《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2012年第10期
張 毅, 楊鵬博,, 郭 權(quán)
重慶郵電大學(xué) 通信學(xué)院, 重慶400065
摘要: 為實(shí)現(xiàn)城市路燈的節(jié)能要求,,設(shè)計(jì)了基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的路燈控制系統(tǒng)。系統(tǒng)使用ZigBee路燈控制節(jié)點(diǎn)將路燈的各項(xiàng)狀態(tài)信息發(fā)送至網(wǎng)關(guān),,然后經(jīng)過GPRS網(wǎng)絡(luò)匯總到系統(tǒng)監(jiān)控中心,,通過監(jiān)控中心可對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)路燈進(jìn)行實(shí)時(shí)控制與檢測(cè)。通過實(shí)際的安裝與測(cè)試表明,,該系統(tǒng)有較高的可靠性和穩(wěn)定性,,節(jié)能效果明顯。
中圖分類號(hào): TP393
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B
文章編號(hào): 0258-7998(2012)10-0077-04
Design of streetlight control system based on the ZigBee network
Zhang Yi, Yang Pengbo, Guo Quan
College of Communication, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China
Abstract: In order to realize the energy reduction of urban streetlight, this paper designs a streetlight control system based on ZigBee wireless network. Using this control system, the state information of every light are sent to the network gateway, which collects the information transmitted to the monitor system centre by GPRS network, the monitor system can control and inspect every lights. Through the actual installation and testing of this control system, the system achieves higher reliability, stability and obvious energy saving effect.
Key words : ZigBee,; CC2530,; street light control system; GPRS

    “節(jié)能減排”已成為當(dāng)前我國(guó)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(zhǎng)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(cè),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(cè)指令至ZigBee子網(wǎng)對(duì)單個(gè)路燈進(jìn)行控制和檢測(cè),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(cè)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(cè)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(cè)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(chǎng)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(cè)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(cè)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(qǐng)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(cè)試
    監(jiān)控中心[5]的控制界面采用網(wǎng)頁(yè)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(cè),。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(zhǎng)時(shí)間測(cè)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(cè),,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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