摘  要: 設(shè)計了一種基于ZigBee無線自組網(wǎng)控制的LED路燈照明系統(tǒng),以TI公司CC2530為主要控制硬件平臺,HV9910B為電源驅(qū)動芯片,在ZigBee2007/PRO協(xié)議棧的基礎(chǔ)上組建網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)對LED路燈開關(guān)控制以及對各LED路燈的狀況如溫度、電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。整個LED路燈照明系統(tǒng)具有智能化、現(xiàn)代化的特點,同時符合國家節(jié)能減排政策要求,給未來城市路燈照明系統(tǒng)開拓新的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞: ZigBee;自組網(wǎng);LED路燈;CC2530;HV9910B

　隨著經(jīng)濟和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展,路燈照明系統(tǒng)越來越受到人們重視。傳統(tǒng)路燈照明系統(tǒng)多采用有線連接,其鋪線麻煩,價格昂貴,不易擴展和移動,并且智能化程度不高。針對傳統(tǒng)路燈照明系統(tǒng)的不足,采用無線控制來代替?zhèn)鹘y(tǒng)有線控制方式。ZigBee技術(shù)是一種新型的無線通信技術(shù),主要應(yīng)用于短距離內(nèi)的低速率傳輸。其具有功耗低、成本低、時延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠、安全等特點,適合路燈照明系統(tǒng)使用。另外,為響應(yīng)國家節(jié)能減排號召,采用LED路燈照明成為很多城市照明系統(tǒng)的首選。論文設(shè)計了一種利用ZigBee無線傳感器技術(shù)對LED路燈進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的方案,實驗結(jié)果表明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,具有智能化、現(xiàn)代化的特點。
1 ZigBee組網(wǎng)技術(shù)
1.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇
　ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持星狀網(wǎng)(Star Network)、樹狀網(wǎng)(Cluster tree Network)和網(wǎng)狀網(wǎng)(Mesh Network)三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如圖1所示,分別為星狀網(wǎng)、樹狀網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng),其中C表示PAN協(xié)調(diào)器,F表示全功能設(shè)備,R表示精簡功能設(shè)備。

