基于ZigBee技术的LED路灯节能控制系统的设计

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摘要： 基于zigbee技术，设计了LED的路灯控制系统，硬件部分主要包括LED灯驱动和调光电路、传感模块电路等电路的设计。基于CC2430开发的传感模块电路和控制电路，可实现对LED电压、电流、环境照度和车流量等参数的测量。软件部分实现的功能有无线传感网络组网、节点与协调器节点的数据通信等功能。同时，设计了上位机监控软件实现监控和管理的功能。系统测试验证了系统的可行性。

关键词：ZigBee； LED路灯； 计算机监控； 路灯控制系统

中图分类号： TN710⁃34 文献标识码： A文章编号： 1004⁃373X（2014）08⁃0040⁃06

Design of LED streetlight energy⁃saving control system based on ZigBee

YANG Zi⁃wei

（Wuxi Lighting Management Office， Wuxi 214001， China）

Abstract： Based on ZigBee technology， a LED street light control system was designed. In the hardware section， the LED dimming⁃driver circuit and sensing module circuit were designed. The sensing module circuit and control circuit were developed based on CC2430， in which the parameter measurement of LED voltage， current， ambient illumination and traffic flow can be achieved. In the software section， the functions of wireless sensor networking， data communications of nodes with the coordinator node were realized. The PC monitoring software was designed to achieve monitoring and management functions. The feasibility of the system was verified in the system testing.

Keywords： ZigBee； LED street light； computer monitoring； street light control system

0引言

LED路灯做为光源可以降低能源消耗，将路灯的控制与车流量大小相结合，采用智能化实现实时地控制路灯的开关及调整亮度，才能达到节能目的。许多城市设计出了新的照明系统[1⁃2]。在上海，研究者研制出了一个覆盖全市的具有遥测、通信以及遥控功能的计算机路灯监控系统，将有线通信和无线通信相结合。大连市研制了城市路灯监控管理系统，检测每条路段的亮灯率，从而控制全夜或半夜灯。

基于CC2430的LED无线路灯灯具的硬件和软件设计研究，搭建设计整个路灯节能控制系统：包括上位机、协调器、路由器节点、终端节点的组网研究及设计。

1总体架构及功能

系统按功能分为ZigBee路灯控制器、ZigBee路由器、网络协调器（GPRS数传终端+ZigBee协调器）和监控中心（GPRS数传终端+监控管理软件）。如图1所示。

基本功能：

（1） 人工监控。可以根据突发状况或路灯管理经验按需开关、调光等人工手动控制。

（2） 感应控制。根据光敏传感器感知照明现场的光照度。系统控制软件分析处理后，输出相应的控制命令。

（3） 节能监控。根据道路的真实照明需求，给出节能的照明方案。

（4） 人性化控制方式。管理人员通过监控平台控制路灯的开关。

（5） 故障检测和设施维护。现场监测和远程监测相结合，掌握道路现场每盏路灯的运行情况。

2硬件设计

硬件部分划分为4个功能模块：

（1） 用于检测路灯的电流、电压、道路的照度值、车流量大小的传感模块；

（2） 实现各个灯杆传感器模块之间，以及灯杆和控制中心之间相联系的无线通信模块；

（3） 控制路灯开关和调节亮度的路灯控制模块；

（4） 路灯管理中心的监控模块。

图1 整体系统框图

2.1无线网络

采用GPRS和ZigBee两层网络结构。利用树形无线网络结构对路灯进行无线控制。有协调器节点、路由器节点、系统的终端节点。通过GPRS，协调器将串口上传的数据发送到监控中心。

在树状结构网络中，设备能与自己的父节点或子节点进行点对点的通信，其他的信息传输只能通过树状路由器完成。每次上电初始化后，主协调器首先选择PAN标识符ID，将自身短地址设置为0，然后向网络中的附近节点发送信标帧来接受其他设备的连接请求，这些设备组成树的第一级扩展。连入的设备如果是终端设备，将得到协调器分配的短地址；如果作为路由器，那么会获得协调器分配的一簇短地址集合，这个路由器就可以根据协调器的信标来配置自己的信标信息并向外发送，允许其他设备接入网络成为下级子设备。

2.1.1ZigBee

主控芯片选用CC2430，MAC固化在收发器中，MAC层与PHY层集成在一起，利用2.4 GHz ISM波段，低功耗、低成本[3⁃4]。51内核作为控制系统的微控制器，完成无线网络的通信功能。CC2430集成了内存、ZigBee射频（RF）前端和微控制器，非常节能。支持2.0~3.6 V供电。包含128 KB的FLASH程序存储器，可编程。CC2430的RAM容量为8 KB，其中4 KB在所有电源模式下都具有数据保持能力。支持硬件调试，有强大灵活的开发工具。由于芯片的集成度非常高，因此只需要极少的组件就可以工作。

