基于ZigBee的LED智能節能路燈控制系統方案設計

姚樹香

（廈門大學，福建廈門 361005）

基于ZigBee的LED智能節能路燈控制系統方案設計

姚樹香

（廈門大學，福建廈門 361005）

隨著中國社會經濟發展水平的不斷提高，人們越來越重視城市的基礎設施建設，路燈照明系統是新興城市建設中的關鍵設施之一，它直接關系到市民的日常生活.ZigBee技術是新信息時代的衍生物，因其能耗低、可靠性好、網絡容量大的優勢備受社會各界的歡迎.本文主要從ZigBee技術優點與軟硬件選擇上對智能節能路燈控制系統方案展開討論，主要探討ZigBee技術與LED燈給路燈節能技術帶來的革命性變化.

ZigBee技術；智能節能；可靠性

引言

ZigBee技術作為一項新興技術，應用在傳統的行業中能夠產生巨大的影響.ZigBee技術有許多的優點，最主要的就是它的網絡覆蓋面積很廣，電能的消耗極低，而且還有非常強的抗干擾能力.LED燈是近幾年迅速發展起來的最具節能色彩的固體光源，它的能耗低、體積小，將這兩者結合起來就為LED路燈控制系統在智能節能的技術層面上提供了可靠的技術依據.

1 智能節能路燈控制系統的研究意義

智能節能路燈控制系統可以省去大量的勞動力，一旦出現技術上的問題并不需要技術人員一一地進行摸排，調度人員會在第一時間知道路燈究竟壞在了哪里，為電力設施的搶救工作提供了便利.其次它還具有鮮明的節能環保色彩，為和諧家園的建設提供了良好的基礎.

2 智能節能路燈控制系統的整體方案設計規劃

2.1 基于ZigBee的LED智能節能路燈控制系統概述

2.2 整體方案設計框架

一個完整的智能節能路燈控制系統由四個不同的模塊或者是系統組成.它們在功能層面上可劃分為微波模塊、路燈直接的控制系統、監控系統與無線通信系統.系統的整體框架圖如圖一所示：

圖一 整體系統的框架

2.3 路燈自動控制的工作原理

基于ZigBee的LED智能節能路燈控制系統采用的是星型無線網絡拓撲結構，它可以實現對路燈進行多條路由控制的功能.此系統內的協調器作為控制中心的監控系統，若干個FFD設備作為路由的節點，RFD設備是此系統的末端節點.此系統中的網絡協調器主要是完成建立網絡與網絡管理的工作，它控制著整個網絡電源開關的狀態；FFD路由節點主要安裝在道路的兩側，多個路由節點連成串狀結構成為中繼控制器，同時它還是燈桿上的微處理器，控制單個路燈的亮滅；RFD節點是系統的末端裝置，它會受到上級無線信號的指令控制自己的狀態.這三者的結合實現了路燈的智能化控制.

3 此控制系統所需的技術功能支持

此系統可以根據道路上行人與車輛的運行情況實現自身的開關狀態，當沒有行人與車的時候路燈處于關閉的狀態，一旦檢測到有車輛通過時，系統會自動地打開路燈.路燈的控制設備之間是依靠無線通信的方式進行連接的，智能節能在功能上主要是利用相鄰路燈之間的信息傳遞來分析是否有車輛與行人通過，實現了人、車在哪里路燈就亮哪里的功能，使得人與車輛始終都會在照明的范圍之內.該系統還需要良好的自動修復、ID設定的技術支持，因為系統需要對工作中的每一個模塊進行自檢的工作，對于檢測出現異常的信息要及時上報給管理中心，也就是人們經常所說的“路燈自動報修”.

4 此系統方案的硬件選擇

4.1 硬件元器件的選擇

智能節能化的路燈控制系統在主控芯片上主要是采用CC2530芯片，它可以輕松地完成無線網絡間的通信功能，CC2530單片機中有一個系統可編程的Flash程序存儲器，它在供電模式下具有保持數據不丟失的能力.CC2530芯片因其高性能的無線收發器與增強版的8051微處理器內核成為了ZigBee技術開發應用的首要選擇，在無線收集系統中還有一個比較重要的元器件就是SHT11溫濕度傳感器，它可以將當地的溫度與濕度數據采集并發送到中心控制系統，無線控制部分的主要器件是STM32單片機.

傳統的財務管理機制，無法應對企業合并重組后帶來的管理體系變化。因此企業應當重新確立財務管理制度以提升管理效率。首先，企業應改變財務部門的內部分工，并依據工作量與重要程度重新劃分工作崗位。例如，針對銷售部門等特殊性，企業可要求財務部門在銷售中心設置分支機構，從而使該部門的財務管理更為有效。其次，財務部門應當改變傳統的審核機制與對賬時效。例如，財務部門可將每月的20—23日定為對外結款日。在這一時間，財務部門可集中處理供應商的財務數據，并提供結款服務。通過這樣的措施，財務部門的管理效率將得到提升，管理成本也將受到控制。

4.2 CC2530芯片的電路原理圖

圖二 CC2530芯片的電路原理圖

CC2530芯片具有21個I/O引腳，擁有兩個不同的外圍晶振頻率，該芯片的布線盡可能地接近了各個引腳，并對周圍進行了敷銅處理，極大地減小了晶振高頻信號對其他信號的影響作用，最大限度地減小了對CC2530收發距離的影響.

