基于ZigBee的校園路燈智能照明系統設計

王寧 陳磊

摘要：隨著無線技術、數字通信和計算機技術的發展，無線技術標準化和網絡化逐漸出現在人們生活中，ZigBee技術便是數字通信和計算機技術中的一種。本文主要針對ZigBee校園路燈智能化照明系統進行分析設計，有針對性地對各個功能模塊內部元器件進行選擇，制定了詳細的設計流程，組成了智能化照明系統，經過分析探討，校園智能化照明系統的設計具有很大的應用價值。

關鍵詞：ZigBee 校園 照明系統

中圖分類號：TM923.4 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）07-0147-02

校園道路照明是保證行人和車輛安全的主要措施，只有設置主體化照明系統，才能給學生提供很好的校園環境，減少不安全事故發生。從當前校園路燈照明系統的狀況來看，由于系統設計方式落后，存在嚴重的電能消耗，無法實現節約型校園建設需求。本文主要利用ZigBee技術對校園路燈照明系統進行分析，詳細介紹了系統的硬件組成結構，并以LED燈進行分析設計，構建滿足校園路燈照明需求的智能化照明系統。

1 概述

1.1 ZigBee技術分析

ZigBee技術是根據IEEE802.15.4標準中具有低功耗、低成本、短距離、低數據傳輸率的無線網絡技術，可以實現短距離內傳輸速率要求不高的電子設備以及各種微小電氣之間的通信。ZigBee技術主要利用IEEE802.15.4中的協議標準的物理層及MAC層協議。隨著技術的不斷發展，ZigBee技術聯盟為不同廠家生產的設備提供了解決反饋，解決了設備兼容問題。ZigBee技術網絡層標準由ZigBee技術聯盟制定，用戶可以根據自己的實際需求，對其進行開發利用。

1.2 傳統路燈控制方式

人工控制、時控、電力載波、GSM短消息控制、蜂窩數字分組數據等是傳統路燈控制的主要方式。人工控制方式由人員根據開關燈時間控制路燈，時控方式也是以開關燈時間為依據實現操作，電力載波受電磁波影響較大，GSM短消息必須利用手機操作，費用較高。上述幾種方式都不能集中對操作結果進行監視、記錄和統計，不能滿足城市化發展需求。在路燈控制方面，ZigBee技術可以結合傳感器原理及時解決傳統控制中存在的以下問題：首先，利用特殊亮度傳感器增強了照明效果，減少了人為干預；其次，利用直接序列擴頻技術，保證了傳輸信號的質量，減少了其他信號干擾；最后，CC2430芯片延時短、功耗低，操作框架簡單，便于安裝。

2 校園照明路燈系統設計

2.1 系統照明控制系統總體設計

在能源急劇消耗的影響下，實施節能照明已經成為全球關注的主要問題，可以從兩方面實現節能。一方面，選用高校的節能照明裝置，如燈具、光源。另一方面，控制智能感應，需要照明時開啟，不需要時關閉，減少開關燈時間，可以利用照明系統控制實現，即ZigBee技術。校園路燈照明系統主要由路燈、終端節點、上位機和匯聚節點等部分組成。終端節點可以在校園中實施控制，根據校園環境的變化，及時對各項參數進行收集整理，然后利用終端節點的自組網方式形成網絡，并利用ZigBee技術實現各個節點信息匯集；可以利用RS232串口實現匯集節點和上位機連接，并將收集的參數保存在數據庫中，保證數據統一管理，系統可以采用預設控制算法進展，采用終端節點實現路燈開啟關閉控制，完成照明操作。

2.2 系統硬件設計

（1）終端及匯集節點硬件設計。電源模塊、傳感器模塊、微處理器模塊和射頻模塊等是組成終端節點的重要組成部分，不同采集環境參數，設計的傳感器模塊也會發生變化。與終端節點相比，匯集節點不能實現參數采集，所以缺少傳感器模塊。終端節點的硬件框架圖如圖1所示。

（2）選擇終端節點和各模塊器件。終端節點是組成校園路燈照明系統的基礎單元，可以實現環境參數采集、數據處理和發送等功能。由于校園路燈環境較大，信息采集相對較復雜，具有數據采集量大、范圍廣等特點。所以必須終端節點設備必須具有價格低廉、功耗低、適應性強和體積小等特點，根據校園智能照明系統需求，可以將終端節點模塊控制如下：

