基于zigBee技術(shù)的路燈節能監控系統

路燈系統是城市基礎設施的組成部分，是與人們日常生活緊密相關(guān)的市政公共設施。同時(shí)綠色照明是當今照明界的必然趨勢，隨著(zhù)城市化進(jìn)程的加快和城市規模和數量的擴大，照明消耗，照明電費日益高漲，加劇了我國日趨緊張的能源供應。因此建立路燈節能監控系統實(shí)現了路燈的集中控制、檢測與管理。結合相應的控制網(wǎng)絡(luò )確保按時(shí)、按需點(diǎn)亮每盞路燈，并能有效的節省路燈的用電，延長(cháng)燈泡的壽命，降低維護的成本，是現代能效型社會(huì )的目標。

　　當前路燈節能系統組網(wǎng)的方案中有基于電力線(xiàn)載波通訊的組網(wǎng)方式，GSM短消息控制。ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離、低速率無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。目前已經(jīng)廣泛應用于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )監控行業(yè)，并取得了較好的效果。提出了基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的通訊系統。在降低成本的同時(shí)能夠克服電力線(xiàn)載波通訊中不能換相的問(wèn)題，另外使用Mesh網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通訊保障了無(wú)線(xiàn)通訊的可靠性。

　　1 系統方案以及ZigBee技術(shù)

　　在ZigBee網(wǎng)絡(luò )中的設備分為FFD(全功能設備)和RFD(簡(jiǎn)化功能設備)兩種。FFD可以作為協(xié)調器和路由器使用，可以和FFD設備和RFD設備之間進(jìn)行通訊；主要負責網(wǎng)絡(luò )的組建和維護以及路由。RFD設備一般為終端節點(diǎn)，互相之間不能通訊，完成信息的發(fā)送和接收。

　　ZigBee網(wǎng)絡(luò )支持星型網(wǎng)、集群樹(shù)狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)三種拓撲。網(wǎng)狀網(wǎng)是一種高可靠性的AdHoc網(wǎng)絡(luò )，與集群樹(shù)狀網(wǎng)不同的是，具有路由功能的節點(diǎn)之間可以進(jìn)行通訊，從而網(wǎng)狀網(wǎng)通過(guò)自組織和無(wú)線(xiàn)線(xiàn)路的功能可以提供多個(gè)數據通路。當最優(yōu)路徑出現故障時(shí)，冗余的其他通路提供相應的路徑。因此網(wǎng)狀結構縮短了信息傳輸的延遲并提高了通訊網(wǎng)絡(luò )的可靠性。

　　路燈節能監控系統是由三層網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現的，如圖1所示。

圖1系統網(wǎng)絡(luò )結構框圖

　　其中監控層主要有PC機完成系統的上位機監控畫(huà)面，以及控制指令的交互設計。中間層由每個(gè)子網(wǎng)的協(xié)調器組成，通過(guò)GPRS通訊技術(shù)將子網(wǎng)內的數據信息傳送到系統上位機。最后子網(wǎng)內采用ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現路燈之間的通訊。將每個(gè)街道劃分為一個(gè)子區域，將街頭的路燈設置為協(xié)調器，其他的路燈節點(diǎn)設置為路由節點(diǎn)，最后通過(guò)ZigBee協(xié)議棧中的網(wǎng)絡(luò )層來(lái)實(shí)現Mesh網(wǎng)絡(luò )的構建。從而保證將每個(gè)節點(diǎn)上的信息及時(shí)地發(fā)送到相應的協(xié)調器。

　　2 控制器節點(diǎn)設計

　　控制器節點(diǎn)是組成網(wǎng)絡(luò )的基本，是網(wǎng)絡(luò )通訊的載體，是系統中的關(guān)鍵。其主要功能是實(shí)現信息的采集、無(wú)線(xiàn)通訊以及系統的控制。主要包括軟件設計和硬件設計。

　　2．1 控制器節點(diǎn)硬件設計

　　該節點(diǎn)以CC2430為主要的硬件平臺實(shí)現系統的設計。CC2430是Chipcon公司推出的用來(lái)實(shí)現嵌入式ZigBee應用的片上系統。在整個(gè)芯片上集成了模擬數字轉換器、定時(shí)器和AES協(xié)同處理器等其他外設。支持2．4 GHz，IEEE 802．15．4／ZigBee協(xié)議。

　　路燈控制器主要由電壓電流采集模塊、功率調節模塊、無(wú)線(xiàn)通訊模塊和CC2430組成。其中電流電壓采集模塊是通過(guò)相應的采集電路將信號調理到0～5 V之間的信號，利用CC2430中的ADC模塊來(lái)進(jìn)行采樣，從而獲得路燈當前的電流和電壓的信息；功率調節模塊是由IR2159電子整流器組成的，利用CC2430中的定時(shí)器來(lái)輸出占空比不同的脈沖，調節DIM引腳上的電壓，從而調節路燈的照明亮度。最終實(shí)現對路燈的監控。圖2為CC2430的原理圖。

