鄒振興

（廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 佛山 528041）

基于2.4 G技術(shù)的LED路燈無線控制設(shè)計(jì)

鄒振興

（廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 佛山 528041）

主要分析了2.4 G無線技術(shù)及在LED路燈系統(tǒng)中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種基于2.4 G技術(shù)的LED路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)構(gòu)建底層為路燈控制節(jié)點(diǎn)，中間為路由模塊，頂層計(jì)算機(jī)控制終端的系統(tǒng)。旨在提供一種基于2.4 G無線技術(shù)的城市路燈照明系統(tǒng)解決方案，設(shè)計(jì)低成本、高效能、全自動(dòng)化的城市照明系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)路燈照明系統(tǒng)科學(xué)高效的控制和資源整合，實(shí)時(shí)了解整個(gè)城市的照明情況，提供了一種新的方法。

2.4 G無線通信；ZigBee技術(shù)；發(fā)光二極管；照明控制

照明路燈作為城市建設(shè)必須的公用基礎(chǔ)設(shè)施，其控制和管理水平顯現(xiàn)出一個(gè)城市的現(xiàn)代化程度?，F(xiàn)有的照明管理系統(tǒng)大都采用有線電纜控制照明燈具，對(duì)LED路燈進(jìn)行調(diào)控，通信協(xié)議比較復(fù)雜，建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)成本都比較高。當(dāng)前國內(nèi)外對(duì)于路燈照明系統(tǒng)科學(xué)高效的控制和資源整合的產(chǎn)品較少，功能不全面，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)我國這種現(xiàn)狀而生的產(chǎn)物[1]。2.4 G無線技術(shù)的低功耗和免費(fèi)的通信頻段等特點(diǎn)，使它在短距離無線通信中獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。Zigbee技術(shù)作為一種可工作于2.4 G頻段的無線通信技術(shù)，以其低功耗、通信可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大等優(yōu)點(diǎn)為路燈遠(yuǎn)程自動(dòng)控制提供了較合適的解決方案。

1 系統(tǒng)技術(shù)與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 無線通信技術(shù)

2.4 G無線技術(shù)，其頻段處于 2.405～2.485 GHz（科學(xué)、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)）之間。所以簡(jiǎn)稱為2.4 G無線技術(shù)。因這個(gè)頻段里是國際規(guī)定的免費(fèi)頻段，2.4 G無線技術(shù)具有十分有利的可發(fā)展性。ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee利用全球共用的2.4 GHz公共頻率進(jìn)行無線測(cè)量和系統(tǒng)監(jiān)控，具有明顯的低成本、低功耗、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)。目前，ZigBee技術(shù)已被視為替代有線監(jiān)視和控制網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域最有前景的技術(shù)之一。

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(gè)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)管理開支也比較低。

1.2 路燈控制技術(shù)

目前國內(nèi)很多城市路燈的開、關(guān)控制仍由配電箱分散控制，很少對(duì)路燈進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，缺乏靈活多變的操作方式，無法根據(jù)實(shí)際需要開關(guān)路燈，很多時(shí)候造成能源浪費(fèi)，存在著一系列的問題：通信系統(tǒng)采用有線方式布局，系統(tǒng)復(fù)雜，管理困難；照明系統(tǒng)覆蓋范圍廣，工作人員難以及時(shí)有效的進(jìn)行維護(hù)，效果不理想；路燈運(yùn)行狀態(tài)不能及時(shí)反饋到控制中心，無法及時(shí)維護(hù)，當(dāng)路燈發(fā)生故障時(shí)，給行人也帶來不便；無法根據(jù)實(shí)際需求開關(guān)路燈，造成能源浪費(fèi)；存在安全隱患，工作人員無法及時(shí)掌握路燈情況，無法保障安全。

針對(duì)上述傳統(tǒng)控制技術(shù)存在的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)中利用ZigBee技術(shù)與LED路燈的結(jié)合能很好解決路燈的監(jiān)控和節(jié)能問題。主要原因如下：

1）ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)容量大且組網(wǎng)簡(jiǎn)單，理論上擁有一個(gè)協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)可擁有多達(dá)65 535個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)路由器也能容納255個(gè)節(jié)點(diǎn)。這和其他技術(shù)相比擁有極大的優(yōu)勢(shì)。一般情況下，一個(gè)區(qū)域的路燈用一個(gè)協(xié)調(diào)器及可進(jìn)行控制。

2）在對(duì)路燈進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，需要進(jìn)行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不多，只需要每隔幾分鐘發(fā)送一次數(shù)據(jù)即可。

3）ZigBee網(wǎng)絡(luò)是一種自組織網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以根據(jù)實(shí)際需要隨意變動(dòng)，而且ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有自愈功能，網(wǎng)絡(luò)不會(huì)因?yàn)橐粋€(gè)或幾個(gè)節(jié)點(diǎn)失去聯(lián)系而癱瘓。

4）Zigbee技術(shù)的低功耗、低成本、低復(fù)雜度和網(wǎng)絡(luò)容量大等特性成為路燈控制系統(tǒng)的最佳技術(shù)方案，而且可以在監(jiān)控中心對(duì)路燈進(jìn)行遠(yuǎn)程無線控制，操作更加靈活[2－3]。