4.3 SHT11溫濕度傳感器

SHT11溫濕度傳感器將傳感元件與信號處理電路都集中分配在一個集成板上，可以實現輸出信號的絕對數字化，它的傳感器具有良好的穩定性與可靠性，它的反應速度極快，具有超強的抗干擾能力.

在結構上它具有一個測濕敏感元件和一個測溫元件，在這個芯片上它可以與14位的A/D轉換器以及串行接口電路連接.

4.4 STM32單片機

STM32單片機是基于性能高、成本低、消耗低等因素而專門設計的ARM內核，它可以在電壓極低的情況下正常運行，就算它的所有設備均處于工作狀態也僅僅消耗36mA的電流；其次就是它所搭載的是8MHZ的RC振蕩器，具有快速退出低消耗模式的特性，進一步降低了微控制器整體的功率消耗.

5 此系統方案的軟件選擇

5.1 主要模塊概述

在ZigBee技術的控制設備中主要采用兩大類的設備節點，分別是協調器節點與路由節點.協調器節點可以在設備運行之初進行手動的參數設置，以此來初始化協議棧.它在網絡結構上還可以連接其他的節點或者是斷開與它們之間的聯系，維護其網絡拓撲結構；路由節點可以進行搜索網絡并加入網絡的具體工作，它會實時地對數據進行采集與收取，可以與相鄰的節點通信實現路燈提前點亮，它是現代社會智能節能路燈控制系統不可缺少的一部分.

智能節能路燈監控系統的總體設計思想是采用分區模塊化的軟件，大致分為四個模塊，這四個模塊在功能上劃分為采集模塊、CPU處理模塊、ZigBee協議模塊以及網絡通信模塊.

其中采集模塊主要是沿用微波檢測技術，為了能夠更有效地確定多普勒效應，此模塊必須準確地得到多普勒信號的過零點數與時間間隔，只有在擁有足夠多的過零點數時才可以認定為是有效信號.在對多普勒電路進行調試的過程中要先焊接好每一個必要的元器件，通過對PW的調節使電壓比較器得到一個比較合理的參考電壓.調試的目的主要是檢查多普勒雷達是否正在正常的工作；反射回來的信號是否在多普勒頻率公式的測定范圍內；經過放大后的信號是否滿足I/O接口的電平要求，下圖為雷達工作時的使能電路.

圖三 雷達工作時的使能電路

ZigBee協議模塊主要是檢測CC2530芯片是否在正常工作，最基本的工作就是負責組建網絡與信息的收發處理工作，協調器會不斷地采集來自路燈與雷達之間的指令，在進行相應的處理后會以不同的字符給終端發出操作指令.要想使此模塊進行工作必須編寫相應的測試程序，主要包括定時器中斷程序、外部中斷程序、USART串口以及ADC采樣等測試程序，在對這些模板程序進行測試后，就要進行基于ZigBee協議棧的無線數據通信測試.下圖為協調器的接口電路：

圖四 協調器的接口電路

將各個模塊進行組合以后就要進行下一步的調試步驟，基于對于路燈的實用性研究，本系統采用串狀網絡的拓撲結構.這是一種特殊的網絡形式，在進行配置的時候要使得每個路由都有且只有一個父節點與子節點，這樣做會使相鄰的節點在拓撲結構上也是相鄰的，由此一來，路燈之間的數據傳輸就不需要進行繁瑣的轉發階段，極大地提高了無線通信的傳輸效率.

5.2 主機系統的軟件設計

主機系統軟件根據智能路燈實現功能的需要主要劃分為監控主程序、日歷時鐘子程序、LED燈顯示子程序等.大致的軟件設計流程圖如下：

6 系統的可靠性研究

圖五 主機軟件控制流程圖

系統的穩定性是衡量系統價值的重要指標，單片機系統會受到來自各方面的干擾，外界的干擾會使系統的穩定性得不到保障.在整個的路燈控制系統里如果出現干擾的現象極容易造成程序的紊亂，進而影響到路燈的智能與節能化.所以，在以后的路燈智能節能控制系統中要加強對干擾的控制力度，為整個系統提供一個穩定的運行環境.

在對系統的硬件進行抗干擾的研發控制中要努力確保供電系統的穩定性.防止出現電壓過大或者欠壓的情況；其次就是在電路中加入濾波器，可以采用隔離從根本上杜絕干擾的產生，因為只有這樣初級的干擾才不會進入到下一級.STM32單片機在設計時充分考慮到了散熱與電磁干擾方面的問題，最大限度地降低了整個系統的干擾發生率，顯著地增強了它的抗干擾能力.

結語：

針對于現代社會路燈管控系統的缺陷，本文提出了基于ZigBee的LED智能節能路燈控制系統，它具有低成本與低消耗的特點，此系統已經得到了業界的廣泛好評.我們有理由相信，在不久的將來，智能節能路燈控制系統將會得到進一步的開發與研究，它將以一種節能、綠色的形象出現在我們的視野中、出現在我們美麗的城市中.

〔1〕徐殿國，張相軍，劉曉勝，等.照明電子技術的發展現狀與未來［J］.電力電子技術，2010.

〔2〕瞿雷，劉盛德，胡咸斌.ZigBee技術及應用［J］.北京：北京航空航天大學出版社，2011.

〔3〕李文仲，段朝玉，等.ZigBee2006無線網絡與無線定位實戰［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008.1.

TP273

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1673-260X（2015）04-0039-03