基于ZigBee的智能型LED路燈照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：時(shí)當(dāng)前LED路燈照明與傳統(tǒng)路燈照明進(jìn)行了比較，將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于LED路燈照明系統(tǒng)，組建了Zig-Bee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。詳細(xì)設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)的硬件電路及軟件。經(jīng)對(duì)比，此系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)在節(jié)省布線，降低成本方面有顯著的優(yōu)勢(shì)。

隨著我國(guó)城市化步伐的加快，城市照明建設(shè)作為體現(xiàn)城市形象的作用日益受到重視，在城市照明系統(tǒng)中，如何節(jié)約能源，提高路燈能源的利用率已成為急需解決的問題。而ZigBee技術(shù)以其低功耗、通信可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)為路燈自動(dòng)控制領(lǐng)域提供了較合適的解決方案。LED路燈節(jié)能控制系統(tǒng)就是通過(guò)采用ZigBee技術(shù)與各種新型傳感器、功率控制器結(jié)合，實(shí)現(xiàn)路燈的智能控制，節(jié)約了大量能源。

1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

隨著數(shù)字通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化要求逐漸出現(xiàn)在人們面前，ZigBee技術(shù)便是其中之一。ZigBee技術(shù)是依據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要應(yīng)用在短距離范圍內(nèi)并且數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之問相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。

ZigBee采用了2003年發(fā)布的IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)作為其物理層和媒體接入(MAC)層的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。2001年8月成立的ZigBee技術(shù)聯(lián)盟為不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備提供了統(tǒng)一的解決方案，解決其相互問的兼容性問題。ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)層由ZigBee技術(shù)聯(lián)盟制定，應(yīng)用層則由用戶根據(jù)自己的應(yīng)用需要對(duì)其開發(fā)利用。

2傳統(tǒng)路燈的控制方式

傳統(tǒng)的路燈控制方式有人工控制，時(shí)控方式，電力載波控制，GSM短消息控制，CDPD(CellularDigital Packet Data)蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù)等。人工方式是工作人員根據(jù)開關(guān)燈的時(shí)間表手動(dòng)進(jìn)行開關(guān)燈的操作，時(shí)控方式是以時(shí)間作為開關(guān)燈的唯一根據(jù)，電力載波控制易受電力線強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾，GSM短消息控制必須通過(guò)手機(jī)，費(fèi)用較高。上述五種傳統(tǒng)的路燈控制方式存在的問題是：運(yùn)行操作結(jié)果不能集中監(jiān)視，記錄和統(tǒng)計(jì)，達(dá)不到量化管理的要求，不適應(yīng)城市現(xiàn)代化的發(fā)展。

在路燈的控制方面，ZigBee技術(shù)結(jié)合傳感器技術(shù)組成的網(wǎng)絡(luò)同樣解決傳統(tǒng)控制中存在的問題：1)選用特殊的亮度傳感器可以實(shí)時(shí)采集光亮強(qiáng)度，大大降低了特殊環(huán)境，特殊時(shí)間誤開誤關(guān)的幾率，脫離了人工干預(yù)。2)ZigBee技術(shù)采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，保證信號(hào)傳輸?shù)目煽啃裕苊馄渌盘?hào)的干擾。

3)CC2430芯片的低功耗，延時(shí)短，協(xié)議框架簡(jiǎn)單，安裝方便。

3 LED路燈照明與傳統(tǒng)的路燈照明的比較

我國(guó)十一五規(guī)劃明確提出了節(jié)能減排的主要目標(biāo)，單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗比十五期末降低20%左右，主要污染物排放總量減少10%.全球每年照明用電要達(dá)到2 400億度以上，如果一半的傳統(tǒng)照明光源被I.ED照明光源取代可節(jié)省700億度電，相當(dāng)于700億元。在環(huán)保方面，中國(guó)每年至少要用30億個(gè)燈泡和日光燈管，產(chǎn)生30萬(wàn)t很難回收的玻璃垃圾，還有2萬(wàn)1Kg的劇毒汞，對(duì)環(huán)境造成巨大的污染。隨著LED行業(yè)技術(shù)發(fā)展的不斷成熟，加上國(guó)家政策的支持和導(dǎo)向，目前國(guó)內(nèi)外眾多傳統(tǒng)照明巨頭紛紛投入到半導(dǎo)體照明的開發(fā)中，根據(jù)十一五規(guī)劃，未來(lái)我國(guó)將開展十大節(jié)能工程，其中綠色照明，推廣高效節(jié)電照明系統(tǒng)將是一個(gè)重要內(nèi)容。

目前道路照明仍以高壓鈉燈或金鹵燈光源為主，LED照明主要采用LED作為發(fā)光光源。LED路燈尚處于示范推廣向大規(guī)模應(yīng)用的過(guò)渡階段。但是隨著產(chǎn)品穩(wěn)定性的提升和產(chǎn)品價(jià)格的下降，I.ED路燈具有非常強(qiáng)的成長(zhǎng)性。相對(duì)于傳統(tǒng)路燈，LED照明道路具有以下優(yōu)勢(shì)：

