基于ZigBee的路灯控制器设计与实现

郑 洁 秦会斌

(杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所，浙江杭州 310018)

1 引言

近年来，随着城市道路照明现代化进程的加快，路灯监控系统受到很大关注。国内外已经出现了大量路灯监控系统方案，例如:采用GSM无线公共网短消息、基于PLC、基于组态王及GPRS通讯、基于Lonworks等［1］。然而这些方案实施复杂，费用也不低廉，而ZigBee技术是一种基于IEEE 802.15.4的物理层和媒体访问层标准，与其他短距离无线协议相比，具有功耗低、可靠性高、复杂度低、支持大量网络节点和运行费用较低等显著优点，非常适合在城市路灯系统中应用［2～3］。本文提出了一个基于ZigBee的路灯控制器设计方案，可以有效的解决当前路灯控制的智能化水平低、电能消耗大以及照明利用率低等问题，有着广阔的应用前景。

2 ZigBee技术简介

ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信新技术。主要适用于数据吞吐量小、网络建设投资小、网络安全要求高、耗电低的场合［4］。

从技术性能来看，ZigBee具有如下特点:

可靠:由于其物理层采用了扩频技术，能够在一定程度上抵抗干扰。MAC应用层 (APS部分)有应答重传功能。MAC层的CSMA机制使节点发送前先监听信道，可以起到避开干扰的作用。

时延短:针对时延敏感的应用做了优化，一般时延只有15至30毫秒。

功耗低:低耗电模式下，2节5号电池可支持1个节点工作6至24个月，相比而言蓝牙能工作数周，Wi-Fi只能工作数小时，这是ZigBee的突出优势。

成本低:协议简单，代码量少，且不收专利费，每个芯片大概为两美元。

低速率:工作在20～250 kbps的较低速率，专注于低传输应用。

距离近:传输范围一般介于10～100 m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1～3 km。

容量大:可支持高达65000个节点。

保密性好:采用64位出厂编号，支持AES-128加密。

频段灵活:使用的频段分别为2.4GHz(全球)、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，而且均为免执照频段［5］。

3 智能路灯系统的结构与简介

智能路灯系统由服务器、客户端、主控器和路灯控制器组成。客户端通过以太网连接到服务器上，主控器通过GPRS与服务器连接，主控器与路灯控制器之间是通过ZigBee无线网进行通讯。主控器上既包含了GPRS模块，也包含了ZigBee模块，从而完成数据在服务器与路灯控制器之间的传输。

该系统可以实现远程控制路灯的开关、调光，定时开关，并监测线路的电压、电流，超过设定的阈值会向用户报警。而且可以实现路灯的奇开偶开，在深夜的时候，设定只开启其中一部分的路灯，能够减少当行人、车辆稀少时所造成的不必要的电能浪费。

路灯控制器ZigBee无线网络中的执行单元，每个控制器控制一盏路灯，多个控制器相互协调工作，共同组成一个无线网络，是该系统中的一个关键和难点。路灯控制器具有无线通讯功能、控制执行功能和信息采集功能。该控制器不但是消息的接收器，还是消息的转发器，他可以把收到的要发送到其他控制器的消息转发出去，从而实现消息的远距离传输。他可以控制LED路灯的开关以及亮度值，而且能实时采集线路上的电压、电流，超过阈值会报警。

4 硬件设计

该控制器分模块化进行设计，其中包括CC2530核心模块、电源模块、电压电流检测模块以及LED控制模块。

该路灯控制器是以CC2530为核心芯片设计的。CC2530是TI公司推出的用于嵌入式应用的片上系统，是使用IEEE 802.15.4标准、ZigBee和ZigBee RF4CE的一个片上系统解决方案。CC2530内部已集成了一个8051微处理器与高性能的RF收发器。CC2530能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点，拥有较大的Flash，其存储容量多达256KB，它是理想的ZigBee专业应用芯片［6］。CC2530比他之前推出的CC2430有更大的Flash，更小的体积，更低的功耗，而且拥有更大的最大发射功率和更好的灵敏度，使得他能够传输更远的距离。使用CC2530，两个节点间的距离能够达到100米左右，再加上CC2591，可以传输1千米到2千米。

为了给控制器供电，设计了一个两路5W输出12V的开关电源，其中一路经HT7533稳压芯片后输出3.3V给CC2530供电，另一路给PWM调光模块提供一个隔离的12V电源。该电源将220V的市电经整流滤波后，用开关电源芯片TNY277PN逆变成高频交流电，以TL431组成的相关电路作为基准稳压源，与光耦LM817配合实现电压的负反馈。其设计如图1所示。