网络中的协调器和路由器节点以及终端节点都是以CC2430片上系统为核心器件的。设计的无线模块包括： CC2430 芯片、32.768 kHz的实时时钟、32 MHz 系统时钟、调试接口、两个LED 指示灯、天线以及为系统供电的电池。

2.1.2GPRS

ZigBee网络中的主协调器和监控平台之间的通信采用GPRS方式，当终端附着到GPRS网络时，GPRS网络将分配给它一个动态的网内IP地址，协调器可以通过该地址对具有公网IP地址的监控平台进行访问。

系统选用带有GPRS功能的GSM模块。因网络协调器工作在室外，应易于安装、接口简单、有较强的抗干扰能力，并对系统其他部分的干扰很少。选择西门子公司的MC37i作为GPRS收发模块。MC37i使用40脚零插拔力插座与底板相连，硬件电路的主要组成部分包括：SIM卡，IGT开启电路、电源，SYN信号指示，串口通信。

2.2协调器节点

通信条件较好的CC2430做为ZigBee网络协调器节点，负责建立和管理网络，形成一个ZigBee站，在其中加入一个MAX232芯片实现与GPRS的通信，通过GPRS网络，监控平台与ZigBee网相联系，组成控制网络。LED路灯的电压和电流的状态信息、道路照度信息、车流量信息最终传到监控中心，监控中心通过ZigBee协调器将控制命令发送到网络中去的。

2.3路由节点及终端节点

这两个节点都安装在路灯上，发挥不同的功能。

2.3.1终端控制器

其性能应能满足路灯信息的采集、数据的传输和处理。将定型的模块安装在路灯的内部。

道路LED灯具主要包括：桥式整流模块、EMI滤波器、功率因素校正电路（APFC）、CC2430无线模块、LED控制驱动电路及其PWM模块。系统将ZigBee无线通信模块和LED驱动电路结合起来控制LED灯具亮度。LED灯具使用的是220 V/50 Hz的电源，经过桥式整流电路将交流电变换成直流电，再引入了APFC电路提高电源的功率。通过与CC2430无线通信模块相结合，所有的LED灯具组成一个无线控制网络，每个LED灯都是一个节点，具有单独且惟一的网络ID，通过CC2430，灯具可以接受调光控制命令，通过PWM模块以及LED控制驱动模块，可以实现电压和电流的调节，从而实现灯具调光控制。

采用恒流驱动为LED的驱动方式[5]。可实现LED 亮度的准确调节并使亮度稳定，避免LED正向电压的改变而引起电流变动，选用HV9910B芯片。其效率超过90%，输出电流从mA级到1 A以上，能协同外部0~100%的PWM信号工作。

路灯负载的开关控制通过开关控制模块来实现，控制信号从单片机端口输出，通过数据选择器来选定路灯开或关。电路中开关控制器选用的是双稳态继电器JE7，可减小传感板维持继电器常开或常关的所需的能耗。其动作电压和复位电压分别为-5 V和+5 V，利用CC2430的某一个I/O接口的输出电压来控制JE7的断开或闭合，然后将信号输出至继电器进行控制。模拟多路复用器ADG408芯片用来进行这一电平选择。

2.3.2传感器

传感模块分为电压和电流采集板和道路照度信息和车流量信息采集板两部分。前者安装在灯具上，后者安装在十字路口。传感器群的性能直接影响了节点最终的能耗和体积，应当功耗低，体积小，工作电压低。

电压电流采集模块：LED路灯使用的是220 V的交流电。由于CC2430单片机要求I/O口输入电压必须小于等于其工作电压，因此可以将高直流电压按一定比例进行分压输出，如图2所示，采用下述方法来实现分压输出。假设LED驱动输出电压为200 V，将100 MΩ电阻R1和1 MΩ电阻R2串联到LED驱动的输出端。在保证两个电阻不超出其额定功率的前提下，此时R2上的电压大致为2 V。由于LED负端通常不接地，所以在没有共同参考点的情况下A输出点是不能直接输入到A/D中去。就需取出R2两端的差分电压，用高共模电压差分放大器AD629来实现。

图2 电阻分压示意图

车流量检测传感器采用被动式热释电红外传感器P2288，置于十字路口的上方作为探头，进行车流量信号采集，将检测到的车辆信息转换并输出微弱的电信号，再经窗口比较器、运算放大器和防误触发电路滤去其他的干扰后，将得到的信号驱动单片机进行计数与分析。对参数进行处理，分析产生的波形，形成各种控制信号实现车流量的统计[6⁃7]。该检测装置主要由传感器和检测放大电路、单片机、CAN总线控制器和CAN 总线收发器五部分组成。单片机选用AT89C51。