　由圖1可看出,星形網(wǎng)的控制和同步都比較簡單,通常用于節(jié)點數(shù)量較少的場合。而樹狀網(wǎng)絡(luò)的一個顯著優(yōu)點就是網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較大,但隨著覆蓋范圍的增加,信息的傳輸時延也會增大,并且一旦在某一傳輸路徑中路由節(jié)點發(fā)生故障,將導(dǎo)致信息無法正常傳遞。
　網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(Mesh網(wǎng))一般是由若干個全功能設(shè)備連接在一起組成骨干網(wǎng),它們之間是完全的對等通信,每個節(jié)點都可以與它的無線通信范圍內(nèi)的其他節(jié)點通信,即允許網(wǎng)絡(luò)中所有具有路由功能的節(jié)點直接互連。在這些全功能設(shè)備中有且只有一個會被作為協(xié)調(diào)器,這主要取決于是誰第一個建立網(wǎng)絡(luò)。這些具有路由功能的節(jié)點,能夠?qū)⒁粭l信息轉(zhuǎn)播給它的鄰居。通過這種轉(zhuǎn)播信息的功能,在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的一個數(shù)據(jù)包可以通過一條路徑到達(dá)它的目的節(jié)點。Mesh網(wǎng)是一種高可靠性網(wǎng)絡(luò),具有“自恢復(fù)”能力。由于網(wǎng)狀網(wǎng)擁有多個冗余的通信路徑,一旦一條路徑出現(xiàn)故障,則會選擇另外一條合適路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳播。該拓?fù)涞膬?yōu)點是增強了可靠性、覆蓋范圍大,缺點是需要更多存儲空間[1]。
　在將ZigBee技術(shù)用于LED路燈控制中,由于路燈數(shù)量較多,且控制傳輸距離遠(yuǎn),可靠性要求高,故選取網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為合適。
1.2 具有短地址恢復(fù)能力的尋址設(shè)計
　ZigBee設(shè)備支持兩種地址類型:一種是64位的IEEE地址,另一種是16位的網(wǎng)絡(luò)短地址。當(dāng)設(shè)備加入ZigBee個域網(wǎng)時,它可以從允許其加入的父設(shè)備上獲取16位網(wǎng)址,該網(wǎng)址在個域網(wǎng)內(nèi)是唯一的。該網(wǎng)址用于數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)包路由。用于路由數(shù)據(jù)包的路由表存放著各個目標(biāo)設(shè)備和下一跳設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址,因此個域網(wǎng)的各設(shè)備都必須有明確且唯一的網(wǎng)絡(luò)地址,以保證數(shù)據(jù)能到達(dá)正確的設(shè)備。
　ZigBee2007規(guī)范定義了ZigBee和ZigBee PRO兩個特性集。在ZigBee特性集中采用樹尋址,其按照等級分配地址,所分配的地址是唯一的,無須持續(xù)監(jiān)測通信,可避免產(chǎn)生額外負(fù)荷與地址沖突。而ZigBee PRO采用隨機尋址方法為設(shè)備分配地址,因此需要持續(xù)監(jiān)測以解決地址沖突[2]。本方案是基于ZigBee PRO特性集上進(jìn)行開發(fā)設(shè)計的,并且采用的是網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),所以將采用隨機尋址方法為設(shè)備分配地址。雖通過不斷檢測與監(jiān)控可幫助解決這種尋址方式所帶來的地址沖突問題,但是,對于控制成百上千個路燈的ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)而言,若在協(xié)調(diào)器被替換或重新組成一個新的個域網(wǎng)后,所有網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備都進(jìn)行重新隨機尋址,則會帶來兩個比較大的問題:一是需要花費大量時間監(jiān)測與調(diào)整地址沖突,產(chǎn)生額外的負(fù)荷;二是重新分配了地址,使得路燈里的ZigBee設(shè)備的短地址發(fā)生了變化,這樣不便于利用短地址對各路燈進(jìn)行監(jiān)控。
　為確保將數(shù)據(jù)發(fā)送到正確的設(shè)備上,在協(xié)議棧開發(fā)的基礎(chǔ)上提出了具有復(fù)位網(wǎng)絡(luò)短地址能力的解決方案(只是針對協(xié)調(diào)器被替換或重新組成了新的個域網(wǎng)的情況)。首先在網(wǎng)絡(luò)正常時備份網(wǎng)絡(luò)短地址映射表,將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的64位擴展地址與網(wǎng)絡(luò)短地址一一對應(yīng),這樣可以在新的網(wǎng)絡(luò)未組建之前選擇通信信道時,調(diào)用應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)函數(shù)讀取網(wǎng)絡(luò)短地址映射表[3]。若該函數(shù)讀取失敗則返回READADDRLIST_ERROR,協(xié)調(diào)器將會建立新的網(wǎng)絡(luò)連接,此時所有節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址將會被更新。若讀取成功,則協(xié)調(diào)器將會以64位的擴展地址進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)。在發(fā)現(xiàn)完成后,利用映射表將64位擴展地址映射成16位網(wǎng)絡(luò)地址,這樣就恢復(fù)了先前的網(wǎng)絡(luò)。在路由發(fā)現(xiàn)過程中若出現(xiàn)新的64位擴展地址,協(xié)調(diào)器則將其視為新的子節(jié)點,并隨機分配新的網(wǎng)絡(luò)地址,同時對新分配的網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行監(jiān)測調(diào)控,保證不與其余的網(wǎng)絡(luò)短地址發(fā)生沖突。但該方案僅針對于協(xié)調(diào)器而言,如果想保證所有節(jié)點數(shù)據(jù)包的可靠傳遞,則必須有應(yīng)用層上相應(yīng)的配置,使得數(shù)據(jù)在傳輸之前將64位擴展地址轉(zhuǎn)化為16位網(wǎng)絡(luò)地址。整體流程如圖2所示。

2 LED路燈驅(qū)動電源設(shè)計
　LED電路驅(qū)動芯片采用HV9910B,其輸出功率可從幾瓦到幾十瓦。HV9910B是優(yōu)化的LED降壓驅(qū)動器,其采用開環(huán)峰值電流模式控制,可通過編程實現(xiàn)恒定電源模式或關(guān)斷時間模式。HV9910B有兩個采樣閾值電壓,一個為內(nèi)部的250 mV,另外一個是LD引腳處的外部電壓,實際工作時使用的閾值電壓為兩個電壓中較低者。因為采樣電壓低,故可使用較小的電阻來檢測電流,這意味著效率會更高。其最小輸入電壓可以低至8 V,在汽車運用中較為合適;最大可以承受450 V的輸入電壓,非常適用于離線應(yīng)用。同時還包含一個PWM調(diào)光輸出,能夠允許占空比0~100%以及頻率高達(dá)幾千赫茲的外部控制信號[3]。因此HV9910B只需要三個部件(除電源部分)即可產(chǎn)生一個受控制的LED電流,使之成為低成本LED驅(qū)動理想解決方案。
　本方案LED燈管按照20串2并連接而成,每串電流為350 mA,總電流為700 mA。LED串的電壓范圍為50~70 V,fs=80 kHz。圖3為采用HV9910B的LED驅(qū)動原理圖,電感L和電阻R的具體參數(shù)計算見下。

