孔令榮，王 昊

(南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，江蘇 泰州225300)

1 課題背景

當(dāng)代社會，城市路燈照明/景觀照明建設(shè)不僅帶給人們光明與視覺享受，也成為展現(xiàn)城市魅力的重要窗口，但在帶來明亮、絢麗色彩的同時也帶來了諸多，如:管理、費(fèi)用、用電、電纜被盜等問題。

燈光照明用電消耗約占總用電量的20%，降低用電消耗是節(jié)約能源的重要途徑。目前我國為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，大力發(fā)展綠色照明。關(guān)于綠色照明目前市場上主要是針對LED節(jié)能光源產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)，而城市照明系統(tǒng)是一個具有潛力的綠色照明系統(tǒng)，通過智能照明控制裝置，合理調(diào)整照明時間，不僅可以節(jié)省照明系統(tǒng)20%以上的用電量，照明燈具的使用壽命也得到了較大幅度的延長，同時也降低了管理費(fèi)用。

但是，當(dāng)前國內(nèi)外對于路燈照明系統(tǒng)科學(xué)高效的控制和資源整合產(chǎn)品較少，功能不全，而基于短距離無線通信技術(shù)的LED路燈遠(yuǎn)程控制方案正是根據(jù)目前國內(nèi)現(xiàn)狀而生的產(chǎn)物。LED照明技術(shù)是一種高效能、環(huán)保、安全、耐用的新型照明技術(shù)。普通路燈用的熒光燈和HID燈雖價格便宜，但光效低、壽命短、維護(hù)工作量大，若使用LED，不僅光效高，且壽命長，目前水平可連續(xù)工作時間10 000 h以上，大幅減小維護(hù)工作量。另外LED光源還具有使用低壓電源、耗能少、適用性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、響應(yīng)時間短、體積小、對環(huán)境無污染、堅(jiān)固耐用、多色發(fā)光等優(yōu)點(diǎn)，雖價格較貴，但仍被認(rèn)為其將取代現(xiàn)有照明器件。

ZigBee［1］技術(shù)是一種新興的短距離低速率低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee的基礎(chǔ)是IEEE 802.15.4協(xié)議。該技術(shù)在完全采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的物理層和媒體接入控制層的基礎(chǔ)上規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)層和支持的應(yīng)用服務(wù)。ZigBee可以工作在868 MHz，915 MHz和2.4 GHz3個頻段上。國內(nèi)采用2.4GHz頻段。該頻段是全球通用的免付款、免申請的工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)(ISM)頻段。其數(shù)據(jù)傳輸速率為250 kbit·s－1。ZigBee技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)傳輸距離為75 m，在增加了RF發(fā)射功率后，可增加到1～3 km。

基于ZigBee技術(shù)和LED光源的路燈系統(tǒng)，是一種自動化成度高、高效節(jié)能的城市照明系統(tǒng)。LED光源是一種高效能、環(huán)保、安全、耐用的新型照明光源，而無線控制技術(shù)［2］可以對路燈照明系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)高效的控制和資源整合，合理調(diào)整照明時間，不僅可以節(jié)省照明系統(tǒng)的用電量，還可以延長照明燈具的使用壽命，減少日常維護(hù)的開支。

2 無線LED路燈遠(yuǎn)程控制方案設(shè)計

為使設(shè)計的系統(tǒng)能夠滿足路燈控制的要求，具備較強(qiáng)的應(yīng)用價值，對項(xiàng)目進(jìn)行了詳細(xì)了解了路燈照明和控制領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和需求，分析了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在路燈控制領(lǐng)域的應(yīng)用前景。根據(jù)已知的情況，完成項(xiàng)目的需求分析，對產(chǎn)品的功能和結(jié)構(gòu)做出了整體性規(guī)范。

