ZigBee無線路燈監(jiān)控系統(tǒng)

張春燕，朱小本，熊吉駱

（1.陜西省銅川市新區(qū)路燈管理所，陜西 銅川 727000；2.杭州瑞琦信息技術(shù)有限公司，杭州 310012）

據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，目前城市公共照明在我國(guó)照明耗電中占30%的比例，約439億kWh，以平均電價(jià)0.65元/kWh計(jì)算，一年開支達(dá)285億元，成為各地財(cái)政部門的一大負(fù)擔(dān)。隨著我國(guó)城鄉(xiāng)一體化建設(shè)和城市化建設(shè)的不斷深入，對(duì)道路照明擴(kuò)展規(guī)模越來越大，因此對(duì)道路照明及景觀照明提出了更高、更新的要求。與此同時(shí)，路燈的電能消耗和燈具損耗也越來越大。傳統(tǒng)的路燈控制系統(tǒng)存在著智能化程度低、線路穩(wěn)定度差等問題，給城市照明系統(tǒng)的管理和維護(hù)帶來很大困難。為了解決以上問題，在此提出了基于CC2530的ZigBee（紫蜂）無線路燈監(jiān)控系統(tǒng)方案。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 ZigBee無線傳輸技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee是一種基于IEEE 802.15.0標(biāo)準(zhǔn)的短距離、低速率無線傳輸技術(shù)，工作頻段為2.4 GHz，具有16個(gè)信道，主要解決低成本、低復(fù)雜度、低傳輸速率、近距離傳輸設(shè)備等組網(wǎng)問題，用于對(duì)網(wǎng)絡(luò)中被控對(duì)象的監(jiān)測(cè)及控制。

由ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成的系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：安裝方便，無需額外布線，降低了成本及施工難度；能遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)批量操作，整個(gè)管理系統(tǒng)更具人性化；操作方便，智能控制，維護(hù)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)采用三級(jí)網(wǎng)絡(luò)組成，分別是監(jiān)控中心（路燈所）、控制主機(jī)（配電柜）、被控對(duì)象（單燈控制器），如圖1所示。

監(jiān)控中心通過GPRS（通用分組無線服務(wù)技術(shù)）與控制主機(jī)通信，控制主機(jī)通過RS-485總線與安裝在配電柜里的ZigBee集中器通信，ZigBee集中器通過ZigBee無線信號(hào)與被控對(duì)象即單燈控制器通信，最終由單燈控制器管理到每一盞路燈，對(duì)路燈進(jìn)行開關(guān)和調(diào)光控制，對(duì)電壓、電流、功率因數(shù)、燈亮度等參數(shù)以及防盜模塊進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能將路燈的滅燈或電容故障及時(shí)主動(dòng)上報(bào)，遇盜竊行為時(shí)能將信號(hào)傳導(dǎo)至監(jiān)控中心發(fā)出聲光報(bào)警，從而能有效地阻止各類盜竊路燈電纜、器材的犯罪行為。

圖1 無線路燈監(jiān)控結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 終端ZigBee模塊設(shè)計(jì)

終端Zigbee模塊采用TI公司CC2530片上系統(tǒng)作為單燈控制電路的核心，根據(jù)路燈系統(tǒng)特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)采用“鏈”形連接，以便靈活地增加或刪除節(jié)點(diǎn)。在配電柜中的Zigbee模塊是該配電柜下所管轄路燈網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，起著轉(zhuǎn)發(fā)上位機(jī)命令到被控對(duì)象及上傳來自某1盞或多盞路燈數(shù)據(jù)包的作用，同時(shí)還會(huì)每隔一段時(shí)間下發(fā)1次“心跳包”，檢測(cè)通信鏈路是否暢通，因此中心節(jié)點(diǎn)必須時(shí)刻處于工作狀態(tài)。

在每個(gè)燈桿的單燈控制器中裝有1個(gè)ZigBee模塊，該模塊既是被控節(jié)點(diǎn)，又是路由器，起中繼作用，除了完成對(duì)自身任務(wù)的處理，還需轉(zhuǎn)發(fā)其他數(shù)據(jù)，承擔(dān)著中心節(jié)點(diǎn)和相鄰節(jié)點(diǎn)通信的任務(wù)。某一節(jié)點(diǎn)如果出現(xiàn)暫時(shí)的通信失敗，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的任務(wù)可以自動(dòng)交給相鄰節(jié)點(diǎn)來完成，而不會(huì)影響整條線路的通信。