电压电流检测，可以先通过测得其峰峰值，再转化为有效值，就能够知道电流电压的大小。为了获得峰峰值，主要的方式有平均值检波，准峰值检波，峰值检波。平均值检波最大特点是检波器的充放电时间常数相同，特别适用于对连续波的测量。准峰值检波方式进行测试的主要问题是测量时间长。峰值检波的充电时间常数很小，即使是很窄的脉冲也能很快充电到稳定值，由于电路的放电时间常数很大，检波的输出电压可在很长一段时间内保持在峰值上。由于峰值检波的特点，所以在这里采用峰值检波。峰值检波，主要由二极管电路和电压跟随器组成，当输入电压正半周时，二极管导通，对电容充电，当输入负半周时，二极管截止，电容即不充电也不放电，保持在之前的最大值。先用电压互感器、电流互感器将大信号转换为小信号，再利用峰值检波原理，将交流电转换为其峰值，然后经过CC2530的模数转换，得到线路的电压、电流值。其具体设计如图2、图3所示。

图1 电源模块

图2 电压检测模块

图3 电流检测模块

LED控制模块包括继电器模块和调光模块。两路继电器电路可以控制两盏LED路灯的开关。当CC2530的P1_5输出低电平，三极管截止，继电器断开，路灯熄灭;当P1_5输出高电平，三极管饱和，继电器吸和，路灯点亮。两路调光电路可以控制两盏LED路灯的亮度，而且每路都可以实现PWM调光和可控硅调光。CC2530的P0_3输出200Hz占空比可以从1%～100%的PWM。当P0_3为高电平，三极管Q71饱和导通，光耦导通，三极管Q72也饱和导通，MV1输出0V;而当P0_3为低电平，三极管Q71截止，光耦断开，三极管Q72也截止，MV1输出12V。如此，就可以在MV1端得到一个200Hz的PWM。而且通过二极管整流、稳压，可以输出0～12V的直流，满足不同路灯的要求。其设计电路如图4、图5所示。

图4 继电器模块

5 程序设计

ZigBee的网络拓扑结构可分为:网状结构、星型结构和树状结构［7］，考虑到网状结构能够缩短信息传输的延迟和提高通信网络的可靠性［8］，因此智能路灯系统中的网络拓扑可以采用网状结构，使用路由功能传输。

路灯控制器不仅有控制功能，还有查询与报警功能。其程序实现方式如下。控制器在经过一系列的初始化之后，便会搜索网络并加入。在这之后对电压、电流采样，如果超过设定的阈值，就会发送报警消息到协调器。接下来会判断是否有收到来自协调器的命令。如果收到协调器的开关命令，通过操作继电器来打开或者关闭LED路灯;如果收到的是调光命令，利用调光驱动来调节路灯的亮度;当收到的是查询命令，可以根据需要把当前的LED开关情况、调光值以及电压电流值发送到协调器。如果没有收到任何命令的话，就会重新采样电压、电流，如此一直循环。具体流程图如图6所示。

图5 PWM调光模块

图6 流程图

为了使路灯控制器与主控器能够通讯，制定了自己的通讯协议，其中包括发送命令和返回命令，帧结构如表1、表2所示。

表1 发送命令帧结构

表2 返回命令帧结构

帧结构的各个部分含义如下:

◆起始符:标识一帧的开始。

◆目的识别:表示该命令是单播、组播、还是广播。

◆目的地址:目的控制器上CC2530的IEEE地址。

◆命令分类:区分命令的类型。

◆命令对象:表示命令的执行对象是什么，比如继电器、调光等。

◆动作类型:动作的类型，比如开、关。

◆动作要求:动作的具体值，比如调光的数值。

◆校验码:异或校验。

◆结束符:标识一帧的结束。

◆器件类型:发送返回命令的控制器的器件种类，如路由器、终端设备等。

◆源地址:发送返回命令的控制器上CC2530的IEEE地址。

◆数据内容:等同于动作要求，是返回的具体值。

6 实验结果

实物图如图7所示。右边是220V输入端，右下角是电源部分，中间是CC2530模块，左边是控制模块。该控制器成本低，功耗小，工作稳定，通讯距离可达1千米，具有很高的应用价值。

图7 实物图

7 结论

根据实际需要完成了智能路灯系统的路灯控制器设计与实现，该控制器在提高照明系统的信息化、智能化程度的同时，还大大降低了电能的浪费，符合国家节能减排的发展战略，定会在智能交通领域得到广泛应用。

［1］高飞，祝昌汉，林若慈.新能源及其在建筑照明上的应用 ［J］.照明工程学报，2010，6.

［2］蒋培兴.基于AT98C52的大功率太阳能LED路灯电路设计与仿真 ［J］.照明工程学报，2009，4.

［3］吴春海，吴贵才.太阳能在城市照明的应用前景［J］.照明工程学报，2005(2):31～34.

［4］赵望达，陈建国.基于MSC1210Y的铁路道口安全防护无线预警系统设计 ［J］.电子质量，2005(12).

［5］高建辉.基于ZigBee和移动平台的家庭网络巡警系统［D］.北京:中国地质大学，2011.

［6］汤镇辉，张正明.基于CC2530的ZigBee无线路灯节能智能监控系统 ［J］.微型机与应用，2011(19):81～83.

［7］李文仲，段朝玉.ZigBee2007/PRO协议栈实验与实践［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2009.

［8］王亚兰.路灯节能器的研究 ［D］.武汉:武汉理工大学，2008.