2.1 控制系統(tǒng)應(yīng)用需求

根據(jù)調(diào)查，目前路燈控制方式有人工控制方式、時控方式、電力載波控制、GPRS控制等。這些控制方法各有利弊。以電力線載波方式為例，將路燈控制信號調(diào)制在輸電線上控制路燈，會在用電高峰時刻控制信號占用電力線容量，使得控制信號無法正常傳送到線路上，不僅在用電高峰狀態(tài)下不能實(shí)現(xiàn)路燈控制，嚴(yán)重時還會影響整體照明亮度。

基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的無線LED［3］遠(yuǎn)程路燈控制系統(tǒng)正是應(yīng)對現(xiàn)有路燈控制手段不足而設(shè)計的。目前LED路燈和無線控制器的價格較高，遠(yuǎn)程控制無線LED路燈系統(tǒng)的造價與傳統(tǒng)有線控制的白熾燈或熒光燈價格相差較大，在設(shè)計和制造的過程中必須通過各種途徑降低制造成本。

LED驅(qū)動只占LED照明系統(tǒng)成本的一小部分，但它關(guān)系到整個系統(tǒng)性能的可靠性和效率。LED驅(qū)動的主要要求有:驅(qū)動器應(yīng)該要有較高的功率轉(zhuǎn)換效率，目前高的功率轉(zhuǎn)換效率可達(dá)80%～90%。驅(qū)動電路要滿足安全要求，有完善的保護(hù)電路，如低壓鎖存、過壓保護(hù)、過熱保護(hù)、輸出開路或短路保護(hù)。驅(qū)動器可對LED的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，提供PWM或線性調(diào)光［4－5］。

無線組網(wǎng)選用的無線協(xié)議和傳輸模塊，必須要經(jīng)濟(jì)可靠、功耗低，方便遠(yuǎn)程控制。ZigBee網(wǎng)絡(luò)是一個短距離的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)和節(jié)點(diǎn)設(shè)置是難點(diǎn)。為保證網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的健壯性和可靠性，應(yīng)該使用ZigBee網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)有充分冗余。ZigBee是一個低速率低功耗的WSN網(wǎng)絡(luò)，工作在2.4 GHz公共頻段，外界干擾大，抗干擾性能主要依靠協(xié)議機(jī)制保證，所以設(shè)計通信協(xié)議時需要考慮到抗干擾性和可靠性，確?？刂茰?zhǔn)確可靠［6］。

2.2 硬件平臺需求分析

系統(tǒng)中各個節(jié)點(diǎn)組成了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布脚_，是實(shí)現(xiàn)路燈檢測控制功能的基本保障。所以在設(shè)計總體方案前，需要對節(jié)點(diǎn)硬件應(yīng)具備的性能做出分析。首先，MCU是整個硬件節(jié)點(diǎn)的核心，其性能應(yīng)當(dāng)滿足:(1)處理速度快、擁有較大的儲存空間、功耗低、集成度高，減少外圍器件和可靠性好。(2)無線收發(fā)模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸，其應(yīng)該為數(shù)據(jù)可靠、穩(wěn)定的傳輸提供保證。除了上述兩方面外，節(jié)點(diǎn)上使用的傳感器也是必須考慮的因素，因?yàn)槠渲苯佑绊懼鴤鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的體積和性能。最后在搭建硬件平臺時，還應(yīng)考慮系統(tǒng)的擴(kuò)展性和成本問題。

2.3 軟件平臺和路燈節(jié)能控制策略

無線LED遠(yuǎn)程路燈控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的軟件是在無線通信協(xié)議的基礎(chǔ)上開發(fā)的。其協(xié)議應(yīng)該支持多設(shè)備加入、自動組網(wǎng)、路由轉(zhuǎn)發(fā)跳轉(zhuǎn)。節(jié)點(diǎn)應(yīng)能自動采集路燈運(yùn)行情況的各種數(shù)據(jù)，并可靠地傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)傳輸距離超過了通信距離時，能夠以多跳方式傳輸數(shù)據(jù)［7－9］。