光敏电阻采样电路：系统采用光敏电阻实现对环境亮度监测，变化控制路灯光线亮度。采用LXD3537光敏电阻。通过CC2430的A/D口采集R3两端的电压，经U⁃Lux关系转换，就可以得到环境的亮度[8]。

2.4监控中心

监控中心由PC 机和GRPS 模块组成。实施计算机或操作人员设定下发的遥测、遥控命令；实时处理保存信息，并以声音、图形的方式呈现给工作人员[9]。

3软件设计

3.1红外检测车流量系统设计

图3是车辆经过红外探测器时输出端的波形示意图。其中A2表示车与车之间的间隔时间。采用单片机的T0对脉冲数进行计数，在来车的同时，即在脉冲产生的下降沿进入外部中断，这时开始计时，图3中B段所示，进入中断后立即关闭外部中断，并启动定时器进行计时， 这可以防止此辆车的第二个脉冲下降沿到来时继续使程序进入中断再重新启动定时器。B段时间表示一辆车从头至尾经过探测器的时间。同时判断在B段时间内产生的脉冲数， 如果2

图3 车流量监测基本结构框图

3.2灯具控制模块设计

该系统能达到根据环境的明暗变化自动开关灯，当白天天亮时灯灭，当黑夜降临，环境渐渐变暗时亮灯。且能根据交通车流量情况自动调节路灯的亮暗程度，即车流量大就调高亮度，车流亮小就调低亮度，从而节省电能。系统上电后，先对各个单元进行初始化，然后根据照度传感器的数值判断是否要开关灯，当照度低于某个阈值时，系统自动打开路灯。当红外传感器监测到车流量数据后，信号通过ZigBee无线网络，运用PWM调节路灯的发光强度，实现明暗控制。

3.3道路协调器部分

整条道路路灯的控制核心是主协调器，也是ZigBee无线网络的核心部分。主要负责：一是接收路由节点或终端节点发送来的信息，并通过串口发送至GPRS网络，再转发给监控中心；二是将监控中心发送来的命令通过协议，转换命令，并通过串口发往路由器节点。图4展示了这一具体流程。

3.4道路路由节点部分

同样，设计了路由节点的流程（见图5）。

3.5组网过程程序

网络组建过程：

（1） 网络初始化阶段，节点完成初始化，检查网络是否存在；

（2） 主节点配置网络，产生主节点，开始配置网络；

（3） 从节点入网，作为从节点加入网络。

图4 协调器节点流程图

图5 路由节点流程图

硬件初始化程序及组成网络程序的主要程序段：

void main（）

{ numTimeouts=0；//超时次数

halInit（）； //CC2430初始化，芯片寄存器设置

evbInit（）； //硬件接口设置

#ifdef PAN_COORDINATOR

KeyInit（）； InitLcd（）；//初始化液晶部分

TurnOnDisp（）； //开机画面显示

ClearScreen（）； //清屏

#else

InitSensorIO（）； //初始化I/O端口

SensorPowerOn（）；//打开传感器电源

#endif

aplInit（）；//初始化ZigBee协议栈

conPrintConfig（）； ENABLE_GLOBAL_INTERRUPT（）；

//启用中断

EVB_LED1_OFF（）；EVB_LED2_OFF（）；KeySw=1；

#ifdef PAN_COORDINATOR//如果定义的是协调器

Apl FormNetwork（）； //组网子程序，形成一个新网络

while（apsBusy（）） {apsFSM（）；} //等待网络形成

conPrintROMString（“Network formed，waiting for RX\n”）；

//显示部分

Print6（7，3，”Network formed!”，1）；

EVB_LED1_ON（）；halWait（900）；ClearScreen（）；

Print6（0，9，”ZIGBEE COORDINATOR”，1）；

LoadICO32_32（1，40，1）；//显示路灯开

Print6（7，3，”Waiting for node joining!”，1）； //初始化显示

#else//非协调器则为加入现有网络

do{

aplJoinNetwork（）； //加入网络

while（apsBusy（））

{apsFSM（）；}//等待加入网络完成

} }

3.6监控软件设计

利用 NI 公司的LabVIEW 8.6编写，软件界面如图6所示，它主要包括四个模块。

图6 上位机软件界面

3.6.1系统管理模块

该模块是软件的核心，完成软件的初始化及数据库管理。打开软件后，计算机首先从硬盘读入控制器指令集合，它以文本文件（.txt）形式保存。然后以软件指定的参数将串口打开，接收协调器通过GPRS发送来的节点信息，这些节点信息包括IEEE地址，工作电流与电压。以路灯的IEEE地址作为关键字段，将各路灯信息写入数据库。

