基于ZigBee的智能小區(qū)LED路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

? ? ? ? 隨著我國(guó)城市化建設(shè)的深入，大中型城市中智能化管理的高檔小區(qū)、花園別墅、綜合設(shè)施等( 以下統(tǒng)稱“智能小區(qū)”) 需要有與其配套的高效環(huán)保的智能化照明控制系統(tǒng)，要求在對(duì)照明設(shè)備信息的獲取和控制方式上做到遠(yuǎn)程化、智能化、個(gè)性化?，F(xiàn)代智能小區(qū)的照明設(shè)計(jì)已不僅是小區(qū)道路和庭院的照明設(shè)計(jì)，往往還包括一些景觀照明設(shè)計(jì)。小區(qū)主干道照明、支路照明、綠化景觀照明可分別采用單獨(dú)回路供電，這樣可以根據(jù)不同需要，對(duì)各處的照明實(shí)行單獨(dú)控制，節(jié)約電能。

　　　1 ZigBee 協(xié)議應(yīng)用于智能小區(qū)照明的優(yōu)勢(shì)

　　ZigBee 技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入到各種設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位功能。ZigBee 技術(shù)的較低數(shù)據(jù)速率以及較小通信范圍的特點(diǎn)決定其適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)。

　　IEEE802. 15. 4 協(xié)議定義了兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是2. 4GHz 物理層和868 /915MHz 物理層。2. 4GHz 波段為全球統(tǒng)一無(wú)需申請(qǐng)的ISM 頻段，有助于ZigBee 設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低;為了避免干擾，除了2. 4GISM 頻段外，歐洲還采用868MHz 頻段，美國(guó)采用915MHz 頻段作為ZigBee 的工作頻段。這些頻段都比較近，對(duì)信號(hào)合成器的程序稍微改動(dòng)，就可以使用相似的硬件，從而降低生產(chǎn)成本。

　　由于這兩個(gè)頻段上無(wú)線信號(hào)傳播損耗較小，可以降低對(duì)接收機(jī)靈敏度的要求，獲得較遠(yuǎn)的有效通信距離，從而可以用較少的設(shè)備覆蓋較大的區(qū)域。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)含3 種類型的節(jié)點(diǎn)，即協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備，支持星狀、樹狀和網(wǎng)狀3 種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　從ZigBee 協(xié)議特點(diǎn)可以看出，將ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)用于智能小區(qū)路燈控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：短距離、小范圍傳輸，具有成本優(yōu)勢(shì);頻率范圍在小區(qū)內(nèi)具有較強(qiáng)的抗干擾性，可以利用小區(qū)的地域特點(diǎn)選擇合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且組網(wǎng)簡(jiǎn)單可靠;經(jīng)過(guò)合理布局，在一個(gè)小區(qū)內(nèi)能做到無(wú)任何通訊盲區(qū)，利用其地理定位的功能，便于對(duì)LED 路燈在小區(qū)分布區(qū)域進(jìn)行管理。

　　2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　如圖1 所示，整個(gè)系統(tǒng)由小區(qū)路燈監(jiān)控與管理系統(tǒng)、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、LED 路燈支路控制器、LED 路燈及驅(qū)動(dòng)電路、ZigBee 終端支路控制節(jié)點(diǎn)和ZigBee 終端環(huán)境參數(shù)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)組成。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成依據(jù)小區(qū)環(huán)境參數(shù)( 如亮度、溫度、濕度) 自動(dòng)運(yùn)行，無(wú)需人工干預(yù)，并能及時(shí)檢測(cè)社區(qū)各路燈的工作狀態(tài)，及時(shí)跟蹤維護(hù)。智能小區(qū)信息管理中心( PC 監(jiān)控臺(tái)) 負(fù)責(zé)監(jiān)視整個(gè)社區(qū)路燈的運(yùn)行情況，并能根據(jù)控制臺(tái)命令人工控制各路燈的開關(guān)、亮度，其用RS232 串口與ZigBee 網(wǎng)絡(luò)通訊;無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)傳送監(jiān)控臺(tái)的命令并搜集ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息;終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)LED 路燈的控制與驅(qū)動(dòng);ZigBee 終端支路電壓電流檢測(cè)電路用于檢測(cè)整個(gè)支路的電壓電流狀態(tài);ZigBee 終端環(huán)境參數(shù)檢測(cè)電路用于檢測(cè)整個(gè)小區(qū)的環(huán)境參數(shù)，包括光線強(qiáng)度、溫度、濕度，以之作為ZigBee 終端控制的依據(jù)。