3 系統(tǒng)整體工作流程
　系統(tǒng)中,ZigBee無線通信模塊采用TI的CC2530。CC2530結(jié)合領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能、業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強型8051CPU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、8 KB的RAM和許多其他強大的功能。系統(tǒng)中的每一個終端、路由分別控制一盞燈,每個燈對應(yīng)一個ID。CC2530的引腳控制著LED驅(qū)動芯片的PWM_D引腳,從而控制LED路燈。終端和路由的CC2530外圍裝有溫度傳感器、電流/電壓檢測傳感器。當(dāng)LED路燈關(guān)閉時,這些節(jié)點處于休眠狀態(tài)。一旦路燈開啟,這些節(jié)點從休眠狀態(tài)喚醒,開始正常工作。它們主要負(fù)責(zé)兩方面的工作:(1)自我監(jiān)控。監(jiān)測LED路燈的溫度、電流和電壓,一旦這些參數(shù)超過臨界值,將采取自我保護(hù)措施,與PWM_D管腳相連的引腳將輸出低電平,從而關(guān)閉LED,保護(hù)路燈。(2)數(shù)據(jù)無線上傳。節(jié)點正常工作后,將會定時將各節(jié)點的狀態(tài)參數(shù)無線上傳給協(xié)調(diào)器,協(xié)調(diào)器在接收到路由和終端設(shè)備發(fā)過來的數(shù)據(jù)后,再將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機,從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。如果某個路燈出現(xiàn)故障,可直接從監(jiān)控系統(tǒng)得知損壞路燈的短地址,從而方便維修。為了響應(yīng)國家節(jié)能減排號召,同時設(shè)計出更加人性化、智能化的LED路燈,可在ZigBee協(xié)調(diào)器上加上檢測環(huán)境參數(shù)的傳感器(如光線強度),特別是在陰天與雷雨天氣,能自動控制所有的節(jié)點開啟路燈[5]。
　系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點整體的工作流程如圖4所示。其中,終端節(jié)點的異常處理是指電流、電壓或溫度異常,這些異常狀況都會導(dǎo)致LED路燈自動關(guān)閉。協(xié)調(diào)器接收到的應(yīng)用事件包括:各節(jié)點上傳數(shù)據(jù)、上位機發(fā)送的控制指令,以及協(xié)調(diào)器自我監(jiān)控。

4 系統(tǒng)功能測試
　在構(gòu)造實驗系統(tǒng)時配置了一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器,兩個路由器節(jié)點和三個終端節(jié)點。路由節(jié)點和終端節(jié)點分別控制5盞LED路燈,協(xié)調(diào)器則通過串口與上位機相連。經(jīng)測試,在開闊處ZigBee有效通信距離可達(dá)80 m,符合LED路燈要求。同時通過上位機監(jiān)控界面對LED路燈進(jìn)行簡單的開關(guān)控制,并在監(jiān)控界面上將各LED路燈的亮滅情況、短地址、溫度、狀態(tài)等參數(shù)顯示出來。監(jiān)控界面是用DELPHI2010編寫的,可以實時顯示LED路燈狀況,方便監(jiān)控人員監(jiān)控,并且可調(diào)出以往數(shù)據(jù)方便查詢。圖5為在實驗室條件下監(jiān)測到的5盞LED路燈狀態(tài),可發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)工作正常,符合要求。

　論文主要從ZigBee通信技術(shù)以及LED驅(qū)動電源設(shè)計兩方面,探討了如何將新型短距離無線通信技術(shù)ZigBee運用于LED路燈照明系統(tǒng)中。使用該技術(shù)省掉了傳統(tǒng)有線方式的系統(tǒng)布線,使傳感器安裝快捷、組網(wǎng)容易、維護(hù)方便、成本低。同時運用CC2530新型單片機檢測控制LED路燈,可大大提高傳感器的靈敏度和可靠性,延長LED路燈的使用壽命。經(jīng)測試,整個系統(tǒng)控制穩(wěn)定,智能化、現(xiàn)代化程度高,因此本方案在城市LED路燈照明系統(tǒng)中具有較高參考價值。
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