3.6.2路灯控制模块

该模块为方便紧急情况的处理，特别设置了手动控制，可以实现对所有路灯进行整体开关，也可以整体控制路灯的亮度，此时调节路灯亮度的脉宽信点由“亮度控制”按钮决定，与环境亮度及车流量无关。

如要手动单个控制路灯，可选择在“单灯模式”下工作。首先通过“选择路灯”按钮找到要调节的路灯，通过点击旁边的按钮 “关”，来进行开灯与关灯的轮换，同时拖动右边“亮度控制”手柄，可进行亮度调节。

3.6.3路灯测量模块

路灯测量模块测量的信息分两个部分，一是每个路灯的工作电压与工作电流；二是协调器测量的环境照度与车流量。选择某个路灯后，其工作电流、工作电压、功率及设置的工作状态在软件界面以文本框及指示灯的形式显示。

3.6.4异常处理模块

当某个路灯不是通过正常途径熄灭，则作为异常出现在报警界面。

借助数据库技术来解决不同节点入网时路由地址的随机变化。依据每个路灯惟一的IEEE地址找到数据库中对应的路灯编号，就可定位路灯，为维修管理提供方便。利用 LabVIEW的ActiveX接口技术，直接对Microsoft的Access数据库进行操作。

4各模块的性能测试

4.1测试环境与条件

实验室内，室温约15 ℃，节点输出功耗为-27 dBm。采用四个网络节点组成网络进行数据传输测试，子节点与协调器节点的距离设置为20 m左右，路灯则利用LED驱动和恒流源进行模拟。

测试平台包括如下部分：ZigBee模块，CC2430芯片；测试工具，串口线+串口调试工具（ScomAssistant V 2.2）；计算机配置，Pentium（R）4.2 GB内存等。

本文组建的网络由四个节点组成：一个协调器节点（C），1个路由器节点（R1）和两个终端节点（R2，R3）。不同网络类型节点分别烧录相应程序。拓扑结构如图7所示。第一步，给C上电，建立ZigBee网络，第二步，给R1上电，R1顺利加入网络中后，将C作为其父节点加入邻居列表中，第三步，给R2和R3上电，把R1作为父节点加入到其邻居列表中，R2和R3均可以通过R1和协调器进行通信，这样树形网络建立起来了。

最后打开终端节点模块的电源，若路由器的LED 2闪烁两次则表示终端节点模块加入到路由器中。根据屏幕显示，子节点的物理地址为0xFFFFFFFFFFFFFF02。通过路由器，终端节点与网络协调器互相通信，此时如果关掉路由器节点的电源，终端节点与网络协调器的通信就会中断。

图7 实现的树形拓扑结构

4.2串口接收数据测试

如图8所示，当节点加入网络后，开始采集LED路灯运行信息，并将信息发送到协调器。协调器收到的数据将在串口中显示。在图中，“Device”后是发送数据的节点的网络短地址，以及电流、电压。在我们的测试中只选用两个节点，它们加入网络后，分配到的地址为0x0002和0x0003，运行状态良好。在串口发送栏中分别采用十六进制发送0和1两个字符，代表继电器的开和闭，从而控制LED的开和关。

图8 串口接收数据测试

4.3GPRS 配置及数据传输测试

将GPRS与协调器的RS 232接口连接，就可以对GPRS进行参数配置[10]：通过数据线，将GPRS DTU终端连至计算机RS 232接口，让其上电运行。执行配置操作时未连接天线、不插入手机卡也可以进行。启动配置程序，如图9所示配置终端参数，选择GPRS参数配置按钮，弹出GPRS终端配置窗口，按配置填写参数，服务端器口、数据中心、主站地址、终端地址、服务密码由VIPS服务商提供。

图9 GPRS参数配置

接下来配置监测中心参数。确认运行主站测试工具软件的计算机可以直接访问Internet。运行主站测试工具，弹出主站参数配置窗口，进行填写。在GPRS主站和终端完成配置后，再将GPRS通信终端添加至主站测试软件中。

在所有配置完成后，可以进行GPRS的数据接收测试，如图10所示主站计算机显示数据接收界面所示，可以通过主站监测系统来观察数据接收的情况。

图10 主站显示串口接收数据

测试结果表明系统具备以下功能：传感节点能自动搜索发现协调器节点，加入网络后，能够开始采集数据并向协调器发送；自动建立无线传感网络；GPRS网络通信正常，远端计算机能够接收路灯状态信息。

5结语

以ZigBee和GPRS两层无线网络作为通信手段，根据道路照度信息和车流量信息对灯具进行开关和调光从而节能是可行的，设计的上位机监控软件功能完整。

参考文献

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