摘要：本文將當前LED路燈照明與傳統(tǒng)路燈照明進行了比較，將ZigBee技術應用于LED路燈照明系統(tǒng)，組建了Zig-Bee無線傳感器網(wǎng)絡。詳細設計了該系統(tǒng)的硬件電路及軟件。經(jīng)對比，此系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)在節(jié)省布線，降低成本方面有顯著的優(yōu)勢。

　　隨著我國城市化步伐的加快，城市照明建設作為體現(xiàn)城市形象的作用日益受到重視，在城市照明系統(tǒng)中，如何節(jié)約能源，提高路燈能源的利用率已成為急需解決的問題。而ZigBee技術以其低功耗、通信可靠、網(wǎng)絡容量大等特點為路燈自動控制領域提供了較合適的解決方案。LED路燈節(jié)能控制系統(tǒng)就是通過采用ZigBee技術與各種新型傳感器、功率控制器結(jié)合，實現(xiàn)路燈的智能控制，節(jié)約了大量能源。

　　1 ZigBee技術簡介

　　隨著數(shù)字通信和計算機技術的發(fā)展，無線技術的網(wǎng)絡化、標準化要求逐漸出現(xiàn)在人們面前，ZigBee技術便是其中之一。ZigBee技術是依據(jù)IEEE802.15.4標準的一種短距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡技術，主要應用在短距離范圍內(nèi)并且數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設備之間，在數(shù)千個微小的傳感器之問相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。

　　ZigBee采用了2003年發(fā)布的IEEE802.15.4協(xié)議標準作為其物理層和媒體接入（MAC）層的標準協(xié)議。2001年8月成立的ZigBee技術聯(lián)盟為不同廠家生產(chǎn)的設備提供了統(tǒng)一的解決方案，解決其相互問的兼容性問題。ZigBee技術的網(wǎng)絡層由ZigBee技術聯(lián)盟制定，應用層則由用戶根據(jù)自己的應用需要對其開發(fā)利用。

　　2傳統(tǒng)路燈的控制方式

　　傳統(tǒng)的路燈控制方式有人工控制，時控方式，電力載波控制，GSM短消息控制，CDPD（CellularDigital Packet Data）蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù)等。人工方式是工作人員根據(jù)開關燈的時間表手動進行開關燈的操作，時控方式是以時間作為開關燈的唯一根據(jù)，電力載波控制易受電力線強磁場的干擾，GSM短消息控制必須通過手機，費用較高。上述五種傳統(tǒng)的路燈控制方式存在的問題是：運行操作結(jié)果不能集中監(jiān)視，記錄和統(tǒng)計，達不到量化管理的要求，不適應城市現(xiàn)代化的發(fā)展。

　　在路燈的控制方面，ZigBee技術結(jié)合傳感器技術組成的網(wǎng)絡同樣解決傳統(tǒng)控制中存在的問題：1）選用特殊的亮度傳感器可以實時采集光亮強度，大大降低了特殊環(huán)境，特殊時間誤開誤關的幾率，脫離了人工干預。2）ZigBee技術采用直接序列擴頻技術，保證信號傳輸?shù)目煽啃?，避免其他信號的干擾。3）CC2430芯片的低功耗，延時短，協(xié)議框架簡單，安裝方便。

　　3 LED路燈照明與傳統(tǒng)的路燈照明的比較

　　我國“十一五”規(guī)劃明確提出了節(jié)能減排的主要目標，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗比“十五”期末降低20%左右，主要污染物排放總量減少10%.全球每年照明用電要達到2 400億度以上，如果一半的傳統(tǒng)照明光源被I.ED照明光源取代可節(jié)省700億度電，相當于700億元。在環(huán)保方面，中國每年至少要用30億個燈泡和日光燈管，產(chǎn)生30萬t很難回收的玻璃垃圾，還有2萬1Kg的劇毒汞，對環(huán)境造成巨大的污染。隨著LED行業(yè)技術發(fā)展的不斷成熟，加上國家政策的支持和導向，目前國內(nèi)外眾多傳統(tǒng)照明巨頭紛紛投入到半導體照明的開發(fā)中，根據(jù)“十一五”規(guī)劃，未來我國將開展十大節(jié)能工程，其中綠色照明，推廣高效節(jié)電照明系統(tǒng)將是一個重要內(nèi)容。

