ZigBee技術(shù)在LED路燈照明系統中的應用

　　隨著(zhù)我國城市化步伐的加快，城市照明建設作為體現城市形象的作用日益受到重視，在城市照明系統中，如何節約能源，提高路燈能源的利用率已成為急需解決的問(wèn)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路燈節能控制系統就是通過(guò)采用ZigBee技術(shù)與各種新型傳感器、功率控制器結合，實(shí)現路燈的智能控制，節約了大量能源。

　　1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

　　隨著(zhù)數字通信和計算機技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )化、標準化要求逐漸出現在人們面前，ZigBee技術(shù)便是其中之一。ZigBee技術(shù)是依據IEEE802.15.4標準的一種短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，主要應用在短距離范圍內并且數據傳輸速率不高的各種電子設備之間，在數千個(gè)微小的傳感器之問(wèn)相互協(xié)調實(shí)現通信。

　　ZigBee采用了2003年發(fā)布的IEEE802.15.4協(xié)議標準作為其物理層和媒體接入（MAC）層的標準協(xié)議。2001年8月成立的ZigBee技術(shù)聯(lián)盟為不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的設備提供了統一的解決方案，解決其相互問(wèn)的兼容性問(wèn)題。ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )層由ZigBee技術(shù)聯(lián)盟制定，應用層則由用戶(hù)根據自己的應用需要對其開(kāi)發(fā)利用。

　　2傳統路燈的控制方式

　　傳統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）蜂窩數字分組數據等。人工方式是工作人員根據開(kāi)關(guān)燈的時(shí)間表手動(dòng)進(jìn)行開(kāi)關(guān)燈的操作，時(shí)控方式是以時(shí)間作為開(kāi)關(guān)燈的唯一根據，電力載波控制易受電力線(xiàn)強磁場(chǎng)的干擾，GSM短消息控制必須通過(guò)手機，費用較高。上述五種傳統的路燈控制方式存在的問(wèn)題是：運行操作結果不能集中監視，記錄和統計，達不到量化管理的要求，不適應城市現代化的發(fā)展。

　　在路燈的控制方面，ZigBee技術(shù)結合傳感器技術(shù)組成的網(wǎng)絡(luò )同樣解決傳統控制中存在的問(wèn)題：1）選用特殊的亮度傳感器可以實(shí)時(shí)采集光亮強度，大大降低了特殊環(huán)境，特殊時(shí)間誤開(kāi)誤關(guān)的幾率，脫離了人工干預。2）ZigBee技術(shù)采用直接序列擴頻技術(shù)，保證信號傳輸的可靠性，避免其他信號的干擾。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路燈照明與傳統的路燈照明的比較

　　我國“十一五”規劃明確提出了節能減排的主要目標，單位國內生產(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到2 400億度以上，如果一半的傳統照明光源被I.ED照明光源取代可節省700億度電，相當于700億元。在環(huán)保方面，中國每年至少要用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，對環(huán)境造成巨大的污染。隨著(zhù)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向，目前國內外眾多傳統照明巨頭紛紛投入到半導體照明的開(kāi)發(fā)中，根據“十一五”規劃，未來(lái)我國將開(kāi)展十大節能工程，其中綠色照明，推廣高效節電照明系統將是一個(gè)重要內容。

　　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模應用的過(guò)渡階段。但是隨著(zhù)產(chǎn)品穩定性的提升和產(chǎn)品價(jià)格的下降，I.ED路燈具有非常強的成長(cháng)性。相對于傳統路燈，LED照明道路具有以下優(yōu)勢：

　　1）擴大了照明范圍，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%，節能50%以上），4）長(cháng)壽命（有效使用壽命長(cháng)達70 000h），5）智能控制，免維護，環(huán)保無(wú)污染等。

　　4 LED照明控制系統的總體設計

　　照明控制的節能是全球普遍關(guān)注的問(wèn)題，照明節能一般可以通過(guò)兩條途徑實(shí)現：一是使用高效的照明裝置（例如光源，燈具和鎮流器），二是智能感應的控制，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(kāi)關(guān)燈時(shí)間，開(kāi)關(guān)燈的數量和過(guò)高的照明亮度，這點(diǎn)就需要通過(guò)照明控制實(shí)現，即ZigBee技術(shù)。本文正是從這兩個(gè)方面為出發(fā)點(diǎn)設計了此系統。

