基于ZigBee网络的路灯节能控制系统

摘 要： 照明设备对我们的生活生产中起着无可替代的作用，照明系统的控制同样至关重要。当前中国很多大城市的路灯能源的浪费问题比较严重，每年的路灯电费及管理费都是政府财政一项巨额支出。创造一种在社会效益与经济效益上能够两全其美的控制系统已成为城市路灯照明系统亟待解决的问题。首先介绍ZigBee技术及基于此技术提出的路灯节能控制系统方案，然后分析路灯控制器节点的软件、硬件设计，最后展示该路灯节能控制系统的分析结果及应用效果。

关键词： ZigBee技术；路灯控制器节点；软件设计；节能控制

中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0220056－02

我们的生产生活离不开照明设备，而照明设备的控制系统也是照明系统和建筑控制系统中一个相当重要的组成部分。但是现在世界人口日益增加，能源使用量不断增加，能源利用率却一直没有多大提高，能源浪费情况严重，这使得能源缺乏的形势更加严峻，因此路灯节能控制系统的重要性不言而喻。而我国城市化范围的日益增大，城市路灯照明系统的覆盖面积不断扩张，导致我国能源供应的形势更加严峻，所以，完成改善路灯照明控制系统以节约能源的任务已迫在眉睫。目前，我国的路灯照明系统普遍存在着各种问题，包括路面照度分布不均匀、智能化程度低等。这些问题使得部分人们出行不便，而城市路灯能源的利用率也被拉低。建立一种以ZigBee网络为基础的路灯节能控制系统让路灯的集中检测、控制及管理成为现实需求，进而可达成路灯节能控制系统的智能、可靠、高效、低成本的目的。

1 Zigbee技术及系统方案

ZigBee节点所采用的是Atmega128L低功耗微处理器芯片，TI的CC2420芯片用于射频部分，并且扩展存储所使用的FLASH存储器也是低功耗的。ZigBee节点主要作用是采集瓦斯浓度数据，并将其向ZigBee节点组基站进行发送。ZigBee节点是由五部分构成的，分别是：传感器模块、Atmega128L单片机模块、CC2420收发模块、存储模块以及电源管理模块。

ZigBee技术是一种近距离、低成本、低功耗、低速率、低复杂度的双向无线通讯技术。现今，它已被大量运用于功耗低、距离短并且传输速率不高的各种电子设备之间的数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输。它具有低功耗（两节5号电池可以维持ZigBee设备长达6个月到2年的使用时间）、低成本（ZigBee模块的初始成本不到6美元，并且其成本仍在不断下降中，而ZigBee协议还是免专利费的）、安全、可靠、时延短（从休眠状态激活的时延和通讯时延都非常短）、网络容量大（一个Zigbee网络最多可以容纳一个主设备及254个从设备，且一个区域内最多可以同时存在100个ZigBee网络）等特点。ZigBee技术的建立是以定义了MAC层和PHY层的IEEE 80211514标准为基础的。它的设备联网功能十分优越，可以支持簇状结构、网状结构和星型结构三种自组织无线网络。而其中的网状结构更是拥有安全、可靠、健壮性、平衡负载、自行建网功能等优点。

本路灯节能控制系统的数据传输媒体是GPRS技术与ZigBee技术相结合的无线网络结构。该结构如图1所示。

本路灯节能控制系统运用两层无线网络，即GPRS和ZigBee。为了达到控制路灯节约能源，并且为其他无线节点进行信息中继的目的，需要在路灯的灯杆上安装路由节点。另外，本系统还采用ZigBee的网状拓扑结构，以确保ZigBee子网中有足够的内置，这样就可以在网络中有节点离开网络，没有办法正常运行时，自行把节点的数据转接到另一个节点上。系统的可靠性、健壮性以及稳定性都可以得到保证，也兼顾了道路照明系统的特殊性，即其长链型的网络拓扑结构。ZigBee网络协调器的责任就是建立以及管理网络，形成ZigBee子网。通过GPRS无线网络，各ZigBee子网都能够实现与远程控制中心的相连以组成大区域的控制网络。

2 系统控制器节点设计

本路灯节能控制系统的关键及难点都在于节点的设计。ZigBee无线控制网络的一个单元就是一个节点，网络系统的通讯靠它承载，它是整个系统的基础，无线控制网络就是由许多个节点间相互协调分工组成的。路灯的控制节点主要起着采集信息、执行控制及无线通讯的作用，而节点设计主要就是硬件设计以及软件设计。

2.1 控制器节点硬件设计

该节点是基于CC2430作为硬件平成的系统设计。CC2430是Chipcon公司推出的在单个芯片上集成了模拟数字转换器、定时器、ZigBee射频（RF）前端、AES128协同处理器及其他外设以用来实现嵌入式ZigBee应用的片上系统，它支持214GHz IEEE 80211514/ZigBee协议。电源模块、过温与过电流保护模块、功率自动调节模块、CC2430模块、电流电压测量模块这五个模块组成路灯的控制器节点。其结构体系如图2所示。