圖2 控制節點(diǎn)部分硬件原理圖

　　AIN0為電壓采集通道，AIN1為電流采集通道。SD，FMIN，DMIN分別對應IR2159電子整流器的三個(gè)控制引腳。其中SD為控制電子整流器的開(kāi)關(guān)，FMIN為當前電子整流器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，DMIN為IR2159的模擬調光接口，來(lái)控制光線(xiàn)輸出的亮度。

　　2．2 軟件設計

　　在控制節點(diǎn)之間，利用ZigBee通訊組成自組織的Mesh網(wǎng)絡(luò )。該設計采用TI公司發(fā)布ZigBee的協(xié)議棧，來(lái)簡(jiǎn)化系統的軟件部分設計，其中程序的主要組成包括協(xié)議棧的配置以及驅動(dòng)函數的編寫(xiě)。

　　軟件部分是在IAR環(huán)境中OSAL操作系統上編程。首先在用戶(hù)應用層中初始化相關(guān)節點(diǎn)信息的配置以及相關(guān)事件處理的函數；然后在系統中添加任務(wù)。

　　在節點(diǎn)的配置過(guò)程中，首先確定應用中的設備類(lèi)型，并為每個(gè)設備分配一個(gè)設備ID。然后確定設備間通訊的命令以及和每個(gè)設備的對應關(guān)系。創(chuàng )建簡(jiǎn)單設備描述符結構，最后編寫(xiě)相關(guān)的應用程序，確定綁定方案，使設備能夠正確的交換數據包。

　　在系統中終端為監控設備，應該配置為路由節點(diǎn)。從而實(shí)現Mesh網(wǎng)絡(luò )的組建。

　　終端設備包含兩個(gè)命令，它們分別是：輸入當前路燈狀態(tài)，主要是用來(lái)反饋當前路燈的電壓值和電流值，從而得到路燈的實(shí)時(shí)狀況；另外一個(gè)是，關(guān)于上位機對下位機的輸出控制指令來(lái)控制路燈的亮度以及開(kāi)關(guān)。最終可以直接利用命令來(lái)控制各個(gè)功能的實(shí)現，從而保證了數據的安全性和通訊的可靠性，同時(shí)提高系統的通訊效率。

　　ZigBee中使用設備描述符數據結構來(lái)描述它們自己，包括在這些描述中的實(shí)際數據被定義在個(gè)人的設備描述符。

　　根據不同的命令實(shí)現相應的程序，在系統中主要包括對應NOW_STATE_CMD_ID命令的A／D采樣程序，得到路燈當前的電流以及電壓情況；以及LIGHT_CMD_ID命令的執行函數通過(guò)命令信息的數值調節IR2159的模擬信號輸入值，最終調節路燈的亮度。

　　最后進(jìn)行控制信息從一個(gè)應用層到另一個(gè)應用層的綁定操作。綁定后允許應用層發(fā)送信息而不帶目的地址，APS層從它的綁定表格中確定目的地址，然后在信息前段加上這個(gè)目的地址或組地址。在路燈控制的過(guò)程中，其監控信息具有一定的群操作性。所以將每個(gè)節點(diǎn)的命令綁定每個(gè)終端控制節點(diǎn)并將其配置為路由節點(diǎn)，將每個(gè)區域的區域節點(diǎn)配置為協(xié)調節點(diǎn)。這樣按照一定的啟動(dòng)順序后，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò )啟動(dòng)以及網(wǎng)絡(luò )搜尋和加入，最終利用協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò )層可以組成相應的Mesh網(wǎng)絡(luò )。設備的程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

　　3 分析結果

　　在以上終端設計的基礎上實(shí)現了Mesh網(wǎng)絡(luò )的建立、通訊以及互操作性的測試，解決了網(wǎng)絡(luò )結構不穩定的問(wèn)題。實(shí)驗表明能夠在部分路燈節點(diǎn)出現故障時(shí)，同樣能夠將所需的信息傳送到協(xié)調器上，同時(shí)由于采用的是Ad Hoc路由算法為最優(yōu)路徑，傳輸時(shí)間有所減小。在此平臺上設計，路燈的照明方案實(shí)現對路燈信息的實(shí)時(shí)監控，從而達到節能的目的。

　　4 結論

　　介紹了基于ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的路燈節能監控系統，結合路燈分布的特點(diǎn)設計出無(wú)線(xiàn)的監控方案，在方便安裝的同時(shí)解決了電力線(xiàn)載波的跨相的同時(shí)，提高了系統的穩定性。滿(mǎn)足了節能路燈的通訊要求，最終解決了路燈節能系統的節電問(wèn)題，系統中具有智能化，信息化的特點(diǎn)，在滿(mǎn)足人們照明要求的同時(shí)，避免了不必要的用電浪費，最終實(shí)現了節能的目的。