從以上方向可以看出，選擇一種合適的無線通信協(xié)議，對于整個系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。然而，目前具有良好組網(wǎng)性能的短距離通信協(xié)議較少，而且許多使用費(fèi)用較高。ZigBee技術(shù)的出現(xiàn)，為人們構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了一種理想的選擇。采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，通過眾多節(jié)點(diǎn)的無線組網(wǎng)從而構(gòu)成一個基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)，這樣不僅省去了架設(shè)線路的費(fèi)用，維護(hù)管理開支也相對較低。

為減少路燈電能消耗，可以通過光敏傳感器根據(jù)周圍亮度的高低，調(diào)節(jié)路燈功率的大小，遠(yuǎn)程控制隔盞照明。除了針對單盞路燈基于時間和亮度的節(jié)能控制，還可通過大區(qū)域道路照明的節(jié)能策略算法，達(dá)到節(jié)能的目的。例如可設(shè)定程序自動執(zhí)行也可人工隨機(jī)管理在晚上6點(diǎn)鐘將馬路上的單號燈或者雙號燈開關(guān);到晚上24點(diǎn)以后，調(diào)節(jié)到半亮度或1/3亮度狀態(tài)以節(jié)約電能;早上5點(diǎn)鐘全部關(guān)閉;使用光敏傳感器，在陰雨天或沙塵暴等惡劣天氣下及能見度極低時，ZigBee控制器可自行控制開啟其照明狀態(tài);另外及時位置報警功能可使路燈受損壞時無需人工巡視道路檢測即可自動提示給檢測人員進(jìn)行準(zhǔn)確定位，取代了人車傳統(tǒng)的巡視道路這一大成本投入的老模式，使得現(xiàn)代無線技術(shù)更加節(jié)能和“人性化”。無線路燈控制器可將采集電流、電壓、功率因素等參數(shù)，通過無線智能控制方式傳輸?shù)娇刂浦行?，為?jié)能等評估打下基礎(chǔ)。

2.4 系統(tǒng)指標(biāo)要求

容納路燈數(shù):每個無線LED路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)控制路燈應(yīng)不＞1000盞?？刂品秶鷳?yīng)覆蓋至少1 km2。

組網(wǎng)延時:在單個協(xié)調(diào)器情況下，組網(wǎng)用時在20 s以內(nèi)?？刂蒲訒r:信息在路燈和協(xié)調(diào)器之間的傳輸延時應(yīng)在10 s以內(nèi)，保證控制的實(shí)時性。

數(shù)據(jù)傳輸速率:在無遮擋物環(huán)境下10 m左右速率為250 kbit·s－1;空曠環(huán)境下30～75 m距離速率為40 kbit·s－1;300 m速率為20 kbit·s－1。節(jié)能率:在使用節(jié)能算法前，使用LED節(jié)能路燈應(yīng)比普通路燈節(jié)能50%。使用節(jié)能控制算法后應(yīng)比系統(tǒng)未使用節(jié)能算法前節(jié)能30%以上。可靠性:通信誤碼率小于1%。

無線控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)有較高的可靠性，在一個路由節(jié)點(diǎn)故障時，應(yīng)能及時啟用備用的路由鏈路，保障協(xié)調(diào)器對終端節(jié)點(diǎn)的有效控制。路燈的故障率應(yīng)該＜5%。

3 無線LED路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)構(gòu)建

硬件分3部分組成:安裝在路燈桿上的終端控制節(jié)點(diǎn)，控制中心的監(jiān)控系統(tǒng)，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)終端控制節(jié)點(diǎn)和控制中心通信的路由節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)構(gòu)建如圖1所示。

圖1 無線LED路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制中心的監(jiān)控系統(tǒng)由PC機(jī)和無線收發(fā)模塊組成，主要負(fù)責(zé)建立和管理路燈控制網(wǎng)絡(luò)，顯示路燈狀況信息和發(fā)送控制命令，協(xié)調(diào)整個路燈系統(tǒng)的運(yùn)作。路燈終端節(jié)點(diǎn)包括LED電源驅(qū)動，為大功率LED提供電力，并能根據(jù)MCU控制信號控制LED的工作情況;光敏傳感器和溫度傳感器直接將LED工作狀況傳輸給控制模塊;功率檢測模塊檢測LED功率情況和供電故障并向上報警;無線模塊負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)框架圖如圖2所示。

