基于Zigbee的道路照明控制系統研究

李偉波，張泳（天津市市政工程設計研究院，天津 300051）

1 前言

近幾年興建的大型功能區、產業園區等，均提出了物聯網建設的概念，即通過各種信息傳感設備，實時采集需要監控、連接、互動的設備終端或各種信息，與互聯網結合形成的一個巨大網絡，其目的是實現物與物、物與人，所有的物品與網絡的連接，方便識別、管理和控制。

物聯網概念的提出和建設，對道路照明控制技術提出了新的要求：在實現基本照明功能的基礎上，更多地體現智能、先進、互聯的特點，具體來說就是實現路燈的單燈監控、集中管理和智能調節。

基于物聯網技術的道路照明控制系統將現代通信技術、物聯網技術、嵌入式計算機技術、傳感器技術融入傳統道路照明控制，是智能電網的有機組成部分。該技術的應用解決了傳統道路照明的路檢、單燈控制、信息跟蹤等問題，是現代城市照明的理想解決方案。

2 傳統道路照明控制方式介紹

傳統照明領域的控制相對簡單，通過天文鐘實現時間控制，或者通過光傳感器實現光照控制，通過調壓、半夜燈控制等措施達到節能目的。

（1）時間控制

時間控制是通過路燈時控器來實現的。在路燈時控器內預存有一年365天的日出、日落時間，時控器根據每天設定的開、關燈時間自動控制接觸器的接通或斷開，以實現路燈開、關控制。這種控制方式實現起來比較簡單，過去被廣泛應用。

（2）光照控制

光照控制通過光照度值控制路燈開、關。將光照度傳感器檢測到的照度信號與設定開燈照度、關燈照度進行數值比較，從而確定開、關燈條件。光照控制可以作為時間控制的一種輔助控制方式，遇有陰雨、嚴重霧霾等特殊天氣時，能彌補時控方式的不足。

（3）半夜燈控制

半夜燈控制是傳統照明里廣泛采用的一種節能控制方式，可以通過降壓調光、部分滅燈等幾種不同的實現方式。降壓調光是通過電源側裝設的電壓調節模塊，小范圍地調節路燈回路供電電壓，間接達到調光的目的；部分滅燈方式包括單側、間隔滅燈等方式，對于含兩套以上燈具的路燈，可以通過熄滅每基路燈的部分燈具來實現。

以上控制方式，都是通過控制箱變或電控柜內路燈供電回路的通斷實現若干照明回路的統一開、閉操作，它只能通過控制全部或部分回路開關來控制路燈開、關，無法實現單燈控制，更沒有單燈的數據監測、故障巡視等功能。

3 基于Zigbee的道路照明控制系統

基于Zigbee無線通信和物聯網技術的新型道路照明控制系統，不僅可以實現無線單燈可控，在采用LED光源時還可以大范圍地連續調節燈具亮度，有效地降低了非高峰期道路照明能耗。

3.1 系統結構

基于ZigBee無線通信和物聯網技術的道路照明控制系統參考圖1，主要包含三層結構：服務器層、箱變主節點層、路燈終端層。服務器層以中央控制室為控制核心，路燈維護車、移動監控端及手持移動設備為輔助控制端，可以實現隨時隨地的監測與控制。箱變主節點位于箱變電控柜內，它與控制中心通過GPRS無線網絡實現通信，并與安裝在路燈燈桿上的終端設備通過Zigbee短距無線通信技術實現互聯。

圖1 基于Zigbee的路燈單燈控制系統結構圖

3.2 Zigbee無線通信技術

ZigBee通信技術采用IEEE802.15.4標準，利用全球共用的2.4 GHz公共頻率，應用于監視、控制網絡時，具有非常顯著的低成本、低耗電、網絡節點多、傳輸距離遠等優勢，目前被視為替代有線監視和控制網絡領域最有前景的技術之一。ZigBee通信具有以下技術優勢：

（1）數據傳輸速率低：10KB/秒～250 KB/秒，適用于低傳輸速率的應用；

（2）功耗低：ZigBee數據傳輸率低，協議簡單，故模塊功耗低；

（3）網絡容量大：理論上網絡可容納65,000個設備；

（4）時延短：典型搜索設備時延為30ms，休眠激活時延時15 ms，活動設備信道接入時延不大于15 ms；

（5）網絡的自組織、自愈能力強，通信可靠；

（6）數據安全：ZigBee提供了數據完整性檢查的鑒權功能，采用自行設計的加密算法，各個應用可靈活確定其安全屬性。

3.3 監控中心

監控中心為最高層次的服務、管理系統，監控中心服務器安裝智能路燈照明監控軟件。軟件可通過有線Internet網絡或GPRS無線通信與箱變或電控柜內主接點控制器建立連接，發送命令；主節點控制器通過Zigbee短距無線通信方式連接路燈網絡，實現單盞路燈的遠程開關控制和狀態、故障檢測。操作系統可以建立運行日志數據庫數據并永久保持，能夠實現故障提示、報警及維修訂單打印等功能。圖2是監控主機控制界面。

