ZigBee技術(shù)在LED路燈照明系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　隨著我國城市化步伐的加快，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)容量大等特點為路燈自動控制領(lǐng)域提供了較合適的解決方案。LED路燈節(jié)能控制系統(tǒng)就是通過采用ZigBee技術(shù)與各種新型傳感器、功率控制器結(jié)合，實現(xiàn)路燈的智能控制，節(jié)約了大量能源。

　　1 ZigBee技術(shù)簡介

　　隨著數(shù)字通信和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無線技術(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)千個微小的傳感器之問相互協(xié)調(diào)實現(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)燈的時間表手動進(jìn)行開關(guān)燈的操作，時控方式是以時間作為開關(guān)燈的唯一根據(jù)，電力載波控制易受電力線強(qiáng)磁場的干擾，GSM短消息控制必須通過手機(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，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時采集光亮強(qiáng)度，大大降低了特殊環(huán)境，特殊時間誤開誤關(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)，保證信號傳輸?shù)目煽啃裕苊馄渌盘柕母蓴_。3）CC2430芯片的低功耗，延時短，協(xié)議框架簡單，安裝方便。

　　3 LED路燈照明與傳統(tǒng)的路燈照明的比較

　　我國“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，中國每年至少要用30億個燈泡和日光燈管，產(chǎn)生30萬t很難回收的玻璃垃圾，還有2萬1Kg的劇毒汞，對環(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，加上國家政策的支持和導(dǎo)向，目前國內(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，未來我國將開展十大節(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)用的過渡階段。但是隨著產(chǎn)品穩(wěn)定性的提升和產(chǎn)品價格的下降，I.ED路燈具有非常強(qiáng)的成長性。相對于傳統(tǒng)路燈，LED照明道路具有以下優(yōu)勢：

　　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）長壽命（有效使用壽命長達(dá)70 000h），5）智能控制，免維護(hù)，環(huán)保無污染等。

　　4 LED照明控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

　　照明控制的節(jié)能是全球普遍關(guān)注的問題，照明節(jié)能一般可以通過兩條途徑實現(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，在需要照明時使用，不需要照明時關(guān)斷，盡量減少不必要的開關(guān)燈時間，開關(guān)燈的數(shù)量和過高的照明亮度，這點就需要通過照明控制實現(xiàn)，即ZigBee技術(shù)。本文正是從這兩個方面為出發(fā)點設(shè)計了此系統(tǒng)。

　　通常，LED照明控制系統(tǒng)包括：傳感器單元、無線收發(fā)與處理器控制單元、LED驅(qū)動電路與照明單元、控制中心路燈監(jiān)控與管理系統(tǒng)單元。本系統(tǒng)采用樹型無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對路燈進(jìn)行多條路由控制，系統(tǒng)里控制中心的監(jiān)控系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器，若干個FFD設(shè)備作為路由節(jié)點，RFD設(shè)備作為系統(tǒng)的終端節(jié)點。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)前路燈自動控制無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)狀況。FFD路由節(jié)點可以安裝在道路旁邊，連接成串狀作為無線節(jié)點的中繼控制器，可以轉(zhuǎn)發(fā)下一級的每個節(jié)點上傳的信息，達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。同時它可以作為燈桿上的微處理器，用來控制路燈的打開和關(guān)閉。為了降低成本，RFD節(jié)點作為系統(tǒng)中的末端節(jié)點放置在路的盡頭。它按照接收到的無線信號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

　　無線智能照明系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點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)點帶有4個獨立按鍵，用來設(shè)置整個系統(tǒng)的參數(shù)和發(fā)送控制命令，24×2字符（5×8點陣）是漢字字符點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)量直接完成對照明燈的開關(guān)控制。另外，協(xié)調(diào)器節(jié)點還帶有亮度傳感器，用于感測現(xiàn)場的亮度信息。當(dāng)亮度傳感器測得光線太亮，如晴朗的白天，即可自動關(guān)閉路燈，當(dāng)亮度傳感器測得光線太暗，如夜晚或者陰雨天，即可調(diào)高路燈亮度。

　　系統(tǒng)只需在一個節(jié)點上集成亮度傳感器，即可通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)向各個燈節(jié)點傳輸控制信息，實現(xiàn)對整個照明系統(tǒng)的智能控制、成本低廉，也可以一個節(jié)點上增加多個傳感器備用。當(dāng)然也可以將亮度傳感器做成一個單獨的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，用于感測現(xiàn)場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)計采用CC2430無線通信模塊，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)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性能，處于休眠模式時整個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)點的設(shè)計。由于CC2430中帶有一個8位的8051微控制器，所以在硬件設(shè)計中可以省去了微控制器模塊，降低傳感器節(jié)點的成本，減小傳感器節(jié)點的體積。但是此設(shè)計中加入微控制器模塊，為了適應(yīng)更高的性能要求。CC2430的射頻信號是采用差分方式，本設(shè)計采用50Ω單極子天線。

　　本設(shè)計采用LX1970可見光亮度傳感器。

　　LXl970是一種能實現(xiàn)人眼仿真的集成化的可見光亮度傳感器，峰值發(fā)光波長為520 nm，電流靈敏度為0.38uA/lx，暗電流為10 nA.非線性誤差小，重復(fù)性好。兩個互補(bǔ)輸出端的電流不對稱度僅為士0.5%，可任選一端作為輸出。外圍電路簡單，價格低廉，使用方便，微功耗，低壓供電。采用2~5.5V電源，電源電流可低至85肛A（典型值）。工作溫度范圍為一40~+85℃。其外形尺寸僅為2.95 mmX 3 mmX1 mm。

　　6 LED照明控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

　　軟件設(shè)計基于TI公司推出的跟CC2430芯片配套的Z-Stack協(xié)議棧和IAR集成開發(fā)環(huán)境。Z-Stack在業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先水平，目前還在不斷完善和增強(qiáng)，其最新版本Z-Stack 1.4.2，通過ZigBee測試機(jī)構(gòu)德國萊茵集團(tuán)的ZigBee兼容性測試，符合Zig-Bee 2006 specification，已被全球眾多ZigBee應(yīng)用開發(fā)廠家所采用，支持多種硬件平臺。

　　在智能型LED路燈控制無線網(wǎng)絡(luò)工作的過程中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器會定時檢測有無按鍵按下，用以執(zhí)行相應(yīng)的電源開關(guān)命令。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器處于空閑狀態(tài)時，會監(jiān)聽空中的無線信號，判斷有無新的節(jié)點要加入網(wǎng)絡(luò)，有則為其分配網(wǎng)絡(luò)地址。考慮到現(xiàn)場需要，協(xié)調(diào)器還可以控制某路段的燈亮，由其發(fā)送指令的目標(biāo)地址所決定。FFD節(jié)點通常處于監(jiān)控狀態(tài)，如果接收到電源開關(guān)的命令，則執(zhí)行命令，并確定是否轉(zhuǎn)發(fā)，同時