圖2 路燈終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

(1)前端節(jié)點(diǎn)子網(wǎng)。將模型放到WSN模型中，安裝在路燈桿上的終端控制節(jié)點(diǎn)即為WSN中的終端節(jié)點(diǎn)(RFD)，控制中心監(jiān)控系統(tǒng)為協(xié)調(diào)器(COORD)，實(shí)現(xiàn)COORD與RFD之間無線通信的為路由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)(ROUTER)。

設(shè)計采用星型網(wǎng)絡(luò)，一個網(wǎng)絡(luò)中只有一個協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)，顯示狀況信息和發(fā)送控制命令。網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)為路燈控制終端，在WSN對應(yīng)的模型為RFD，路燈終端節(jié)點(diǎn)配置在路燈燈桿上，裝有路燈控制器和無線模塊，接收控制命令和發(fā)送路燈的實(shí)時狀況。網(wǎng)絡(luò)中的路由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，在WSN對應(yīng)模型為ROOTER，也是配置在路燈燈桿上，也可對路燈實(shí)現(xiàn)控制。與終端節(jié)點(diǎn)不同，其還要負(fù)責(zé)路由轉(zhuǎn)發(fā)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。其硬件結(jié)構(gòu)與終端節(jié)點(diǎn)差別較小。

(2)遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)使用ZigBee+GRPS網(wǎng)絡(luò)的混合網(wǎng)絡(luò)。由于ZigBee無線網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)傳輸距離只有75 m，即使使用擴(kuò)展天線也只有200 m，要實(shí)現(xiàn)覆蓋整個城市的WSN較為困難。如果使用中繼路由的方式實(shí)現(xiàn)，則成本較高、網(wǎng)絡(luò)過大、可靠性無法保證，且不利于控制。所以將城市路燈組網(wǎng)劃分成若干個小的子網(wǎng)，每個子網(wǎng)覆蓋幾個到十幾個街區(qū)，各個子網(wǎng)中有幾百盞路燈，子網(wǎng)內(nèi)部使用ZigBee建立的WSN控制路燈，其終端和協(xié)調(diào)器之間最多路由跳轉(zhuǎn)2～3次，保證網(wǎng)絡(luò)可靠性。子網(wǎng)和中央控制中心使用GPRS網(wǎng)絡(luò)來傳輸數(shù)據(jù)。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)

4 結(jié)束語

本文主要分析了LED照明技術(shù)和ZigBee協(xié)議組網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計了一種無線LED路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，構(gòu)建了底層為路燈控制節(jié)點(diǎn)，中間為路由模塊，頂層是計算機(jī)控制終端。設(shè)計使用TI公司的LED恒流源控制器UCC28810EVM－002，CC2480/ZigBee模 塊 和MSP430控制器構(gòu)架了無線控制平臺。此外文中還論證了無線路燈控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立和下位機(jī)固件流程圖、工作模式和上位機(jī)節(jié)能策略。

目前的LED路燈系統(tǒng)主要使用有線線路控制，本項(xiàng)目的新穎之處在于使用了無線控制模塊，可以在城市信息控制中心整合控制全城的路燈照明系統(tǒng)，實(shí)時了解整個城市的照明情況，實(shí)現(xiàn)LED路燈的故障監(jiān)測和遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，方便調(diào)控城市照明和日常維護(hù)。該網(wǎng)絡(luò)經(jīng)一次性布置后，可在長期內(nèi)可靠運(yùn)行。路燈節(jié)點(diǎn)的數(shù)量、位置可隨時變更，使得調(diào)控路燈變得更加方便、科學(xué)。無線LED路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)為解決諸多問題提供一個良好平臺。

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