2.2 單燈控制器設(shè)計(jì)

單燈控制器組成如圖2所示。CPU采用ARM7系列的微處理器芯片。ZigBee無線模塊工作頻段為2.4GHz，每間隔5M為1個(gè)信道，總共有16個(gè)信道可用，ZigBee模塊與主控制器之間通過通用UART（異步接地發(fā)送裝置）通信。

圖2 單燈控制器組成

調(diào)光模塊采用LPC936微處理器，通過RS485總線和主控制器CPU通信，具有5個(gè)檔位的調(diào)光功能。主控制器通過IO（輸入/輸出）口控制繼電器的閉合或斷開，從而控制路燈的開或關(guān)。主控制器通過ADC（自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器）采集功能，實(shí)時(shí)采集電流電壓參數(shù)，還可將參數(shù)通過ZigBee無線模塊上傳到監(jiān)控中心，以便更好地監(jiān)控路燈的工作狀態(tài)。

3 單燈控制器軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 程序功能

接收ZigBee無線模塊的命令后，根據(jù)相關(guān)命令協(xié)議執(zhí)行查詢、修改配置與狀態(tài)命令；二路繼電器根據(jù)配置中的調(diào)光值執(zhí)行開關(guān)操作；實(shí)時(shí)進(jìn)行二路電壓、電流采樣，并根據(jù)采樣結(jié)果進(jìn)行故障診斷；如需上傳本地狀態(tài)或配置數(shù)據(jù)，則通過ZigBee無線模塊將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心。主程序流程見圖3，ZIgBee無線模塊程序流程見圖4。

圖3 主程序流程

3.2 路由算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

圖4 ZigBee無線模塊程序流程

圖5 現(xiàn)場(chǎng)路燈安裝示意

路由算法是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能的核心因素，該算法主要是針對(duì)直行并排安裝的路燈現(xiàn)狀，采用“鏈”型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。路燈現(xiàn)場(chǎng)安裝示意如圖5所示，以配電柜所在處為中心，將道路左右兩邊分成4個(gè)分支，分別以分支1、分支2、分支3、分支4表示，每個(gè)分支的路燈數(shù)可以相同，也可以不同。每相對(duì)的2組節(jié)點(diǎn)組成1個(gè)“鏈環(huán)”，如圖中分支1的節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2和分支2中的節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2就組成1個(gè)“鏈環(huán)”，分支1中的節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)3和分支2中的節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)3亦組成1個(gè)“鏈環(huán)”，分支3和4同樣如此。這樣1個(gè)交叉重疊的“鏈”型網(wǎng)絡(luò)，允許1個(gè)“鏈環(huán)”中其他3個(gè)節(jié)點(diǎn)處于空閑狀態(tài)，只要有1個(gè)節(jié)點(diǎn)處于正常工作狀態(tài)，既可保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信正常。

每1個(gè)節(jié)點(diǎn)都有路由記憶功能，保證系統(tǒng)選擇最佳“路徑”進(jìn)行通信，從而使得整個(gè)系統(tǒng)的通信可靠穩(wěn)定，系統(tǒng)路由功能更加智能。

4 結(jié)語

ZigBee無線單燈監(jiān)控系統(tǒng)目前已經(jīng)有工程應(yīng)用實(shí)例，由于其安裝簡(jiǎn)單、組網(wǎng)方便、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程中實(shí)現(xiàn)了路燈節(jié)能控制系統(tǒng)的智能化、信息化、高可靠性、低成本的目標(biāo)，取得了明顯的節(jié)能控制成效，符合國(guó)家節(jié)能減排的發(fā)展戰(zhàn)略，相信這項(xiàng)技術(shù)的市場(chǎng)應(yīng)用前景將會(huì)更加廣泛。

[1]李文仲，段朝玉.ZigBee 2007/PRO[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[2]蔣挺，趙成林.紫蜂技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006.

[3]李文仲，段朝玉.ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實(shí)戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[4]瞿雷，胡咸斌.ZigBee技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.