摘  要: 設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無(wú)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(tái),HV9910B為電源驅(qū)動(dòng)芯片,在ZigBee2007/PRO協(xié)議棧的基礎(chǔ)上組建網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)對(duì)LED路燈開關(guān)控制以及對(duì)各LED路燈的狀況如溫度、電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。整個(gè)LED路燈照明系統(tǒng)具有智能化、現(xiàn)代化的特點(diǎn),同時(shí)符合國(guó)家節(jié)能減排政策要求,給未來(lái)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(jì)和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展,路燈照明系統(tǒng)越來(lái)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(jià)格昂貴,不易擴(kuò)展和移動(dòng),并且智能化程度不高。針對(duì)傳統(tǒng)路燈照明系統(tǒng)的不足,采用無(wú)線控制來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)有線控制方式。ZigBee技術(shù)是一種新型的無(wú)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(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠、安全等特點(diǎn),適合路燈照明系統(tǒng)使用。另外,為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排號(hào)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(jì)了一種利用ZigBee無(wú)線傳感器技術(shù)對(duì)LED路燈進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的方案,實(shí)驗(yàn)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(diǎn)。
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(jiǎn)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(jiǎn)單,通常用于節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少的場(chǎng)合。而樹狀網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)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(shí)延也會(huì)增大,并且一旦在某一傳輸路徑中路由節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障,將導(dǎo)致信息無(wú)法正常傳遞。
　網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(Mesh網(wǎng))一般是由若干個(gè)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(duì)等通信,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與它的無(wú)線通信范圍內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)通信,即允許網(wǎng)絡(luò)中所有具有路由功能的節(jié)點(diǎn)直接互連。在這些全功能設(shè)備中有且只有一個(gè)會(huì)被作為協(xié)調(diào)器,這主要取決于是誰(shuí)第一個(gè)建立網(wǎng)絡(luò)。這些具有路由功能的節(jié)點(diǎn),能夠?qū)⒁粭l信息轉(zhuǎn)播給它的鄰居。通過(guò)這種轉(zhuǎn)播信息的功能,在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)數(shù)據(jù)包可以通過(guò)一條路徑到達(dá)它的目的節(jié)點(diǎn)。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(gè)冗余的通信路徑,一旦一條路徑出現(xiàn)故障,則會(huì)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(diǎn)是增強(qiáng)了可靠性、覆蓋范圍大,缺點(diǎn)是需要更多存儲(chǔ)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(jì)
　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(gè)域網(wǎng)時(shí),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(gè)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(gè)目標(biāo)設(shè)備和下一跳設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址,因此個(gè)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(gè)特性集。在ZigBee特性集中采用樹尋址,其按照等級(jí)分配地址,所分配的地址是唯一的,無(wú)須持續(xù)監(jiān)測(cè)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(jī)尋址方法為設(shè)備分配地址,因此需要持續(xù)監(jiān)測(cè)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(jì)的,并且采用的是網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),所以將采用隨機(jī)尋址方法為設(shè)備分配地址。雖通過(guò)不斷檢測(cè)與監(jiān)控可幫助解決這種尋址方式所帶來(lái)的地址沖突問(wèn)題,但是,對(duì)于控制成百上千個(gè)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(gè)新的個(gè)域網(wǎng)后,所有網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備都進(jìn)行重新隨機(jī)尋址,則會(huì)帶來(lái)兩個(gè)比較大的問(wèn)題:一是需要花費(fèi)大量時(shí)間監(jiān)測(cè)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(duì)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(duì)協(xié)調(diào)器被替換或重新組成了新的個(gè)域網(wǎng)的情況)。首先在網(wǎng)絡(luò)正常時(shí)備份網(wǎng)絡(luò)短地址映射表,將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的64位擴(kuò)展地址與網(wǎng)絡(luò)短地址一一對(duì)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(shí),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(huì)建立新的網(wǎng)絡(luò)連接,此時(shí)所有節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址將會(huì)被更新。