　　目前道路照明仍以高壓鈉燈或金鹵燈光源為主，LED照明主要采用LED作為發(fā)光光源。LED路燈尚處于示范推廣向大規(guī)模應用的過渡階段。但是隨著產(chǎn)品穩(wěn)定性的提升和產(chǎn)品價格的下降，I.ED路燈具有非常強的成長性。相對于傳統(tǒng)路燈，LED照明道路具有以下優(yōu)勢：

　　1）擴大了照明范圍，2）提高了照明均勻度，3）低能耗（相同照度下能耗僅為高壓鈉燈的40%，節(jié)能50%以上），4）長壽命（有效使用壽命長達70 000h），5）智能控制，免維護，環(huán)保無污染等。

　　4 LED照明控制系統(tǒng)的總體設計

　　照明控制的節(jié)能是全球普遍關注的問題，照明節(jié)能一般可以通過兩條途徑實現(xiàn)：一是使用高效的照明裝置（例如光源，燈具和鎮(zhèn)流器），二是智能感應的控制，在需要照明時使用，不需要照明時關斷，盡量減少不必要的開關燈時間，開關燈的數(shù)量和過高的照明亮度，這點就需要通過照明控制實現(xiàn)，即ZigBee技術。本文正是從這兩個方面為出發(fā)點設計了此系統(tǒng)。

　　通常，LED照明控制系統(tǒng)包括：傳感器單元、無線收發(fā)與處理器控制單元、LED驅(qū)動電路與照明單元、控制中心路燈監(jiān)控與管理系統(tǒng)單元。本系統(tǒng)采用樹型無線網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)對路燈進行多條路由控制，系統(tǒng)里控制中心的監(jiān)控系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器，若干個FFD設備作為路由節(jié)點，RFD設備作為系統(tǒng)的終端節(jié)點。網(wǎng)路協(xié)調(diào)器負責建立網(wǎng)絡和管理網(wǎng)絡，顯示相關的控制信息和當前路燈自動控制無線網(wǎng)絡系統(tǒng)狀況。FFD路由節(jié)點可以安裝在道路旁邊，連接成串狀作為無線節(jié)點的中繼控制器，可以轉(zhuǎn)發(fā)下一級的每個節(jié)點上傳的信息，達到遠程控制的目的。同時它可以作為燈桿上的微處理器，用來控制路燈的打開和關閉。為了降低成本，RFD節(jié)點作為系統(tǒng)中的末端節(jié)點放置在路的盡頭。它按照接收到的無線信號指令控制自己的路燈狀態(tài)。

 　　5 LED照明控制系統(tǒng)的硬件設計

　　無線智能照明系統(tǒng)的網(wǎng)絡節(jié)點分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點3種。其中，協(xié)調(diào)器的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　圖1協(xié)調(diào)器的硬件框圖

 　　協(xié)調(diào)器節(jié)點帶有4個獨立按鍵，用來設置整個系統(tǒng)的參數(shù)和發(fā)送控制命令，24×2字符（5×8點陣）是漢字字符點陣液晶模塊用于顯示網(wǎng)絡狀態(tài)信息。微控制器輸出開關量直接完成對照明燈的開關控制。另外，協(xié)調(diào)器節(jié)點還帶有亮度傳感器，用于感測現(xiàn)場的亮度信息。當亮度傳感器測得光線太亮，如晴朗的白天，即可自動關閉路燈，當亮度傳感器測得光線太暗，如夜晚或者陰雨天，即可調(diào)高路燈亮度。

　　系統(tǒng)只需在一個節(jié)點上集成亮度傳感器，即可通過ZigBee網(wǎng)絡向各個燈節(jié)點傳輸控制信息，實現(xiàn)對整個照明系統(tǒng)的智能控制、成本低廉，也可以一個節(jié)點上增加多個傳感器備用。當然也可以將亮度傳感器做成一個單獨的ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點，用于感測現(xiàn)場不同位置的亮度信息。圖2是系統(tǒng)的硬件電路圖。

