基于ZigBee 通信技術(shù)的單燈控制器設(shè)計(jì)

俞青松，陳 晨，陳友忠

（浙江意博高科技術(shù)有限公司，浙江 杭州 311100）

0 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進(jìn)，路燈作為城市公共照明的一部分，已成為人們生活中不可缺少的一部分。 但路燈每年消耗的電能也是巨大的，因而對(duì)路燈進(jìn)行高效管理， 實(shí)現(xiàn)按需照明具有重要的意義。 路燈控制管理系統(tǒng)使路燈能夠被遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制，提高了路燈應(yīng)對(duì)突發(fā)天氣的靈活性、故障上報(bào)的及時(shí)性以及節(jié)能控制方式的多樣性。路燈控制管理系統(tǒng)一般由監(jiān)控軟件平臺(tái)、遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)、集中控制器、本地通信網(wǎng)絡(luò)和單燈控制器組成。 單燈控制器作為路燈的直接控制設(shè)備，其工作的可靠性和有效性會(huì)影響整個(gè)控制系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee 通信技術(shù)的單燈控制器， 通過(guò)采用多種機(jī)制，在實(shí)現(xiàn)其功能完整性和有效性的前提下，保證了其工作的可靠性。

1 基于ZigBee 通信技術(shù)的單燈控制器應(yīng)用方案

目前市面上單燈控制器， 采用的通信方式有ZigBee，PLC，RS485，NB-IoT，LoRa 等。 ZigBee 采用免許可證頻段2.4GHz （全球）、915MHz （美國(guó)）和868MHz（歐洲），數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)250kb/s，節(jié)點(diǎn)間通信距離100m，加AP 后可以達(dá)到1000m，支持大量網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)，支持星狀、片狀和網(wǎng)狀等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，具有低?fù)雜度、快速、可靠、安全的特點(diǎn)。

表1 列舉了常見(jiàn)單燈控制器的通信方式及優(yōu)缺點(diǎn)。 采用ZigBee 通信的單燈控制器在安裝便捷性、維護(hù)成本、網(wǎng)絡(luò)可靠性、通信實(shí)時(shí)性、通信距離（擴(kuò)展后）上具備優(yōu)勢(shì)。 本設(shè)計(jì)通過(guò)采用ZigBee 通信、高精度計(jì)量芯片、多重故障判斷方式、數(shù)據(jù)包重發(fā)機(jī)制等方式進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，在提高設(shè)備可靠性同時(shí)，提高了網(wǎng)絡(luò)的安全性和可維護(hù)性，同時(shí)降低了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的故障誤報(bào)率。

表1 單燈控制器各通信方式對(duì)比Table 1 Comparison of communication methods of single lamp controller

如圖1 所示為路燈控制管理系統(tǒng)框圖?？刂乒?jié)點(diǎn)也即單燈控制器，安裝在燈桿或燈頭上，直接對(duì)路燈進(jìn)行控制，并采集路燈狀態(tài)信息，通過(guò)ZigBee通信技術(shù)與集中控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。集中控制器通過(guò)4G 網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，接收遠(yuǎn)程服務(wù)器控制命令，通過(guò)單燈控制器對(duì)路燈進(jìn)行開(kāi)關(guān)、調(diào)光等控制，并上報(bào)單燈控制器采集的路燈狀態(tài)信息。在遠(yuǎn)程服務(wù)器端以可視化界面展示整個(gè)控制系統(tǒng)的工作狀況，以便工作人員及時(shí)了解路燈的工作情況，做出精確判斷。

圖1 路燈控制管理系統(tǒng)框圖Figure 1 Block diagram of street lamp control and management system

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件原理框圖

單燈控制器硬件框圖如圖2 所示，包含ZigBee控制模塊、開(kāi)關(guān)模塊、計(jì)量模塊、調(diào)光模塊、電源、RTC （Real Time Clock）、EEPROM （Electrically Erasable Programmable read only memory） 、Watchdog 等部分。

圖2 單燈控制器硬件框圖Figure 2 Hardware block diagram of single lamp controller

2.2 硬件功能模塊設(shè)計(jì)

硬件功能模塊主要包括ZigBee 控制模塊、開(kāi)關(guān)模塊、計(jì)量模塊、調(diào)光模塊以及RTC。

ZigBee 控制模塊。 ZigBee 控制模塊電路如圖3所示， 采用TI 的CC2530 作為主控芯片， 外加RFX2401C 作為功放芯片， 通過(guò)外接天線阻抗匹配，使ZigBee 模塊的有效傳輸距離不低于300m。

