怎么实现ZigBee路灯远程控制系统的设计？

引言
  
  
  
  
  
  当代社会，城市路灯照明／景观照明建设不仅带给人们光明与视觉享受，而且成为展现城市魅力的重要窗口，但是在带来明亮、绚丽色彩的同时也带来了诸多的困扰，比如管理、费用、用电、电缆被盗等问题。基于ZigBee无线模块技术和LED光源的路灯系统，是一种自动化成度高、高效节能的城市照明系统。LED光源是一种高效能、环保、安全、耐用的新型照明光源，ZigBee无线路灯控制器可以对路灯照明系统进行科学、高效的控制和资源整合，合理调整照明时间，不仅可以节省照明系统的用电量，而且可以延长照明灯具的使用寿命，减少日常维护的开支。
  
  
  
  
  1 系统方案与设计
  
  
  
  
  
  系统由三大部分构成：控制中心，ZigBee无线路灯控制器节点和控制中心通信的转发节点，固定在路灯杆上的终端节点。无线路灯远程控制系统结构如图1所示。
  
  
  
  
   
  
  
  
  
  图1 无线路灯远程控制系统结构
  
  
  
  
  控制中心的监控系统由计算机与无线收发模块构成，主要负责建立和管理ZigBee无线路灯控制器网络，显示路灯状况信息和发送控制命令，协调整个路灯系统的运作。ZigBee无线路灯控制器包括LED电源驱动，为大功率LED提供电力，并能根据微控制器的控制信号控制LED的工作情况。光敏传感器、温度传感器，直接将LED工作状况传输给控制模块；功率检测模块检测LED功率情况、供电故障并向上报警；无线模块负责传输数据。将本系统模型与无线传感器网络模型进行对比，不难发现，安置在路灯杆上的ZigBee无线路灯控制器节点即为无线传感器网络中的终端节点(RFD)，控制中心监控系统就是协调器(COORD)，实现COORD与RFD之间无线通信的为路由转发节点(ROUTER)。远程网络使用ZigBee与GRPS混合组成的网络。子网和中央控制中心使用GPRS网络来传输数据。下面具体介绍终端节点硬件电路设计方案。
  
  
  
  
  1．1    LED节点驱动控制设计
  
  
  
  
  LED节点驱动方案使用TI公司的UCC28810，它是一款恒流非隔离式电源，适用于街道、停车场或区域范围照明等高亮度LED照明应用。该设计可将通用电源(90--265 VRMS)转换成0．9 A恒流源，能够驱动100 W LED负载。UCC28810电路如图2所示。
  
  
  
  
   
  
  
  
  
  图2 UCC28810电路图
  
  
  
  
  此电路使用双级设计，第一级是UCC28810的转换模的PWM调光。此方案的优势在于，使用了高效的专用驱式电路，将AC电源转换成36 V的DC电源。第二级也采用UCC28811的转换模式，将恒压源转换为0．9 A恒流源。电路中使用的TI公司的UCC28810和UCC28811芯片是通用照明电源控制器，具有PFC(功率因数校正)功能，确保设计方案满足各种标准设定的谐波电流或功率因数要求。并且UCC28810／11控制器提供如电流峰值限制、复位定时器、过压保护(OVP)和使能等特性，UCC28810／11控制器引脚如表1所列。
  
  
  
  
   
  
  
  
  
  表1 UCC28810／1 1控制器引脚
  
  
  
  
  第一级在低负荷状态下运行，升压跟随器可跟踪AC输入的峰值电压，实现更高转换效率。第二级将PFC输出电压转换为0．9 A的固定电流，以驱动LED负载。第二级不仅可接受PWM调光输入(从外部或从板级电路均可)，而且还可相应开启或关闭调光，从而实现LED电流的PWM调光。由于使用了高效的驱动IC，电源转化效率更高了，在低负荷线路(10w line)运行状态下，升压跟随器可跟踪AC输入的峰值电压，在输入电压为±15％的变动时，仍能保持输出电流变动稳定在±10％内。
  
  
  
  
  1．2状态检测与报警
  
  
  
  
  状态报警与检测主要包括温度感测和感光检测两部分内容。
  
  
  
  
  1．2．1 温度感测
  
  
  
  
  由于大功率白光LED照明和驱动器发热量都很大，所以需要一个温度感测传感器，实时监控路灯的温度，并向控制中心反映。如果温度超过警戒温度，则ZigBee无线路灯控制器进入报警模式，将自动关闭路灯，并向控制器发送报警命令。
  
  
  
  
      温度传感器使用DSl8820，DSl8820是DALLAS公司生产的一款数字温度传感器。其特点有：独特的一线接口，只需要一个端口即可通信；电路无需外部元件，可用数据总线供电，也可外接VCC；工作电压范围广，为3．0～5．5 V，无需备用电源；测量温度范围为55～+125℃，在10～+85℃范围内，精度为±0．5℃。DSl8820具有工作电路简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，应用范围包括恒温控制、工业系统、消费电子产品温度计及任何热敏感系统。
  
  
  
  
  1．2．2 感光检测系统
  
  
  
  
  ZigBee无线路灯控制器使用光敏电阻传感器对周围环境的光亮度进行ZigBee数据采集，当傍晚周围环境还有余光时，ZigBee无线路灯控制器将路灯开启为单双灯模式；当晚上天全黑了以后，将路灯全部打开；当凌晨4点左右出现晨光时，将路灯调节成半功率工作模式。在阴天和沙尘暴天气，道路能见度低，路灯也可自动打开，保证道路正常照明。
  
  
  