圖2 監控主機控制界面

3.4 主節點控制器

主節點控制器是遠程控制的中間層, 包括遠程GPRS通信和近距離Zigbee通信功能，是Internet與路燈網絡的信息傳輸網關。無線照明主控器按圖3所示安裝于箱變電控室或獨立電控柜內。

圖3 主節點控制器柜內安裝

3.5 路燈終端控制器

路燈終端控制器作為物聯網的終端節點，接收主節點控制器發來的命令，實現單個路燈開關控制，調光，遙測電流、電壓，檢測路燈故障信息等功能，同時將故障信息傳輸至箱變控制室或獨立電控柜內的主節點控制器。路燈終端控制器有多種型號，可以針對燈頭數量配不同的控制器。

圖4 路燈終端控制器模塊構成

參見圖4，標準的單燈控制器主要由單片機微處理器（如MSP430）、無線通信模塊（如CC2430）、功率檢測模塊、各類傳感器及驅動電源模塊組成。溫度傳感器和光敏傳感器模塊，測量周圍環境情況和路燈的工作情況，并將處理器的數據發送到控制中心，由監控中心決定路燈的工作模式和狀態。如果傳感器的測量值超過了閾值，則路燈自動關閉，并向監控中心報警；功率檢測模塊，檢測路燈功率情況、供電故障并向上報警；CC2430無線通信模塊負責傳輸數據。

圖5 路燈終端控制器實物圖

4 LED光源亮度的線性平滑調節

LED光源的亮度與通過發光二極管的恒定電流值是成比例的，要想連續調節光源亮度，可以通過脈沖寬度調制（PWM）的方式調節電流值來實現調光，原理圖如圖6所示。

4.1 脈寬調制（PWM）調光的實現方法

具體的實現方法是在LED負載回路中用2個MOSFET開關管反串聯構成功率開關器件，其源極和柵極分別并聯，通過在MOSFET管上施加一個PWM信號，可以控制負載回路閉合或斷開，而由于 LED負載是由恒流源供電的，開關管的連續開關將使通過負載的電流變為有一定占空比的矩形脈沖電流，當脈沖頻率較高時，根據面積等效原理，經過濾波后的電流為一個改變了幅值的恒定電流，其幅值大小與脈沖信號的占空比有關。因此，要想調節光源亮度，只需調節PWM脈沖信號的占空比。

在路燈終端控制器中設置LED電源的PWM脈沖信號驅動模塊，即可為大功率LED 提供電力，并能根據控制器中單片機控制信號控制LED 的工作情況。

圖6 PWM調光原理

4.2 脈寬調制調光的優點

（1）因為LED始終工作在滿幅度電流和0之間，不會產生色譜偏移。

（2）因為脈沖波形完全可以控制到很高的精度，所以很容易實現極高的調光精確度。

（3）因為不會改變恒流源的工作條件(升壓比或降壓比)，不會發生閃爍現象，更不會發生過熱等問題。

5 總結

基于Zigbee技術的道路照明控制系統，將路燈的單燈監控、調光與多樣化的控制端聯結起來，滿足了物聯網智能、互聯的概念。

隨著技術進步，無線傳感接點集成度越來越高，價格越來越低，基于物聯網架構的控制系統的功能也會更加多樣化。引入手持式終端等移動終端設備，使得隨時隨地查看道路照明等市政設施的狀態成為可能，既保證了設備的可靠性，也減小了維護量。將無線通信技術應用于道路照明等市政設施的自動化控制與多樣化管理將成為必然趨勢，

[1] 陳韋松, 陶齊齊, 施連敏. 基于ZigBee 技術的路燈無線控制系統的設計與實現[J]. 工業控制計算機, 2011, 24 (11) : 89-90.

[2] 葛廣軍等. 正弦波交流LED PWM調光器研究[J]. 照明工程學報, 2012, 23 (3) : 56-59.

[3] 王小強等. ZigBee無線傳感器網絡設計與實現[M]. 北京: 化學工業出版社, 2012.