若讀取成功,則協(xié)調(diào)器將會(huì)以64位的擴(kuò)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(kuò)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(guò)程中若出現(xiàn)新的64位擴(kuò)展地址,協(xié)調(diào)器則將其視為新的子節(jié)點(diǎn),并隨機(jī)分配新的網(wǎng)絡(luò)地址,同時(shí)對(duì)新分配的網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(duì)于協(xié)調(diào)器而言,如果想保證所有節(jié)點(diǎn)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(kuò)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(dòng)電源設(shè)計(jì)
　LED電路驅(qū)動(dòng)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(dòng)器,其采用開環(huán)峰值電流模式控制,可通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)恒定電源模式或關(guān)斷時(shí)間模式。HV9910B有兩個(gè)采樣閾值電壓,一個(gè)為內(nèi)部的250 mV,另外一個(gè)是LD引腳處的外部電壓,實(shí)際工作時(shí)使用的閾值電壓為兩個(gè)電壓中較低者。因?yàn)椴蓸与妷旱?故可使用較小的電阻來(lái)檢測(cè)電流,這意味著效率會(huì)更高。其最小輸入電壓可以低至8 V,在汽車運(yùn)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(shí)還包含一個(gè)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(hào)[3]。因此HV9910B只需要三個(gè)部件(除電源部分)即可產(chǎn)生一個(gè)受控制的LED電流,使之成為低成本LED驅(qū)動(dòng)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(dòng)原理圖,電感L和電阻R的具體參數(shù)計(jì)算見(jiàn)下。

3 系統(tǒng)整體工作流程
　系統(tǒng)中,ZigBee無(wú)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(qiáng)型8051CPU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、8 KB的RAM和許多其他強(qiáng)大的功能。系統(tǒng)中的每一個(gè)終端、路由分別控制一盞燈,每個(gè)燈對(duì)應(yīng)一個(gè)ID。CC2530的引腳控制著LED驅(qū)動(dòng)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(cè)傳感器。當(dāng)LED路燈關(guān)閉時(shí),這些節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)。一旦路燈開啟,這些節(jié)點(diǎn)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(cè)LED路燈的溫度、電流和電壓,一旦這些參數(shù)超過(guò)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(wú)線上傳。節(jié)點(diǎn)正常工作后,將會(huì)定時(shí)將各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)無(wú)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(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)后,再將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī),從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。如果某個(gè)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(guó)家節(jié)能減排號(hào)召,同時(shí)設(shè)計(jì)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(cè)環(huán)境參數(shù)的傳感器(如光線強(qiáng)度),特別是在陰天與雷雨天氣,能自動(dòng)控制所有的節(jié)點(diǎn)開啟路燈[5]。
　系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)整體的工作流程如圖4所示。其中,終端節(jié)點(diǎn)的異常處理是指電流、電壓或溫度異常,這些異常狀況都會(huì)導(dǎo)致LED路燈自動(dòng)關(guān)閉。協(xié)調(diào)器接收到的應(yīng)用事件包括:各節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)、上位機(jī)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(cè)試
　在構(gòu)造實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)配置了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器,兩個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)和三個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)分別控制5盞LED路燈,協(xié)調(diào)器則通過(guò)串口與上位機(jī)相連。經(jīng)測(cè)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(shí)通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控界面對(duì)LED路燈進(jìn)行簡(jiǎn)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(lái)。監(jiān)控界面是用DELPHI2010編寫的,可以實(shí)時(shí)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(shí)驗(yàn)室條件下監(jiān)測(cè)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(dòng)電源設(shè)計(jì)兩方面,探討了如何將新型短距離無(wú)線通信技術(shù)ZigBee運(yùn)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(shí)運(yùn)用CC2530新型單片機(jī)檢測(cè)控制LED路燈,可大大提高傳感器的靈敏度和可靠性,延長(zhǎng)LED路燈的使用壽命。經(jīng)測(cè)試,整個(gè)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(jià)值。
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