  
  本设计使用光敏三极管作为感光元件测量周围环境的亮度，处理器实时将周围环境的亮度通过ZigBee无线模块反馈给控制中心，由控制中心决定是否打开GND路灯。电路图如图3所示。
  
  
  
  
   
  
  
  
  
  图3 光敏三极管电路图
  
  
  
  
  1．3 ZigBee无线模块设计
  
  
  
  
  目前TI公司已经先后推出了支持ZigBee协议的2．4 GHz的射频收发器CC2420和ZigBee的片上系统解决方案CC2430，以及第二代射频收发器CC2520芯片。CC2480无线性能出色，功耗很低。CC2480电路图如图4所示。
  
  
  
  
   
  
  
  
  
  图4 CC2480／ZiqBee模块电路图
  
  
  
  
  CC2480采用CMOS工艺，工作电流仅为27 mA。当系统处于空闲时，CC2480能自动进入休眠状态，并能实现休眠与主动模式的超短时间转换。晶振XTALl选用32 MHz，晶振XTAL2选用32．768 kHz。32．768 kHz的晶振用于睡眠模式，在此期间提供时序，可降低电流、减少功耗，特别适合对功耗和电池寿命要求严格的应用场合。CC2480模块可以直接与上位机之间通过串口通信，本系统选用异步串口模式。
  
  
  
  
  1．4微控制器电路设计
  
  
  
  
  MSP430是TI公司开发的一类具有16位总线的带FLASH的单片机，由于其性价比和集成度高，受到广大技术开发人员的青睐。它采用16位的总线，外设和内存统一编址，寻址范围可达64 K，还可以外扩存储器，具有统一的中断管理，微控制器具体连接电路如图5所示。
  
  
  
  
   
  
  
  
  
  图5 控制模块MSP430电路图
  
  
  
  
  MSP430单片机的P3．4、P3．5端口设置成串口0(MSART0)的收发口，与CC2480的异步串口相连，它们之间实现串口通信。单片机发送数据给CC2480，CC2480无线发送出去；CC2480接收到无线数据后，也透明传送给单片机。
  
  
  
  
  2软件流程设计
  
  
  
  
  
  在本系统中，ZigBee协议可以应用于所有的节点，因为ZigBee协议具有很多的实用函数，例如设备离开或者加入网络，创建一个新的网络，父节点和子节点的搜索，网络信标帧的发送，数据包的发送和接收等。系统工作的过程中，协调器主要进行无线传感器网络的创建，负责接收ZigBee无线路灯控制器发送回来的ZigBee数据采集路灯信息，依据路灯的状况将控制信号发送给路灯节点。路由器节点处在监控状态，负责获取其他节点发送来的信息并判断是不是需要进行转发，与此同时把自身路灯的信息传送给协调器；接收协调器的控制信号来控制路灯的工作状态。终端节点功能是最简单的，只需要负责随时接收协调器发送的控制命令，并向上一级返回路灯当前的状态。
  
  
  
  
  系统投入运行时，首先对CC2480进行初始化，协调器运行初始化协议，同时打开中断。此后软件程序创建新网络，一旦网络能够成功创建，就对相应的网络协调器物理地址、当前建立网络的ID号以及频道号进行显示。协调器软件流程图如图6所示。
  
  
  
  
   
  
  
  
  
  图6 协调器程序流程图
  
  
  
  
  3路灯控制模式
  
  
  
  
  
  根据不同上位机的不同控制命令，路灯节点有如下几种不同的控制模式。
  
  
  
  
  3．1 单双灯开启模式
  
  
  
  
  这个模式有两种情况，编号是奇数的灯开启或者编号是偶数的灯开启。当路灯节点接收到单双灯开启命令以后，路灯会根据自身的ID编号，选择开启还是关闭。这种模式应用于傍晚能见度较高，或者阴雨天、沙尘暴等恶劣天气下城市能见度不佳时。一般是单双灯轮流开启关闭，保证LED路灯工作时间大致相同，以延长其寿命。
  
  
  
  
  3．2全功率开启模式
  
  
  
  
  当ZigBee无线路灯控制器节点接收到全功率开启模式以后，路灯开始工作，并会以全功率打开，亮度最大。这种模式一般在晚上人车流量大和节假日时开启。
  
  
  
  
  3．3半功率开启模式
  
  
  
  
  当ZigBee无线路灯控制器节点接收到全功率开启模式以后，路灯开始工作，但不会以全功率模式工作，而是通过LED驱动模块的PWM调光机制，将LED的功率控制在额定值的一半，起到节约电力的作用。
  
  
  
  
  3．4随机选择关闭模式
  
  
  
  
  这种模式是为了节约电力和延长路灯寿命。在人流不大的道路上发给路灯随机关闭模式命令，路灯节点接收命令后，以一定概率(如20％)自行熄灭30min，由于路灯是随机熄灭的，不会影响到整体的照明情况。
  
  
  
  
  3．5功率异常报警模式
  
  
  
  
  这种模式不是上位机发出的命令。
  
  
  
  
  当路灯节点检测到功率故障的时候(如LED二极管短路、功率过小或过大)，路灯将自行切断照明电源，并向上位机报警。
  
  
  
  
  结语
  
  
  
  
  
  本文主要分析了ZigBee模块组网技术，设计了一种ZigBee无线路灯控制器系统，实现路灯信息的ZigBee数据采集和控制。事实证明本系统网络经一次性布置之后，可以长期可靠运行。路灯节点的数量、位置可随时变更，使得调控路灯变得更加方便、科学。无线LED路灯远程控制系统为解决问题提供一个良好平台。