　　通常，LED照明控制系統包括：傳感器單元、無(wú)線(xiàn)收發(fā)與處理器控制單元、LED驅動(dòng)電路與照明單元、控制中心路燈監控與管理系統單元。本系統采用樹(shù)型無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )拓撲結構對路燈進(jìn)行多條路由控制，系統里控制中心的監控系統作為整個(gè)系統的協(xié)調器，若干個(gè)FFD設備作為路由節點(diǎn)，RFD設備作為系統的終端節點(diǎn)。網(wǎng)路協(xié)調器負責建立網(wǎng)絡(luò )和管理網(wǎng)絡(luò )，顯示相關(guān)的控制信息和當前路燈自動(dòng)控制無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統狀況。FFD路由節點(diǎn)可以安裝在道路旁邊，連接成串狀作為無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)的中繼控制器，可以轉發(fā)下一級的每個(gè)節點(diǎn)上傳的信息，達到遠程控制的目的。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(kāi)和關(guān)閉。為了降低成本，RFD節點(diǎn)作為系統中的末端節點(diǎn)放置在路的盡頭。它按照接收到的無(wú)線(xiàn)信號指令控制自己的路燈狀態(tài)。

　　5 LED照明控制系統的硬件設計

　　無(wú)線(xiàn)智能照明系統的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)分為協(xié)調器、路由器和終端節點(diǎn)3種。其中，協(xié)調器的硬件結構框圖如圖1所示。

　　圖1協(xié)調器的硬件框圖

　　協(xié)調器節點(diǎn)帶有4個(gè)獨立按鍵，用來(lái)設置整個(gè)系統的參數和發(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(kāi)關(guān)量直接完成對照明燈的開(kāi)關(guān)控制。另外，協(xié)調器節點(diǎn)還帶有亮度傳感器，用于感測現場(chǎng)的亮度信息。當亮度傳感器測得光線(xiàn)太亮，如晴朗的白天，即可自動(dòng)關(guān)閉路燈，當亮度傳感器測得光線(xiàn)太暗，如夜晚或者陰雨天，即可調高路燈亮度。

　　系統只需在一個(gè)節點(diǎn)上集成亮度傳感器，即可通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò )向各個(gè)燈節點(diǎn)傳輸控制信息，實(shí)現對整個(gè)照明系統的智能控制、成本低廉，也可以一個(gè)節點(diǎn)上增加多個(gè)傳感器備用。當然也可以將亮度傳感器做成一個(gè)單獨的ZigBee網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，用于感測現場(chǎng)不同位置的亮度信息。圖2是系統的硬件電路圖。

　　圖2系統的硬件電路圖

　　本設計采用CC2430無(wú)線(xiàn)通信模塊，CC2430芯片是首款符合ZigBee技術(shù)標準的系統單芯片，片內集成增強的8051微控制器內核和符合IEEE802.15.4標準的2.4 GHz射頻收發(fā)器，具有優(yōu)良的無(wú)線(xiàn)接收靈敏度和強大的抗干擾性能，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機制，還集成有ADC，AES安全協(xié)處理器和USART等片上外設及豐富的I/O口資源，只需添加晶振等少量的元器件即可完成ZigBee節點(diǎn)的設計。由于CC2430中帶有一個(gè)8位的8051微控制器，所以在硬件設計中可以省去了微控制器模塊，降低傳感器節點(diǎn)的成本，減小傳感器節點(diǎn)的體積。但是此設計中加入微控制器模塊，為了適應更高的性能要求。CC2430的射頻信號是采用差分方式，本設計采用50Ω單極子天線(xiàn)。

　　本設計采用LX1970可見(jiàn)光亮度傳感器。

　　LXl970是一種能實(shí)現人眼仿真的集成化的可見(jiàn)光亮度傳感器，峰值發(fā)光波長(cháng)為520 nm，電流靈敏度為0.38uA/lx，暗電流為10 nA.非線(xiàn)性誤差小，重復性好。兩個(gè)互補輸出端的電流不對稱(chēng)度僅為士0.5%，可任選一端作為輸出。外圍電路簡(jiǎn)單，價(jià)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照明控制系統的軟件設計

　　軟件設計基于TI公司推出的跟CC2430芯片配套的Z-Stack協(xié)議棧和IAR集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。Z-Stack在業(yè)內處于領(lǐng)先水平，目前還在不斷完善和增強，其最新版本Z-Stack 1.4.2，通過(guò)ZigBee測試機構德國萊茵集團的ZigBee兼容性測試，符合Zig-Bee 2006 specification，已被全球眾多ZigBee應用開(kāi)發(fā)廠(chǎng)家所采用，支持多種硬件平臺。

　　在智能型LED路燈控制無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )工作的過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器會(huì )定時(shí)檢測有無(wú)按鍵按下，用以執行相應的電源開(kāi)關(guān)命令。網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器處于空閑狀態(tài)時(shí)，會(huì )監聽(tīng)空中的無(wú)線(xiàn)信號，判斷有無(wú)新的節點(diǎn)要加入網(wǎng)絡(luò )，有則為其分配網(wǎng)絡(luò )地址?？紤]到現場(chǎng)需要，協(xié)調器還可以控制某路段的燈亮，由其發(fā)送指令的目標地址所決定。FFD節點(diǎn)通常處于監控狀態(tài)，如果接收到電源開(kāi)關(guān)的命令，則執行命令，并確定是否轉發(fā)，同時(shí)