基于ZLL技術的智慧路燈互聯系統設計*

蔡彬彬

(江蘇工程職業技術學院 建筑工程學院， 南通 226300)

基于ZLL技術的智慧路燈互聯系統設計*

蔡彬彬

(江蘇工程職業技術學院 建筑工程學院， 南通 226300)

本文深入研究了ZigBee Light Link(簡稱ZLL)技術的實現機理，提出了一種基于ZLL技術的智慧路燈互聯系統的解決方案，給出了路燈互聯拓撲結構圖，設計了LED燈聯網路燈節點裝置。該裝置包括路燈節點和ZLL網關，分析了路燈節點和ZLL網關的工作主要流程。通過該方案可構建LED智慧照明控制系統，實現了對照明系統的遠程控制并可通過PWM進行路燈亮度調節，以達到使照明系統更加智能和節能的目的。

ZLL技術；路燈；LED

引 言

目前，智慧城市和智能建筑開始受到廣泛的關注，而智慧照明是實現智慧城市建設體系中非常重要的一環，實現智慧照明，需解決好兩個關鍵問題：

① 實現綠色照明，即照明節能技術。使用LED照明比傳統鈉燈節能近60%，隨著技術的不斷完善、行業的不斷規范以及認知度的不斷提高，國內戶外照明中采用LED光源的越來越多，原有的戶外照明將光源紛紛替換成LED，興建道路及工程則大分部都使用LED光源。LED成為道路照明領域最為合適的電光源這一論斷已被認可。

② 對照明的智能控制。隨著物聯網技術的發展，基于物聯網的智慧照明系統成為可能，通過對城市的所有照明設施和景觀設施安裝智能控制器，各單燈智能控制通過現有的電力線進行通信連接，實現數據的傳輸。可將數據匯總到集中控制器，與監控中心進行遠程通信，實現遠程照明監測與控制。

ZigBee是一種結構簡單、低功耗、低速率、低復雜度、低成本和可靠的無線網絡通信技術，現在已廣泛地用于工業控制、汽車自動化等領域。為深化ZigBee無線技術在智能照明領域的推廣和發展，ZigBee聯盟發布ZigBee Light Link標準(以下簡稱ZLL)[1-2]，為用戶提供高效、靈活、易用的照明解決方案。

1 路燈控制總體結構設計

圖1 基于ZLL的路燈互聯系統總體架構圖

基于ZLL技術的智慧路燈互聯系統總體結構示意圖如圖1所示，包括計算機主機、ZLL路燈網關和ZLL路燈節點模塊。ZLL網關負責ZigBee Light Link 協議與TCP/IP協議之間的轉換，ZLL網關與ZLL路燈節點通過如圖1所示的樹型拓撲結構進行自組織網絡連接，不同于傳統ZigBee網絡中網關充當協調器節點，在ZigBee Light Link協議中，ZLL路燈網關與ZLL路燈節點全部充當路由節點，所以，這種連接模式非常適合應用在路燈互聯系統中。

2 基于ZLL硬件節點設計

路燈節點結構圖如圖2所示，本LED燈聯網路燈節點主要包括DC電源和LDO穩壓模塊、CC2530片上系統、環境亮度監測模塊、LED開關電源和LED路燈模組。

圖2 路燈節點結構圖

電源和穩壓模塊由DC電源和LDO穩壓芯片構成，DC電源將220 V交流轉變為5 V直流，LDO穩壓模塊由5 V供電，輸出3.3 V直流電壓，為主控制器模塊進行供電，LDO穩壓模塊可采用REG1117-3.3芯片。

主控制器模塊采用CC2530片上系統，具體型號為CC2530F256，支持ZigBee無線通信方式和ZigBee Light Link協議，以工業級8051微控制器為內核。

環境亮度監測模塊選用照度傳感器，與CC2530自帶的12位A/D模數轉換器進行連接，提供實時環境的亮度，根據亮度值改變PWM輸出，直接利用CC2530自帶的16位定時器生成PWM波形，再通過調整高電平和低電平的占空比，來調整LED路燈模組的亮度。

LED路燈模組包括驅動芯片NCP5106和Buck型LED開關電源，通過NCP5106芯片可改變Buck型LED開關電源的輸出電壓，從而改變LED路燈模組的亮度。

如圖3所示，LED路燈模組采用四模組集成方式，單模組集成36顆LED燈珠，按特定方式進行排列組合以提高照度均勻性[3-5]。

圖3 LED路燈模組結構

3 路燈網關設計

如圖4所示，本LED燈聯網路燈網關主要包括電源和穩壓模塊、主控模塊和以太網模塊。

圖4 燈聯網路燈網關結構圖

電源和穩壓模塊由DC電源和LDO穩壓芯片構成，DC電源將220 V交流轉變為5 V直流，LDO穩壓模塊5 V供電，輸出3.3 V直流，為主控制器模塊進行供電。主控制器模塊采用CC2530片上系統，支持ZigBee無線通信方式和ZigBee Light Link協議。以太網模塊采用以太網接口芯片W5500，控制信號和數據通過W5500以太網接口芯片上傳到上位控制主機。

4 嵌入式軟件設計[6-7]