　　
圖1 系統(tǒng)組成方框圖

　? ? 2.1 ZigBee 組網(wǎng)設(shè)計(jì)

　　2. 1. 1 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)開發(fā)工具的選擇

　　ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)使用成都無(wú)線龍C51RF -3系統(tǒng)。其處理器采用TI 公司的CC2430，單個(gè)芯片上整合了ZigBee 射頻( RF) 電路和微控制器，它使用1個(gè)8 位MCU(8051) ，具有128kB 可編程閃存和8kB的RAM，還包含模擬- 數(shù)字轉(zhuǎn)換器( ADC)、定時(shí)器( Timer) 和AES128 協(xié)同處理器[4]。C51RF - 3 系統(tǒng)支持ZigBee2006 協(xié)議，是一款經(jīng)濟(jì)、高效、方便、快捷、可重復(fù)使用的開發(fā)工具套裝，完全滿足IEEE802. 15. 4 標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)。在組網(wǎng)方面，C51RF - 3 系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)組建串狀網(wǎng)絡(luò)和星狀網(wǎng)絡(luò)。ZigBee2006 協(xié)議中默認(rèn)參數(shù)為：最大路由深度MAX_DEPTH = 5，最多子節(jié)點(diǎn)數(shù)MAX_CHILDREN = 20，最多路由子節(jié)點(diǎn)數(shù)MAX_ROUTERS = 6，這三個(gè)重要的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)決定了在默認(rèn)情況下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的大小[3]。在C51RF - 3 系統(tǒng)中，ZigBee 設(shè)備的無(wú)障礙無(wú)線傳輸距離可達(dá)到100m;在有障礙物的情況下，可靠傳輸距離超過(guò)30m，因此在小區(qū)內(nèi)能方便地實(shí)現(xiàn)布網(wǎng)。對(duì)于一些大型社區(qū)，可通過(guò)修改網(wǎng)絡(luò)的最大路由深度和最多路由節(jié)點(diǎn)數(shù)來(lái)擴(kuò)展其傳輸距離。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用星形網(wǎng)絡(luò)，如圖2 所示。

　　
圖2 系統(tǒng)的組網(wǎng)設(shè)計(jì)

　ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)開發(fā)平臺(tái)C51RF - 3 - PK 軟件開發(fā)平臺(tái)IAR Embedded Workbench( 簡(jiǎn)稱EW) 對(duì)不同的微處理器提供一樣的直觀用戶界面[5]。在這個(gè)開發(fā)系統(tǒng)的Demo Code 中定義了3 種設(shè)備，分別是協(xié)調(diào)器(COORDINATOR)、路由器(ROUTER) 和終端節(jié)點(diǎn)( ENDDEVICE)。用戶在開發(fā)自己的應(yīng)用程序時(shí)可通過(guò)改變編譯配置項(xiàng)，輕松開發(fā)出組建ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)設(shè)備，并且在其ZigBee 協(xié)議棧內(nèi)嵌入了操作系統(tǒng)OS，具有任務(wù)的消息通信、超時(shí)反饋機(jī)制，用戶能很容易地?cái)U(kuò)充自己的應(yīng)用程序。

　　ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)尋址原理：ZigBee 網(wǎng)絡(luò)在初始化時(shí)，協(xié)調(diào)器依據(jù)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)終端的MAC 地址給每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)16 位短地址，此地址在網(wǎng)絡(luò)中是唯一的，在協(xié)調(diào)器中建一個(gè)二維表，包括每個(gè)節(jié)點(diǎn)的MAC 地址及16 位短地址，依據(jù)此表，小區(qū)信息管理平臺(tái)能夠?qū)ぶ返矫恳粋€(gè)節(jié)點(diǎn)，可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)單盞燈的操作，也可通過(guò)廣播信息實(shí)現(xiàn)對(duì)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)的控制。信息的轉(zhuǎn)發(fā)與路由則由網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)完成，不需要應(yīng)用程序干預(yù)。

　　
圖3 智能小區(qū)網(wǎng)絡(luò)管理流程圖

　　2. 1. 2 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)管理流程的設(shè)計(jì)

