基于ZigBee的智能型LED路燈照明系統設計

摘要：時當前LED路燈照明與傳統路燈照明進行了比較，將ZigBee技術應用于LED路燈照明系統，組建了Zig-Bee無線傳感器網絡。詳細設計了該系統的硬件電路及軟件。經對比，此系統比傳統系統在節(jié)省布線，降低成本方面有顯著的優(yōu)勢。

隨著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(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技術以其低功耗、通信可靠、網絡容量大等特點為路燈自動控制領域提供了較合適的解決方案。LED路燈節(jié)能控制系統就是通過采用ZigBee技術與各種新型傳感器、功率控制器結合，實現路燈的智能控制，節(jié)約了大量能源。

1 ZigBee技術簡介

隨著數字通信和計算機技術的發(fā)展，無線技術的網絡化、標準化要求逐漸出現在人們面前，ZigBee技術便是其中之一。ZigBee技術是依據IEEE802.15.4標準的一種短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術，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，在數千個微小的傳感器之問相互協調實現通信。

ZigBee采用了2003年發(fā)布的IEEE802.15.4協議標準作為其物理層和媒體接入(MAC)層的標準協議。2001年8月成立的ZigBee技術聯盟為不同廠家生產的設備提供了統一的解決方案，解決其相互問的兼容性問題。ZigBee技術的網絡層由ZigBee技術聯盟制定，應用層則由用戶根據自己的應用需要對其開發(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關燈的時間表手動進行開關燈的操作，時控方式是以時間作為開關燈的唯一根據，電力載波控制易受電力線強磁場的干擾，GSM短消息控制必須通過手機，費用較高。上述五種傳統的路燈控制方式存在的問題是：運行操作結果不能集中監(jiān)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技術結合傳感器技術組成的網絡同樣解決傳統控制中存在的問題：1)選用特殊的亮度傳感器可以實時采集光亮強度，大大降低了特殊環(huán)境，特殊時間誤開誤關的幾率，脫離了人工干預。2)ZigBee技術采用直接序列擴頻技術，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，延時短，協議框架簡單，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(guī)劃明確提出了節(jié)能減排的主要目標，單位國內生產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(jié)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30億個燈泡和日光燈管，產生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發(fā)中，根據十一五規(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)電照明系統將是一個重要內容。

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(guī)模應用的過渡階段。但是隨著產品穩(wěn)定性的提升和產品價格的下降，I.ED路燈具有非常強的成長性。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(jié)能50%以上)，4)長壽命(有效使用壽命長達70 000h)，5)智能控制，免維護，環(huán)保無污染等。

4 LED照明控制系統的總體設計

照明控制的節(jié)能是全球普遍關注的問題，照明節(jié)能一般可以通過兩條途徑實現：一是使用高效的照明裝置(例如光源，燈具和鎮(zhèn)流器)，二是智能感應的控制，在需要照明時使用，不需要照明時關斷，盡量減少不必要的開關燈時間，開關燈的數量和過高的照明亮度，這點就需要通過照明控制實現，即ZigBee技術。本文正是從這兩個方面為出發(fā)點設計了此系統。

通常，LED照明控制系統包括：傳感器單元、無線收發(fā)與處理器控制單元、LED驅動電路與照明單元、控制中心路燈監(jiān)控與管理系統單元。本系統采用樹型無線網絡拓撲結構對路燈進行多條路由控制，系統里控制中心的監(jiān)控系統作為整個系統的協調器，若干個FFD設備作為路由節(jié)點，RFD設備作為系統的終端節(jié)點。網路協調器負責建立網絡和管理網絡，顯示相關的控制信息和當前路燈自動控制無線網絡系統狀況。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，可以轉發(fā)下一級的每個節(jié)點上傳的信息，達到遠程控制的目的。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閉。為了降低成本，RFD節(jié)點作為系統中的末端節(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照明控制系統的硬件設計

無線智能照明系統的網絡節(jié)點分為協調器、路由器和終端節(jié)點3種。其中，協調器的硬件結構框圖如圖1所示。

圖1協調器的硬件框圖

協調器節(jié)點帶有4個獨立按鍵，用來設置整個系統的參數和發(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絡狀態(tài)信息。微控制器輸出開關量直接完成對照明燈的開關控制。另外，協調器節(jié)點還帶有亮度傳感器，用于感測現場的亮度信息。當亮度傳感器測得光線太亮，如晴朗的白天，即可自動關閉路燈，當亮度傳感器測得光線太暗，如夜晚或者陰雨天，即可調高路燈亮度。

系統只需在一個節(jié)點上集成亮度傳感器，即可通過ZigBee網絡向各個燈節(jié)點傳輸控制信息，實現對整個照明系統的智能控制、成本低廉，也可以一個節(jié)點上增加多個傳感器備用。當然也可以將亮度傳感器做成一個單獨的ZigBee網絡節(jié)點，用于感測現場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無線通信模塊，CC2430芯片是首款符合ZigBee技術標準的系統單芯片，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)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性能，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機制，還集成有ADC,AES安全協處理器和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(jié)點的設計。由于CC2430中帶有一個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(jié)點的成本，減小傳感器節(jié)點的體積。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。