圖3 ZigBee 模塊電路Figure 3 ZigBee module circuit

ZigBee 控制模塊作為主控模塊，采用TI 的ZStack 協(xié)議棧，是整個(gè)控制器的控制中心。 整個(gè)ZStack 采用分層的軟件結(jié)構(gòu)，包括硬件抽象層、操作系統(tǒng)抽象層等。 硬件抽象層提供各種硬件模塊的驅(qū)動(dòng)，包括定時(shí)器Timer、通用I/O 口GPIO、通用異步收發(fā)傳輸器UART、 模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC 的應(yīng)用程序接口API，提供各種服務(wù)的擴(kuò)展集。 操作系統(tǒng)抽象層實(shí)現(xiàn)了一個(gè)易用的操作系統(tǒng)平臺(tái)， 通過(guò)時(shí)間片輪轉(zhuǎn)函數(shù)實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度，提供多任務(wù)處理機(jī)制。 通過(guò)調(diào)用操作系統(tǒng)抽象層提供的相關(guān)API 進(jìn)行多任務(wù)編程，將應(yīng)用程序作為一個(gè)獨(dú)立的任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。ZigBee 控制模塊在Z-Stack 的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)、接收控制命令和完成控制任務(wù)。 其通過(guò)串口與計(jì)量模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，配置計(jì)量模塊參數(shù)，讀取保存計(jì)量數(shù)據(jù)，并檢測(cè)計(jì)量模塊的工作狀態(tài);通過(guò)I2C 接口與EEPROM 和RTC 進(jìn)行通信， 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)讀取和實(shí)時(shí)時(shí)鐘的讀取與配置； 通過(guò)給調(diào)光模塊提供PWM（Pulse Width Modulation）信號(hào)，實(shí)現(xiàn)調(diào)光0~10V 控制。

開(kāi)關(guān)模塊。 采用超小型大功率繼電器，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載供電的控制，同時(shí)通過(guò)提供負(fù)載供電電壓信號(hào)和電流信號(hào)給計(jì)量模塊。

計(jì)量模塊。 計(jì)量模塊電路如圖4 所示，采用電能計(jì)量專(zhuān)用芯片RN8209， 通過(guò)實(shí)時(shí)采集電壓信號(hào)和電流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)出負(fù)載電壓、電流、功率、功率因數(shù)及能耗的值；底層控制軟件會(huì)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷，獲取燈的狀態(tài)。數(shù)據(jù)精度優(yōu)于1%，符合大部分場(chǎng)景應(yīng)用。

圖4 計(jì)量模塊電路Figure 4 Metering module circuit

調(diào)光模塊。通過(guò)CJ431 電壓基準(zhǔn)芯片及阻容濾波，把ZigBee 模塊輸出的PWM 信號(hào)轉(zhuǎn)換為0~10V電平信號(hào)，同時(shí)采用射極跟隨器進(jìn)行阻抗調(diào)整，減小負(fù)載對(duì)電路輸出的影響。

RTC 采用PCF8563，配合超級(jí)電容，實(shí)現(xiàn)掉電維持時(shí)鐘的功能。

2.3 硬件可靠性設(shè)計(jì)

在整機(jī)硬件可靠性設(shè)計(jì)方面， 進(jìn)行了以下設(shè)計(jì)：在AC 輸出加阻容吸收電路，減少感性負(fù)載對(duì)單燈控制器的影響； 在調(diào)光輸出加ESD（Electro-Static Discharge）芯片，進(jìn)行ESD 保護(hù)；外置硬件看門(mén)狗，防止干擾引起死機(jī)；選用工業(yè)級(jí)芯片；在電路設(shè)計(jì)時(shí)考慮器件降額設(shè)計(jì)；選用電壓范圍比ZigBee模塊更大的EEPROM 芯片， 防止掉電時(shí)對(duì)EEPROM 數(shù)據(jù)的破壞。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件程序流程

單燈控制器程序流程如圖5 所示。 上電后，首先進(jìn)行相應(yīng)的初始化操作，接著開(kāi)啟60s 定時(shí)器和3s 定時(shí)器，然后進(jìn)入任務(wù)循環(huán)處理。 程序每隔60s進(jìn)行失聯(lián)計(jì)數(shù)加1 操作， 一旦未收到命令超過(guò)5min，單燈控制器進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行模式，比對(duì)RTC 時(shí)鐘和記錄的開(kāi)關(guān)燈與調(diào)光時(shí)間是否一致。若一致則執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作， 保證單燈控制器在ZigBee 網(wǎng)絡(luò)異常時(shí)也能按照事先設(shè)置的策略運(yùn)行。 同時(shí)，程序每隔3s 讀取一次負(fù)載的電參數(shù)， 并和記錄的報(bào)警閾值比較，若超過(guò)閾值，則進(jìn)行報(bào)警處理。處理命令流程對(duì)接收的命令進(jìn)行處理，包括開(kāi)關(guān)、調(diào)光、數(shù)據(jù)上報(bào)、策略設(shè)置、參數(shù)設(shè)置等操作。

圖5 單燈控制器程序流程圖Figure 5 Program flow chart of single lamp controller

3.2 軟件功能模塊設(shè)計(jì)