　　所有的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通電以后，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)是自動(dòng)組網(wǎng)的，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后( 系統(tǒng)中可設(shè)定) ，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息通過(guò)RS232 串口傳輸給上位機(jī)的小區(qū)路燈監(jiān)控系統(tǒng)，形成監(jiān)控平臺(tái)，在其上顯示基于地域的路燈圖形顯示信息。整個(gè)智能小區(qū)的LED 路燈管理方案采用四級(jí)控制策略，如圖3所示，其中小區(qū)管理員在配置好系統(tǒng)后，只有在緊急情況或特別情況下，才需要干涉LED 路燈照明系統(tǒng)的運(yùn)行，并且可以監(jiān)控整個(gè)照明系統(tǒng)的運(yùn)行;智能小區(qū)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)采用基于日期的控制策略，在不同日期( 如節(jié)假日) 可以采用不同的照明方案;ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器則可以根據(jù)環(huán)境參數(shù)，如光線強(qiáng)度，啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的照明，特別是在一些比較特殊的天氣，如陰天、雷雨天氣，能夠自動(dòng)開啟照明系統(tǒng);LED 路燈的最終照明是通過(guò)ZigBee 終端來(lái)控制實(shí)施的，正常情況下，可采用基于時(shí)間的控制策略來(lái)控制LED 路燈的開關(guān)。

　　2. 2 路燈節(jié)點(diǎn)控制設(shè)計(jì)

　　路燈節(jié)點(diǎn)的控制方式可設(shè)計(jì)成兩種。第一種是基于單盞燈的控制方式，系統(tǒng)能單獨(dú)控制每盞燈的開關(guān)、功率、光色( 采用R、G、B 三色LED，根據(jù)三基色原理控制) ，這樣能方便地根據(jù)環(huán)境參數(shù)，如光強(qiáng)度、濕度、溫度，及時(shí)間設(shè)定特定的燈光控制策略，如在節(jié)假日可顯示不同的色彩及亮度;第二種是基于支路的控制方式，它通過(guò)控制支路的電源來(lái)實(shí)現(xiàn)，依據(jù)支路的電壓、電流傳感器測(cè)得的支路電壓和電流值來(lái)確定支路的工作功率及工作狀態(tài)是否正常。

　　LED 路燈驅(qū)動(dòng)芯片采用PT4115，其最大功率為36W，對(duì)功率要求較大的場(chǎng)合可采用多塊PT4115 芯片組合。PT4115 是一款連續(xù)電感電流導(dǎo)通模式的降壓恒流源，其輸入電壓范圍為8 ～ 30V，輸出電流可調(diào)，最大可達(dá)1. 2A，根據(jù)不同的輸入電壓和外部器件，PT4115 可以驅(qū)動(dòng)高達(dá)數(shù)十瓦的LED;PT4115 內(nèi)置功率開關(guān)，采用高端電流采樣設(shè)置LED 平均電流，并可通過(guò)DIM 引腳接受模擬調(diào)光和很寬范圍的PWM 調(diào)光，DIM 引腳直流電壓的有效調(diào)光范圍是0. 5 ～ 2. 5V，當(dāng)直流電壓高于2. 5V，輸出LED 電流保持恒定，并由(0. 1 /RS) 設(shè)定，系統(tǒng)則通過(guò)CC2430 I /O 口模擬產(chǎn)生PWM 波形來(lái)控制路燈的亮度，當(dāng)DIM腳的電壓低于0. 3V 時(shí)，功率開關(guān)關(guān)斷，PT4115進(jìn)入極低工作電流的待機(jī)狀態(tài); 其轉(zhuǎn)換效率高達(dá)97% ，輸出電流精度達(dá)± 5% ;芯片具有過(guò)溫、過(guò)壓、過(guò)流、LED 開路保護(hù)等多種功能;采用SOT89 - 5 封裝，有利于驅(qū)動(dòng)芯片管芯的快速散熱;其應(yīng)用電路簡(jiǎn)單，周邊僅4 個(gè)元器件，應(yīng)用成本低廉。如圖4 所示。

　　
圖4 終端節(jié)點(diǎn)的控制電路

　3 總結(jié)

　　通過(guò)對(duì)基于ZigBee 技術(shù)的智能小區(qū)LED 路燈控制系統(tǒng)的研究，探討了在智能小區(qū)中ZigBee 技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及LED 路燈的應(yīng)用特點(diǎn)，給出了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，可根據(jù)實(shí)際需求，制定多種具體的小區(qū)照明方案。