1)擴(kuò)大了照明范圍，2)提高了照明均勻度，3)低能耗(相同照度下能耗僅為高壓鈉燈的40%,節(jié)能50%以上)，4)長(zhǎng)壽命(有效使用壽命長(zhǎng)達(dá)70 000h)，5)智能控制，免維護(hù)，環(huán)保無(wú)污染等。

4 LED照明控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

照明控制的節(jié)能是全球普遍關(guān)注的問題，照明節(jié)能一般可以通過(guò)兩條途徑實(shí)現(xiàn)：一是使用高效的照明裝置(例如光源，燈具和鎮(zhèn)流器)，二是智能感應(yīng)的控制，在需要照明時(shí)使用，不需要照明時(shí)關(guān)斷，盡量減少不必要的開關(guān)燈時(shí)間，開關(guān)燈的數(shù)量和過(guò)高的照明亮度，這點(diǎn)就需要通過(guò)照明控制實(shí)現(xiàn)，即ZigBee技術(shù)。本文正是從這兩個(gè)方面為出發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)了此系統(tǒng)。

通常，LED照明控制系統(tǒng)包括：傳感器單元、無(wú)線收發(fā)與處理器控制單元、LED驅(qū)動(dòng)電路與照明單元、控制中心路燈監(jiān)控與管理系統(tǒng)單元。本系統(tǒng)采用樹型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)路燈進(jìn)行多條路由控制，系統(tǒng)里控制中心的監(jiān)控系統(tǒng)作為整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器，若干個(gè)FFD設(shè)備作為路由節(jié)點(diǎn)，RFD設(shè)備作為系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)路協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)，顯示相關(guān)的控制信息和當(dāng)前路燈自動(dòng)控制無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)狀況。FFD路由節(jié)點(diǎn)可以安裝在道路旁邊，連接成串狀作為無(wú)線節(jié)點(diǎn)的中繼控制器，可以轉(zhuǎn)發(fā)下一級(jí)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上傳的信息，達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。同時(shí)它可以作為燈桿上的微處理器，用來(lái)控制路燈的打開和關(guān)閉。為了降低成本，RFD節(jié)點(diǎn)作為系統(tǒng)中的末端節(jié)點(diǎn)放置在路的盡頭。它按照接收到的無(wú)線信號(hào)指令控制自己的路燈狀態(tài)。

5 LED照明控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線智能照明系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)3種。其中，協(xié)調(diào)器的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1協(xié)調(diào)器的硬件框圖

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)帶有4個(gè)獨(dú)立按鍵，用來(lái)設(shè)置整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)和發(fā)送控制命令，24×2字符(5×8點(diǎn)陣)是漢字字符點(diǎn)陣液晶模塊用于顯示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息。微控制器輸出開關(guān)量直接完成對(duì)照明燈的開關(guān)控制。另外，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)還帶有亮度傳感器，用于感測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的亮度信息。當(dāng)亮度傳感器測(cè)得光線太亮，如晴朗的白天，即可自動(dòng)關(guān)閉路燈，當(dāng)亮度傳感器測(cè)得光線太暗，如夜晚或者陰雨天，即可調(diào)高路燈亮度。

系統(tǒng)只需在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上集成亮度傳感器，即可通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)向各個(gè)燈節(jié)點(diǎn)傳輸控制信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)照明系統(tǒng)的智能控制、成本低廉，也可以一個(gè)節(jié)點(diǎn)上增加多個(gè)傳感器備用。當(dāng)然也可以將亮度傳感器做成一個(gè)單獨(dú)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，用于感測(cè)現(xiàn)場(chǎng)不同位置的亮度信息。圖2是系統(tǒng)的硬件電路圖。

圖2系統(tǒng)的硬件電路圖

本設(shè)計(jì)采用CC2430無(wú)線通信模塊，CC2430芯片是首款符合ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)單芯片，片內(nèi)集成增強(qiáng)的8051微控制器內(nèi)核和符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz射頻收發(fā)器，具有優(yōu)良的無(wú)線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性能，處于休眠模式時(shí)整個(gè)芯片的電流消耗小于0.9uA,從硬件上支持CSMA/CA機(jī)制，還集成有ADC,AES安全協(xié)處理器和USART等片上外設(shè)及豐富的I/O口資源，只需添加晶振等少量的元器件即可完成ZigBee節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。由于CC2430中帶有一個(gè)8位的8051微控制器，所以在硬件設(shè)計(jì)中可以省去了微控制器模塊，降低傳感器節(jié)點(diǎn)的成本，減小傳感器節(jié)點(diǎn)的體積。但是此設(shè)計(jì)中加入微控制器模塊，為了適應(yīng)更高的性能要求。CC2430的射頻信號(hào)是采用差分方式，本設(shè)計(jì)采用50Ω單極子天線。