“節(jié)能減排”已成為當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要任務(wù)，城市路燈照明作為日常公用設(shè)施還有較大的節(jié)能空間。長久以來，路燈控制都是由人工對(duì)路燈線路進(jìn)行開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，或在總開關(guān)處安裝定時(shí)器，在預(yù)定時(shí)間對(duì)路燈進(jìn)行開關(guān)操作。這種方式存在操作不變、維修實(shí)時(shí)性差、控制線路成本高和能源浪費(fèi)等諸多缺點(diǎn)。

    基于ZigBee芯片CC2530的路燈控制系統(tǒng)可以很好地解決這些問題。通過ZigBee無線自組織網(wǎng)絡(luò)將區(qū)域內(nèi)的路燈都組成一個(gè)ZigBee子網(wǎng)，若干個(gè)ZigBee子網(wǎng)通過GPRS網(wǎng)關(guān)組成大型路燈網(wǎng)絡(luò),在監(jiān)控中心可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)ZigBee子網(wǎng)中的每個(gè)路燈進(jìn)行無線開關(guān)控制和損壞檢測，不僅可以根據(jù)不同季節(jié)及時(shí)調(diào)整開關(guān)燈的時(shí)間以節(jié)省能源，而且可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)路燈的損壞情況，及時(shí)維修保證道路安全。本文主要闡述了ZigBee路燈控制系統(tǒng)中網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)方案。
1 系統(tǒng)架構(gòu)
    ZigBee路燈控制系統(tǒng)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)的連通實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，本系統(tǒng)可分為監(jiān)控中心、網(wǎng)關(guān)和ZigBee子網(wǎng)三部分。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

    各網(wǎng)關(guān)上的ZigBee協(xié)調(diào)器建網(wǎng)成功后，路燈上安裝的ZigBee節(jié)點(diǎn)按照通信協(xié)議加入網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成ZigBee子網(wǎng)；路燈節(jié)點(diǎn)的信息匯總至網(wǎng)關(guān)上的協(xié)調(diào)器，經(jīng)網(wǎng)關(guān)傳輸至GPRS網(wǎng)絡(luò)；之后經(jīng)因特網(wǎng)傳輸至后臺(tái)監(jiān)控中心。系統(tǒng)的雙向通信鏈路就此形成，監(jiān)控中心可以發(fā)送控制或檢測指令至ZigBee子網(wǎng)對(duì)單個(gè)路燈進(jìn)行控制和檢測，同時(shí)ZigBee子網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)故障信息也會(huì)發(fā)送至監(jiān)控中心。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
    ZigBee節(jié)點(diǎn)的主控芯片使用TI公司的CC2530[1]，該芯片是使用ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)片上系統(tǒng)解決方案，內(nèi)部集成了8051內(nèi)核的微處理器和高性能的射頻收發(fā)器。本芯片采用了低電壓和低功耗設(shè)計(jì)，內(nèi)置最大256 KB的系統(tǒng)可編程Flash、8通道12位A/D轉(zhuǎn)換器、看門狗定時(shí)器和睡眠定時(shí)器等功能。CC2530的最小系統(tǒng)電路圖如圖2所示。

    經(jīng)實(shí)際測試，CC2530模塊外接5 dB的天線時(shí)空曠環(huán)境通信距離可以達(dá)到500 m左右，完全滿足路燈系統(tǒng)的要求。CC2530的UART0引腳是P0_2、P0_3，用于和外部芯片（網(wǎng)關(guān)中的主控芯片）進(jìn)行通信。
2.2 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)
    網(wǎng)關(guān)的功能是實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)的通信，主要包括GPRS模塊、ZigBee協(xié)調(diào)器和主控芯片。網(wǎng)關(guān)電路框圖如圖3所示。

    其中GPRS模塊使用華為公司的EM310模塊；ZigBee協(xié)調(diào)器芯片使用TI公司的CC2530,本射頻芯片電路由官方提供，經(jīng)實(shí)際測試穩(wěn)定可靠；主控芯片使用NXP公司的LPC1227[2]，該芯片是基于Cortex-M0內(nèi)核的微控制器，具有兩個(gè)UART接口,可實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)調(diào)器與GPRS模塊的串口通信。
2.3 路燈節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
    路燈節(jié)點(diǎn)的功能是實(shí)現(xiàn)ZigBee組網(wǎng)、控制路燈的開關(guān)并監(jiān)控路燈的損壞狀況，主要包括ZigBee節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)模塊、開關(guān)模塊和檢測模塊。路燈節(jié)點(diǎn)的電路框圖如圖4所示。

    ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊和網(wǎng)關(guān)上的ZigBee模塊電路一致，只是節(jié)點(diǎn)類型設(shè)置不同，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境，設(shè)置ZigBee節(jié)點(diǎn)為路由或者終端；存儲(chǔ)模塊使用Flash芯片MX25L1605，用來存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)信息和路燈狀態(tài)等信息；檢測模塊使用電流型互感器，通過判斷路燈火線上的電流大小來檢測路燈是否損壞；開關(guān)模塊使用光耦芯片MOC3061加上可控硅BTA06，利用光耦隔離實(shí)現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電開關(guān)，開關(guān)模塊的電路如圖5所示。

