基于CC2530的無線路燈節(jié)能智能監(jiān)控系統(tǒng)

隨著我國(guó)城鄉(xiāng)一體化建設(shè)和城市化建設(shè)的不斷深入， 對(duì)道路照明擴(kuò)展規(guī)模越來越大， 因此對(duì)道路照明及景觀照明提出了更高、更新的要求。與此同時(shí)， 路燈的電能消耗和燈具損耗也越來越大。傳統(tǒng)的路燈控制系統(tǒng)存在著智能化程度低、線路穩(wěn)定度差等問題， 給城市照明系統(tǒng)的管理和維護(hù)帶來很大困難。為了解決以上問題，本論文提出了基于CC2530 的ZigBee 無線路燈節(jié)能智能監(jiān)控系統(tǒng)方案。該方案能夠靈活開關(guān)燈， 自動(dòng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障， 提高設(shè)備智能化管理。本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際要求， 對(duì)每一組路燈進(jìn)行控制， 實(shí)現(xiàn)照明模式的多樣化和靈活性，若有損壞的路燈， 系統(tǒng)會(huì)及時(shí)顯示其信息， 并通知管理人員， 有效地提高了城市照明系統(tǒng)的管理水平。

1 ZigBee 技術(shù)

ZigBee 技術(shù)是一種新興的短距離無線通信技術(shù)， 目前在近距離無線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。ZigBee 協(xié)議棧是建立在IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)之上。IEEE802.15.4 定義了物理層和MAC 層的規(guī)范。其余如網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層規(guī)范。等方面由ZigBee 聯(lián)盟負(fù)責(zé)。ZigBee 技術(shù)采用自組織網(wǎng)絡(luò)， 且其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以隨意變動(dòng)的這一特點(diǎn)對(duì)道路照明監(jiān)控系統(tǒng)十分有利， 對(duì)實(shí)現(xiàn)路燈節(jié)能智能監(jiān)控系統(tǒng)的智能化、高可靠性、低成本起到很好的作用。

ZigBee 低速無線個(gè)域網(wǎng)具有如下特點(diǎn):

(1) 低功耗。ZigBee 技術(shù)傳輸速率低， 傳輸數(shù)據(jù)量小。而且，ZigBee 模塊在非工作時(shí)間采用休眠模式， 使得系統(tǒng)運(yùn)行非常節(jié)省電能。

(2) 數(shù)據(jù)傳輸可靠。ZigBee 采用沖突避免的載波多路偵聽技術(shù)， 當(dāng)有數(shù)據(jù)傳送需求時(shí)則立刻傳送， 保證了系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

(3) 網(wǎng)絡(luò)容量大。一個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)最多可包含65 535個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)， 按功能的完整性可劃分為全功能設(shè)備(FFD) 和半功能設(shè)備(RFD) , 各個(gè)節(jié)點(diǎn)可相互連接， 組成大容量的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)。

(4) 工作頻段多樣。使用頻段有： 2 . 4 GHz ISM 頻段、868 MHz( 歐洲) 及915 MHz( 美國(guó))， 并在不同的載波頻率下有250 Kb/s 、40 Kb/s 和20 Kb/s 三種不同的傳輸速率。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

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)， 當(dāng)CC2530 用倒F 型PCB 天線時(shí)， 可靠收發(fā)距離為200 m 左右， 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，因此無線路燈節(jié)能智能監(jiān)控系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/strong>可以采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使用路由功能傳輸。因?yàn)镃C2530 可以實(shí)現(xiàn)20 級(jí)左右路由， 所以本系統(tǒng)采用CC2530 .一個(gè)"CC2530+CC2591 " 組成的路由器與協(xié)調(diào)器的可靠收發(fā)距離可以達(dá)到1 km 左右， "CC2530+CC2591 " 組成的路由器與普通路由器如果布局合理的話， 就可以讓整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信距離達(dá)到20 km左右。

無線路燈節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)是由一個(gè)ZigBee 協(xié)調(diào)器、若干個(gè)路燈路由控制器和若干個(gè)路燈終端設(shè)備控制器組成的無線監(jiān)控系統(tǒng)如圖1 所示。根據(jù)ZigBee 通信與組網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)， 將ZigBee 技術(shù)與傳統(tǒng)的路燈控制模式相結(jié)合， 采用對(duì)每組路燈進(jìn)行檢測(cè)和控制的方式， 就能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)路燈的損壞情況和它的具體位置， 方便維修管理， 實(shí)現(xiàn)按需節(jié)能、智能化管理， 達(dá)到城市照明系統(tǒng)節(jié)能減排的目標(biāo)。