3.2.1 ZigBee 組網(wǎng)

ZigBee 組網(wǎng)流程如圖6 所示。一個(gè)區(qū)域的燈控有許多個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)組成， 為了區(qū)分不同的控制網(wǎng)絡(luò)，不同的網(wǎng)絡(luò)需要選擇不同PANID 和信道。在選擇的信道上發(fā)送信標(biāo)請(qǐng)求，掃描該信道上的網(wǎng)絡(luò)信息，若接收到符合要求的信標(biāo)，則發(fā)送連接請(qǐng)求，等待對(duì)方應(yīng)答，再進(jìn)行數(shù)據(jù)請(qǐng)求獲取網(wǎng)絡(luò)地址。 在獲取網(wǎng)絡(luò)地址后，廣播本身的地址信息，讓處在網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)知道有新的節(jié)點(diǎn)加入。

圖6 ZigBee 組網(wǎng)流程圖Figure 6 ZigBee networking flow chart

3.2.2 命令處理模塊

命令處理模塊程序流程如圖7 所示。首先對(duì)接收的命令進(jìn)行校驗(yàn)和計(jì)算：若校驗(yàn)和錯(cuò)誤，則返回命令錯(cuò)誤；若校驗(yàn)和正確，則進(jìn)行命令類(lèi)型判斷，進(jìn)行不同的處理，返回處理結(jié)果。

圖7 命令處理模塊程序流程圖Figure 7 Program flow chart of command processing module

3.2.3 報(bào)警判斷模塊

報(bào)警判斷模塊程序流程如圖8 所示， 進(jìn)行電壓、電流、功率及控制器故障等報(bào)警的判斷。把采集的電參數(shù)和設(shè)置的電參數(shù)閾值進(jìn)行比較，如果連續(xù)5 次超過(guò)閾值，則設(shè)置相應(yīng)的報(bào)警標(biāo)志，在平臺(tái)軟件來(lái)查詢(xún)時(shí)，上報(bào)報(bào)警信息。

圖8 報(bào)警判斷模塊程序流程圖Figure 8 Program flow chart of alarm judgment module

3.3 軟件可靠性設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性。 對(duì)于EEPROM 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，采用一值多單元存儲(chǔ)的方式，在寫(xiě)入和讀出時(shí)從多個(gè)單元獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行比對(duì)，防止或降低讀寫(xiě)錯(cuò)誤的產(chǎn)生。

報(bào)警機(jī)制。 對(duì)于報(bào)警數(shù)據(jù)，通過(guò)連續(xù)多次的判斷，若結(jié)果都超過(guò)閾值，則生成報(bào)警數(shù)據(jù)。

異常數(shù)據(jù)處理。 保存異常數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)召測(cè)時(shí)，上報(bào)異常數(shù)據(jù)。

設(shè)備死機(jī)處理。 在設(shè)備出現(xiàn)異常死機(jī)時(shí)，軟件停止清硬件看門(mén)狗動(dòng)作， 硬件看門(mén)狗復(fù)位設(shè)備，設(shè)備重啟后讀取EEPROM 數(shù)據(jù)，恢復(fù)復(fù)位前狀態(tài)。

設(shè)備離線（脫網(wǎng)）處理。 設(shè)備在離線時(shí)，按照設(shè)定的策略實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)關(guān)調(diào)光動(dòng)作，并每隔一定時(shí)間嘗試入網(wǎng)，直到重新加入網(wǎng)絡(luò)。

關(guān)鍵數(shù)據(jù)處理。 采用定時(shí)更新的方式，保存到EEPROM，并做備份。

上傳數(shù)據(jù)及狀態(tài)和下傳命令可靠性。數(shù)據(jù)及命令采用CRC16 校驗(yàn)及重發(fā)機(jī)制，保障可靠傳輸。

4 管理平臺(tái)展示

4.1 非工作時(shí)段

如圖9 所示，圓點(diǎn)代表裝配了單燈控制器的路燈，標(biāo)簽代表集中控制器（集中管理單燈控制器，并與遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信），此時(shí)路燈未開(kāi)。

4.2 工作時(shí)段

如圖10 所示， 圓點(diǎn)代表裝配了單燈控制器的路燈，標(biāo)簽代表集中控制器，此時(shí)路燈已開(kāi)。

4.3 異常情況

如圖11 所示， 灰色圓點(diǎn)代表裝配了單燈控制器的路燈，黑色圓點(diǎn)代表單燈控制器異常或單燈控制器所控制的路燈異常， 標(biāo)簽代表集中控制器，此時(shí)路燈已開(kāi)。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著城市化建設(shè)，路燈作為城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的一部分，對(duì)其進(jìn)行高效管理維護(hù)，具有重要意義。目前， 越來(lái)越多的地方開(kāi)始部署路燈控制管理系統(tǒng)。 本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee 通信技術(shù)的單燈控制器， 在對(duì)路燈開(kāi)關(guān)調(diào)光控制及狀態(tài)監(jiān)測(cè)的同時(shí)，采用多種方法，提高了其可靠性，為路燈控制管理系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供了前端硬件保證。

圖9 非工作時(shí)段路燈狀態(tài)圖Figure 9 Street lamp state diagram during nonworking hours

圖10 工作時(shí)段路燈狀態(tài)圖Figure 10 Street lamp state diagram during working hours

圖11 異常情況路燈狀態(tài)圖Figure 11 Street lamp state diagram under abnormal conditions