    MOC3061是過零觸發(fā)雙硅輸出光耦，1、2腳為輸入端，4、6腳為輸出端，單片機(jī)通過控制2腳的高低電平可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出兩端的通斷控制，通斷控制引腳2連接至CC2530的P0_3進(jìn)行控制。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)
    網(wǎng)關(guān)主要解決ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)的通信問題，由主控芯片LPC1227實(shí)現(xiàn)對(duì)GPRS模塊和ZigBee模塊的通信和控制。其中GPRS無線通信模塊EM310通過AT指令進(jìn)行相應(yīng)的控制，如發(fā)送和接收短信、連接GPRS網(wǎng)絡(luò)等功能。對(duì)ZigBee模塊的控制則主要通過傳輸串口指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建網(wǎng)、信息采集和控制等功能。
    網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)主要包括模塊初始化、GPRS數(shù)據(jù)處理和ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理等。程序主流程圖如圖6所示。

    ZigBee模塊的初始化過程也是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建網(wǎng)和組網(wǎng)過程[3]，網(wǎng)關(guān)上的ZigBee模塊是協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器建網(wǎng)成功后，一直處于等待節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)的狀態(tài)，當(dāng)來自同一信道和PANID的路由或終端申請入網(wǎng)時(shí)，協(xié)調(diào)器會(huì)同意節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)并保存來自節(jié)點(diǎn)的各種狀態(tài)信息；協(xié)調(diào)器在接收到來自監(jiān)控中心的掃描網(wǎng)絡(luò)、控制節(jié)點(diǎn)開關(guān)等命令時(shí)，會(huì)將這些命令發(fā)送到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中。ZigBee模塊即協(xié)調(diào)器的程序流程圖如圖7所示。
3.2 路燈節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
    路燈節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)主要包含ZigBee節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)、處理接收到的指令和自啟動(dòng)工作設(shè)計(jì)。路燈節(jié)點(diǎn)根據(jù)實(shí)際環(huán)境位置設(shè)置為路由或者終端節(jié)點(diǎn)，在上電啟動(dòng)后尋找具有相同信道和PANID的ZigBee網(wǎng)絡(luò)并加入網(wǎng)絡(luò)[4]，入網(wǎng)后將本節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)信息發(fā)送至協(xié)調(diào)器并通過網(wǎng)關(guān)傳輸至監(jiān)控中心，節(jié)點(diǎn)在接收到來自協(xié)調(diào)器的空中指令后進(jìn)行對(duì)應(yīng)處理；節(jié)點(diǎn)在未能入網(wǎng)或掉網(wǎng)的情況下，會(huì)根據(jù)CC2530內(nèi)部的RTC時(shí)鐘保證路燈在指定的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行開關(guān)，監(jiān)控中心會(huì)自動(dòng)報(bào)警，方便及時(shí)進(jìn)行維修處理。路燈節(jié)點(diǎn)的程序流程圖如圖8所示。

3.3 節(jié)能控制軟件設(shè)計(jì)
    根據(jù)實(shí)際路燈的運(yùn)行情況，從節(jié)省能源的角度出發(fā)，當(dāng)?shù)缆飞系能囕v和行人較少時(shí)可以關(guān)閉部分路燈，較多時(shí)則可開啟全部路燈，因此可根據(jù)不同時(shí)段對(duì)路燈進(jìn)行有區(qū)別的控制。首先，根據(jù)時(shí)間段劃分為白天(7:00-19:00)、夜晚(19:00-01:00）和凌晨（01:00—07:00）；其次，根據(jù)節(jié)點(diǎn)編號(hào)劃分為奇數(shù)號(hào)路燈工作模式、偶數(shù)號(hào)路燈工作模式和全部路燈工作模式；最后，根據(jù)不同時(shí)間段或不同路段對(duì)路燈進(jìn)行區(qū)別控制以達(dá)到保證道路安全和節(jié)省能源的效果。本系統(tǒng)路燈節(jié)點(diǎn)的工作模式如表1所示。

4 系統(tǒng)測試
    監(jiān)控中心[5]的控制界面采用網(wǎng)頁形式訪問，界面嵌入百度地圖，可實(shí)時(shí)反映ZigBee節(jié)點(diǎn)位置與狀態(tài)信息。    在重慶郵電大學(xué)校園內(nèi)安裝了50個(gè)ZigBee路燈節(jié)點(diǎn)、2個(gè)網(wǎng)關(guān)，對(duì)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)分配2組不同的網(wǎng)絡(luò)密鑰，組成互不干擾的2個(gè)ZigBee子網(wǎng)。監(jiān)控中心的控制界面可通過地圖清楚顯示每個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)的地理位置和當(dāng)前的狀態(tài)，并可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制與檢測。經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行，50個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)能夠迅速組網(wǎng)并返回節(jié)點(diǎn)信息，路燈節(jié)點(diǎn)收到指令后能快速處理并及時(shí)反饋故障信息，各時(shí)間段的工作模式均正常， 整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過長時(shí)間測試運(yùn)行穩(wěn)定。
    本系統(tǒng)通過ZigBee無線通信技術(shù)，能夠?qū)^(qū)域內(nèi)的路燈進(jìn)行無線控制與檢測，通過對(duì)現(xiàn)有的路燈安裝ZigBee控制節(jié)點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)有線控制向無線控制的轉(zhuǎn)變。此外，本系統(tǒng)的節(jié)能效果顯著，且成本較低，可靠性好，有較好的應(yīng)用前景。
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