圖1 系統(tǒng)框架圖

路燈節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)的各個(gè)模塊運(yùn)行主程序流程如圖2 所示。首先系統(tǒng)上電初始化各個(gè)模塊， 然后協(xié)調(diào)器選擇一個(gè)信道和PAN ID( 個(gè)域網(wǎng)ID 號(hào))后就開始建立網(wǎng)絡(luò)， 路由器和終端設(shè)備隨后加入網(wǎng)絡(luò)， 協(xié)調(diào)器發(fā)出相應(yīng)的控制命令。

圖2 系統(tǒng)主程序流程圖

3 硬件電路設(shè)計(jì)

ZigBee 新一代SoC 芯片[7]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)， 擁有較大的快閃記憶體， 其存儲(chǔ)容量多達(dá)256 B, 它是理想的ZigBee 專業(yè)應(yīng)用芯片; 支持新RemoTI 的ZigBee RF4CE, 這是業(yè)界首款符合ZigBeeRF4CE 兼容的協(xié)議棧。此外，CC2530 具有不同的運(yùn)行模式， 使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)， 運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短， 進(jìn)一步確保了低能源消耗。圖3 為CC2530 外圍電路設(shè)計(jì)。圖3 中的D3 倒F 天線是單端天線， 也就是非平衡天線， 所以需要用電容、電感組成一個(gè)非平衡變壓器(BALUN) , 如圖3 中的虛線框圖， 來滿足RF 輸入/輸出匹配的要求。

圖3 CC2530 外圍電路

PCB 天線設(shè)計(jì)難度較大， 通常還需要仿真工具的支持， 但TI 公司已經(jīng)把倒F 型PCB 天線設(shè)計(jì)的規(guī)格公布了。對(duì)于終端設(shè)備的設(shè)計(jì)來說，PCB 天線不失為一種較經(jīng)濟(jì)的選擇， 因?yàn)槠渫ㄐ啪嚯x可以滿足本系統(tǒng)的要求。

路燈節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)采用光敏電阻傳感器檢測(cè)的方式采集路燈狀態(tài)信息并通過無線傳回主控中心( 協(xié)調(diào)器)， 同時(shí)經(jīng)主控中心處理后， 將相應(yīng)的控制命令發(fā)送至指定的路燈節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器的設(shè)計(jì)是根據(jù)電子時(shí)鐘產(chǎn)生的精確時(shí)間和光敏電阻采集外界光線的強(qiáng)弱來控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的路燈。

在下半夜采用隔柱亮燈(開部分燈) 的方法降低電能消耗; 在大白天， 采用關(guān)全部路燈的方法， 如果天氣突然轉(zhuǎn)陰， 系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)打開部分路燈， 滿足人們照明要求; 傍晚時(shí)分， 用光敏傳感器采集的光線強(qiáng)弱來判斷是否需要開關(guān)燈， 做到及時(shí)開關(guān)燈。根據(jù)以上的控制實(shí)現(xiàn)智能和節(jié)能控制。表1 所示的為協(xié)調(diào)器主控制路燈的狀況( 此表要根據(jù)城市的實(shí)際情況制定)。

表1 協(xié)調(diào)器根據(jù)時(shí)間與外界狀態(tài)發(fā)出控制命令

本文提出了基于CC2530 的ZigBee 無線路燈節(jié)能智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案， 在路燈控制器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了自組織網(wǎng)絡(luò)的建立、通信、互操作性測(cè)試， 解決了以往無線控制網(wǎng)絡(luò)的通信不穩(wěn)定的問題。初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： 采用這種模式建立的無線路燈節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)不僅具有較好的可靠性和較高的控制效率， 而且還能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)路燈損壞情況和它的具體位置， 減少了巡燈工作，同時(shí)又根據(jù)城市是否需要打開路燈的實(shí)際情況來控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的路燈開關(guān)， 從而做到合理及時(shí)開、關(guān)燈。在下半夜采用隔柱亮燈的方法不僅能滿足人們照明的需要， 而且還能減少電能消耗， 能夠很好地達(dá)到節(jié)能和智能化管理的目的， 有著廣闊的應(yīng)用前景。