采用TI公司的Z-Stack協議棧，具體版本是Z-Stack Lghting1.0.2協議棧，該協議棧是針對ZLL應用開發的專用協議棧。軟件開發平臺選用IAR Eembedded Workbench，嵌入式軟件設計包括路燈網關和路燈節點兩個部分。

圖5 路燈網關工作流程圖

路燈網關工作流程圖如圖5所示，在傳統的ZigBee方式中，網關通常作為協調器節點來組建ZigBee網絡，而在ZigBee Light Link協議中，由于沒有協調器節點的概念，網關作為路由器節點，承擔組建ZLL網絡的任務。網關上電復位后，首先進行系統初始化，包括硬件初始化和協議棧初始化；通過ZMain文件夾中的ZMain.C的ZSEG int main()函數來實現，程序如下：

HAL_BOARD_INIT(); //初始化硬件

zmain_vdd_check(); //電壓檢測

InitBoard(OB_COLD); //初始化I/O口線

HalDriverInit(); //初始化HAL層驅動

ZMacInit(); //初始化MAC層

osal_init_system(); //操作系統初始化

osal_start_system(); //開始啟動OSAL

接著網關進行廣播，網關發出scan request inter-PAN command frames 的廣播包，通過RSSI來查找待配對的路燈節點，只需將網關與路燈靠近，ZigBee網關可自動發現路燈，并獲得LED燈具的詳細信息。

一旦發現有配對路燈節點，網關節點對路燈節點進行設備標識，路燈被發現后，會給出應答信息。網關發送一個COMMAND_IDENTIFY命令，該命令帶一個參數：SAMPLEREMOTE_CMD_IDENTIFY_TIME。路燈節點收到Identify命令后會給予響應，則設備標識成功。

接著建立ZLL網絡，ZLL網關發送一個network start request inter-PAN命令，調用命令如下：

ZStatus_t zllInitiator_BridgeStartNetwork(void);

//建立ZLL網絡

ZStatus_t zllInitiator_PermitJoin(uint8 duration);

//允許路燈節點設備加入

網關等待上位機發送控制指令，并將指令轉發給路燈節點。

如圖6所示，為路燈節點工作流程圖。上電復位后，路燈節點首先進行系統初始化，通過調用ZMain文件夾中的ZMain.C的ZSEG int main()函數來實現包括硬件初始化和協議棧初始化；該過程與網關節點初始化流程相同，不再復述。接著等待網關啟動設備發現，成功被發現后，路燈節點通過發送Scan Response來響應設備標識，在收到網關節點發送的Identify命令后通過zllTarget_RegisterIdentifyCB回調函數給予響應。此時路燈節點設備標識成功。接著，路燈節點通過調用ZStatus_t zllTarget_PermitJoin(uint8 duration)函數加入網關發起的ZLL網絡，等待網關發送的控制指令，并根據指令要求調用HalLedOnOff函數對路燈進行開、關控制，通過調用定時器函數以PWM方式進行路燈亮度調節。

圖6 路燈節點工作流程圖

結 語

[1] 宿為民. ZigBee Light Link 技術及其密鑰管理機制[J].信息技術與標準化, 2013(7):38-45．

[2] 聶佳，沈克鎮，胡憲立. 基于ZigBee Light Link 的智能照明系統的研究與應用[J].現代建筑電氣, 2013,4(10):33-37．

[3] 鄒淅，黃建國，趙迪，等. 非均勻芯片布局的LED模組散熱性能研究[J].半導體光電, 2014,35(4):654-658．

[4] 黃建國，鄒淅. 高出光率LED模組基板結構研究[J].半導體光電, 2014,35(5):828-832．

[5] 張云翠，劉龍，汪廣業，等. 新型大功率LED路燈設計與分析[J].光學技術, 2013,39(6):496-498．

[6] 范聰. 基于ZigBee的智能照明的研究與實現[D]. 成都：電子科技大學, 2015.

[7] 徐純. 基于ZigBee無線通信的智能生活研究[D]. 上海：上海交通大學, 2013.

蔡彬彬(講師)，主要研究方向為建筑智能化、LED燈聯網。

Intelligent Street Lighting System Based on ZLL Technology

Cai Binbin

(Jiangsu College of Engineering and Technology,Nantong 226300,China)

In this paper,the realization mechanism of ZigBee Light Link(ZLL) technology is studied in depth.The intelligence street lamp solution of the interconnected system based on the ZLL technology is proposed.The street lamp interconnection topology structure diagram is given,and the LED lamp network street lamp nodes device is designed,which includes the street lamp nodes and the ZLL gateway.The main work process of the street lamp nodes and the ZLL gateway are analyzed.Through this scheme,the LED intelligent lighting control system can be constructed,which can realize the remote control of the lighting system and adjust the brightness of the street lamp through PWM,so as to achieve the goal of more intelligent and energy-saving lighting system.

ZLL technology;street lamp;LED

1. 2015年度江蘇省建設系統科技項目及科技示范工程項目《基于統一技術平臺的戶外LED燈模組產品研究與開發》(項目編號：2015ZD19);2. 2016年度江蘇高校“青藍工程”培養對象資助項目;3. 2015年江蘇工程職業技術學院優秀青年科技人才培養對象資助項目。

TN312.8

A

?迪娜

2016-10-28)