第一，微處理器模塊。將ATmeg128單片機作為核心部件，選用先進的RISC結構，同時具有128K程序儲存器，可以和SPI總線的編輯接口連接，8個10位ZIGBEE DC通道和和雙可變串行操作模式。此種單片機必須滿足結構簡單、體積小等特點，還可以根據軟件的合計需求，針對性選擇節能模式，實現各個節點節能降耗需求。第二，射頻模塊。將TI公司生產的CC2530作為射頻模塊。此芯片具有材料耗費低、網絡節點強大等特點，可以結合RF收發器優勢，還具有增強型8051CPU，系統可編程閃存，只需要少量內部配件就可以實現信號收發，在一定程度上降低了系統功耗，節省了電力能源。第三，傳感器模塊。傳感器模塊的主要目的是對周邊光線強度、溫度、濕度等狀況進行采集，收集環境變化信息。給系統提供支持。所以溫度傳感器的選擇必須具有體積小、構建耗費低、抗干擾能力強等作用可以選擇DS18B20，光線強度使用GL4516和RE200熱釋電紅外傳感器操作。第四，電源模塊。利用固定電源完成電池供電操作，保證節點持續工作，安全有效運行。

2.3 匯集節點軟件設計

匯集節點的主要任務是負責無線網絡建立，同時及時對無線網問題進行維護，保證建成網絡之后，可以允許終端節點加入，同時給網絡終端節點分配網絡地質，完成終端節點傳送的數據，處理完成后，將其發送給上位機。

3 設計LED燈驅動電源

將LED電路驅動選擇為HV9910B，輸出頻率控制在幾瓦到幾十瓦之間。HV9910B屬于可優化降壓驅動器，可以利用恒定電源模式或關斷電流量中方法操作。由于HV9910B有兩個采樣閾值電壓，主要是內部250mV和LD引腳外部電壓。進行實際工作時，閾值選取電壓中較低的，同時利用電阻對電流狀況進行檢查，提高效率。本次將LED等按照20串2并連接，每串電流控制在350mA。電壓控制在50到70Vs取值80kHz。驅動原理圖如下圖2所示。

4 LED燈操作系統整體運行程序

系統內部選取TI的CC2530作為ZigBee無線通信模塊，同時選擇增強型8051CPU、系統終端和路由控制盞燈，保證每個燈對應一個ID。終端和路由驅動芯片控制PWM-D引腳，實現LED等控制。關閉LED燈后，節點處于完全休眠狀態，一旦開啟，節點將從休眠狀態喚醒，主要進行數據監控和數據無線傳輸工作。數據監控主要對LED等溫度、電流及電壓等情況進行控制，一旦超過臨界值，將采取保護措施對其進行保護。為了符合國家節能要求，還可以在ZigBee協調器加上可以對環境參數進行調節的傳感器，尤其在雷雨天氣，保證可以對所有節點的路燈進行控制。

5 進行系統功能測試

進行實驗構造時，可以配置網絡協調器，由路由節點和終端節點對 LED燈進行控制，協調器借助串口和上位機連接。經過測試發現，ZigBee可以對通信80米進行控制；上位機可以利用監控界面控制LED燈開關，還可以表示出LED燈的亮滅、溫度和狀態；經過測試發現，系統運行正常，符合要求。

6 結語

為了保證校園照明的有效實施，本文基于ZigBee設計了無線傳感器網絡校園系統方案，具有低成本、低能耗和適應性強等特點，完善了終端節點設計，同時詳細介紹了匯聚節點軟件流程。最后以LED燈源進行了詳細介紹，希望本文的分析可以給相關人員提供參考。

參考文獻

[1]劉鐵超.基于ZigBee的校園路燈控制系統的設計與實現[D].大連海事大學，2014.

[2]武建平.基于ZigBee的校園路燈照明系統設計[J].數字技術與應用，2014（08）.

[3]魯進，郭利進.基于ZigBee的LED路燈照明系統設計與研究[J].微型機與應用，2013（05）.

[4]黃強.基于Zigbee的校園照明監控系統設計與實現[D].西南交通大學，2013.