由电流电压互感器组成的电流电压测量模块是通过相对应的采集电路利用CC2430模块中的采样来获取电路中当前的电流电压等电力参数。设置过温与过电流保护模块的目的是保护控制器节点安全，它可以自动检测出一些有害的突发事件，如供电故障、控制异常以及跳闸等，并且能够迅速把检测到的警报数据上传到远程控制中心。功率自动调节模块由IR电子整流器组成，根据由微控制器发出的信号，它可以经由控制继电器开关来改变接入电路中的节能电感量，从而可以达到功率闭环调节的目的。

2.2 控制器节点软件设计

由于ZigBee通信组成的Mesh网络具有自组织与自愈合的特性，控制节点间能够自动形成网络。为了达到简化软件设计部分的目标，本系统在ZigBee无线通讯这一部分采用IT公司的ZigBee协议栈。

在配置仪器节点之前，我们必须对相关的节点的信息进行初始化，对其进行事件函数的设定，在这个基础之上，才能在系统中使用命令。这个软件开发是以OSAL操作系统为基础进行编程的。在配置节点的时候，首先必须搞清楚各设备之间的相互关系和层级关系，例如各设备自己特有的ID号码，就像每个公民的身份证一样，必须是独特的，不能有相同的，这样才能进行管理，做到不重不漏。还有设备是属于什么类型的，不同类型的设备不能进行搭接或者需要转换仪器。因为设备台数增多的话会带来一个很大的问题就是接线的管理。我们会经常看见在一个机房会有很多的接线、电源线、数据线等等，如果整理的不好的话这些接线我们将无法管理，一旦出了问题，我们便无从修理。所以我们必须对设备进行简单的描述统计，确定它们之间的结构之后再开始编写程序，做到连接清晰有条理，从而确保设备之间的正确高效运作。

在所有的设备中，必须要有一个终端设备。在系统中就是监控设备，它必须占用一个路由节点，否则无法对其它的设备进行数据的传递从而进行控制。我们在设计终端设备的时候，必须要具备如下的两个功能才能作为一个合格的终端设备。第一个就是可以查看各个路灯的实时状况，对全体的节点进行一个整体的掌握；第二个就是可以对各个节点进行命令控制，可以由一个终端设备对所有的设备进行控制，实施它们的功能，方便统一管理。软件的设计原则就是创建不同的函数，并通过不同的函数命令来产生相应的功能。

最后控制的函数命令从一个应用层传送到另外一个层进行设备的绑定。每个节点的控制命令绑定一个终端设备的节点，进而把它变成一个一个路由节点。这些命令都属于批处理命令，就是发出一个命令，众多的设备可以同时进行操作，具有大批设备同时进行操作就叫做批处理，相应的命令就叫做批处理命令。这样大大的提高了工作的效率，减小了时间的消耗。操作之后将每个区域节点便调整为协调节点。把启动的顺序设定好之后，网络便可以正常启动，各数据层通过各种命令协调的组成了一个完整的Mesh网络。命令在设备中的流程如图3所示。

3 测试结果及应用效果

为了验证系统硬件设计及软件设计的可靠性，我们利用Chipcon公司的IEEE 80211514/ZigBee协议分析仪以上述路灯节能控制系统中节点的设计为基础，对ZigBee控制器进行了一些必要的测试，如通信、组网、互操作性等。测试表明，控制器节点的硬件设计、软件设计均能够满足系统设计的要求。该路灯节能控制系统不仅大大缩短了通信延时，还攻克了传统的无线控制网络中的通讯不稳定的难题。实验还表明，在某些路灯节点因故障不能正常工作的情况下，所需信息也照样可以被上传到协调器上，并且减少传输所花费的时间。该设计因实现了路灯照明方案对路灯信息的实时控制而取得了节约能源的效果。经测试，本系统在实际的道路照明系统应用中能够取得高达百分之四十的节能率，很好的实现了节约能源的目的，达到了不错的节能效果。

总而言之，以ZigBee技术为基础的路灯节能控制系统把基于ZigBee技术与GPRS网络技术相结合，在满足人们对道路照明需求的前提下成功地避免了不必要的照明电能的损耗。经测试，它可以在很大程度上节约能源，并提高了系统的稳定性、可靠性，实现了城市道路照明系统的信息化、智能化。随着世界人口的不断增加，能源危机的形势日趋严重，节约能源已经势在必行，因而路灯节能系统是未来城市照明系统发展的必然趋势。而随着ZigBee技术的广泛应用，其成本也会因该技术的日趋成熟而不断降低。因此，以ZigBee技术为核心的路灯节能控制系统的应用前景十分广阔。

参考文献：

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