　　圖2系統(tǒng)的硬件電路圖

 　　本設計采用CC2430無線通信模塊，CC2430芯片是首款符合ZigBee技術標準的系統(tǒng)單芯片，片內(nèi)集成增強的8051微控制器內(nèi)核和符合IEEE802.15.4標準的2.4 GHz射頻收發(fā)器，具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性能，處于休眠模式時整個芯片的電流消耗小于0.9uA，從硬件上支持CSMA/CA機制，還集成有ADC，AES安全協(xié)處理器和USART等片上外設及豐富的I/O口資源，只需添加晶振等少量的元器件即可完成ZigBee節(jié)點的設計。由于CC2430中帶有一個8位的8051微控制器，所以在硬件設計中可以省去了微控制器模塊，降低傳感器節(jié)點的成本，減小傳感器節(jié)點的體積。但是此設計中加入微控制器模塊，為了適應更高的性能要求。CC2430的射頻信號是采用差分方式，本設計采用50Ω單極子天線。

　　本設計采用LX1970可見光亮度傳感器。

　　LXl970是一種能實現(xiàn)人眼仿真的集成化的可見光亮度傳感器，峰值發(fā)光波長為520 nm，電流靈敏度為0.38uA/lx，暗電流為10 nA.非線性誤差小，重復性好。兩個互補輸出端的電流不對稱度僅為士0.5%，可任選一端作為輸出。外圍電路簡單，價格低廉，使用方便，微功耗，低壓供電。采用2~5.5V電源，電源電流可低至85肛A（典型值）。工作溫度范圍為一40~+85℃。其外形尺寸僅為2.95 mmX 3 mmX1 mm。

　　6 LED照明控制系統(tǒng)的軟件設計

　　軟件設計基于TI公司推出的跟CC2430芯片配套的Z-Stack協(xié)議棧和IAR集成開發(fā)環(huán)境。Z-Stack在業(yè)內(nèi)處于領先水平，目前還在不斷完善和增強，其最新版本Z-Stack 1.4.2，通過ZigBee測試機構(gòu)德國萊茵集團的ZigBee兼容性測試，符合Zig-Bee 2006 specification，已被全球眾多ZigBee應用開發(fā)廠家所采用，支持多種硬件平臺。

　　在智能型LED路燈控制無線網(wǎng)絡工作的過程中，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器會定時檢測有無按鍵按下，用以執(zhí)行相應的電源開關命令。網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器處于空閑狀態(tài)時，會監(jiān)聽空中的無線信號，判斷有無新的節(jié)點要加入網(wǎng)絡，有則為其分配網(wǎng)絡地址?？紤]到現(xiàn)場需要，協(xié)調(diào)器還可以控制某路段的燈亮，由其發(fā)送指令的目標地址所決定。FFD節(jié)點通常處于監(jiān)控狀態(tài)，如果接收到電源開關的命令，則執(zhí)行命令，并確定是否轉(zhuǎn)發(fā)，同時根據(jù)亮度傳感器的返回值確定路燈的開關，以到達智能化節(jié)能控制。RFD節(jié)點的功能更簡單，只需監(jiān)聽，根據(jù)光線的強弱執(zhí)行命令。下面圖3，圖4，圖5分別是3種節(jié)點的通信流程圖。

　　圖3 FFD路由節(jié)點流程圖

　　圖4 RFD末端節(jié)點流程圖

　　圖5協(xié)調(diào)器節(jié)點流程圖

　　7結(jié)論

　　隨著計算機技術、通信技術、控制技術的發(fā)展和人們物質(zhì)生活水平的提高，家居、交通智能化正成為國內(nèi)外的一個研究熱點。本項目根據(jù)實際需要完成了智能型LED路燈控制系統(tǒng)的硬件，軟件實現(xiàn)。系統(tǒng)充分利用了ZigBee低速率，低功耗和自配置的特點，降低了系統(tǒng)檢修的復雜性。同時降低了系統(tǒng)的成本。隨著技術水平的不斷完善，相關產(chǎn)品的價格會逐步降低，巨大的民用市場將是最終的發(fā)展方向。該系統(tǒng)在提高照明系統(tǒng)的信息化、智能化程度的同時，特大大降低了電能的浪費，符合國家節(jié)能減排的發(fā)展戰(zhàn)略，定會在智能交通和智能家居等領域得到廣泛應用。