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)絡拓撲結構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)調器、路由器和終端節(jié)點3種,。其中,，協(xié)調器的硬件結構框圖如圖1所示。
圖1協(xié)調器的硬件框圖
協(xié)調器節(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,，片內集成增強的8051微控制器內核和符合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,。考慮到現(xiàn)場需要,，協(xié)調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)調器節(jié)點流程圖
7結論
隨著計算機技術,、通信技術、控制技術的發(fā)展和人們物質生活水平的提高,，家居,、交通智能化正成為國內外的一個研究熱點。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,。