dá)，陳建國(guó).基于MSC1210Y的鐵路道口安全防護(hù)無線預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) ［J］.電子質(zhì)量，2005(12).

［5］高建輝.基于ZigBee和移動(dòng)平臺(tái)的家庭網(wǎng)絡(luò)巡警系統(tǒng)［D］.北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2011.

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