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

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件由3部分組成：安裝在路燈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)。無線LED路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無線LED路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of the Wireless LED street lamp remote control system

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(gè)路燈系統(tǒng)的運(yùn)作。構(gòu)建了底層為路燈控制節(jié)點(diǎn)，中間為路由模塊，頂層計(jì)算機(jī)控制終端的系統(tǒng)。

路燈終端節(jié)點(diǎn)包括LED電源驅(qū)動(dòng)，為大功率LED提供電力，并能根據(jù)MCU控制信號(hào)控制LED的工作情況；光敏傳感器、溫度傳感器，直接將LED工作狀況傳輸給控制模塊；功率檢測(cè)模塊，檢測(cè)LED功率情況、供電故障并向上報(bào)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)Fig.2 Structure diagram of the street lamp terminal node

調(diào)節(jié)LED亮度的方法主要有兩種。一種是改變恒定電流，一種是改變脈寬調(diào)制（PWM）。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中是采用了后者，在改變脈沖占空比的方法（PWM調(diào)制）中，由于反復(fù)接受瞬間閃光后，人眼會(huì)感受到反復(fù)時(shí)間內(nèi)的平均亮度。方法是根據(jù)脈沖占空比改變亮度。且考慮到使用MCU，容易實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)制。

調(diào)節(jié)LED亮度的方法主要有兩種。一種是改變恒定電流，一種是改變脈寬調(diào)制（PWM）。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中是采用了后者，在改變脈沖占空比的方法（PWM調(diào)制）中，由于反復(fù)接受瞬間閃光后，人眼會(huì)感受到反復(fù)時(shí)間內(nèi)的平均亮度。方法是根據(jù)脈沖占空比改變亮度。且考慮到使用MCU，容易實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)制。

本設(shè)計(jì)終端路燈節(jié)點(diǎn)使用多種傳感器，如光敏電阻傳感器、溫度傳感器，測(cè)量周圍環(huán)境情況和路燈的工作情況，并將處理器的數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心，由控制中心決定路燈的工作模式和狀態(tài)。如果傳感器的測(cè)量值超過了閾值，則路燈自動(dòng)關(guān)閉，并向控制中心報(bào)警。如使用光敏電阻傳感器測(cè)量周圍環(huán)境的光亮度，來實(shí)現(xiàn)LED路燈在不同光環(huán)境下的自動(dòng)調(diào)節(jié)。使用溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控路燈的溫度情況，如果路燈工作發(fā)生了異常，路燈控制器控制路燈關(guān)閉，并將報(bào)警信息通過ZigBee模塊后發(fā)送給控制中心。

系統(tǒng)主控模塊采用MCU單片機(jī)控制。無線通信模塊使用CC2480/ZigBee模塊，該模塊在單個(gè)芯片上集成了ZigBee射頻前端、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器，支持2.4GHzIEEE802.15.4 協(xié)議[4－5]。 其無線性能出色，功耗低。 模塊可以工作在同步模式或異步模式，提供UART模式和SPI模式同控制電路連接。模塊與MCU單片機(jī)實(shí)現(xiàn)串口通信。單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)給CC2480，CC2480就可以無線發(fā)送出去，CC2480接收到無線數(shù)據(jù)也傳送給單片機(jī)。

1.4 無線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

在設(shè)計(jì)中遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)采用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(gè)城市的WSN很困難。如果使用中繼路由的方式實(shí)現(xiàn)的話，成本不低，網(wǎng)絡(luò)過大，可靠性無法保證，不好控制。所以將城市路燈組網(wǎng)劃分成若干個(gè)小的子網(wǎng)，每個(gè)子網(wǎng)覆蓋幾個(gè)到十幾個(gè)街區(qū)，每個(gè)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)。遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)如圖3所示[6]。

圖3 遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Remote monitoring network

2 軟件流程

在系統(tǒng)工作的過程中網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)和接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的路燈信息，根據(jù)路燈的狀況發(fā)送控制信號(hào)到路燈節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器工作首先初始化CC2480，然后初始化協(xié)議并打開中斷。之后程序開始建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，如果網(wǎng)絡(luò)建立成功，則顯示相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的物理地址、現(xiàn)在建立網(wǎng)絡(luò)的ID號(hào)和頻道號(hào)。協(xié)調(diào)器程序軟件實(shí)現(xiàn)的流程圖如圖4所示。

圖4 協(xié)調(diào)器程序流程圖Fig.4 Flow chart Coordinator program

對(duì)于路由節(jié)點(diǎn)，程序首先初始化CC2480，然后打開傳感器電源，之后初始化協(xié)議棧，并開始發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求信號(hào)，等待網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器或前面的路由器節(jié)點(diǎn)響應(yīng)，并給自己分配網(wǎng)絡(luò)地址。如果加入網(wǎng)絡(luò)成功，通過串口擴(kuò)展口可以得到網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)地址、路由節(jié)點(diǎn)自己的物理地址和接入網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器或前面路由節(jié)點(diǎn)的物理地址等數(shù)據(jù)。軟件實(shí)現(xiàn)的流程圖如圖5所示。

圖5 路由器流程圖Fig.5 Router flow chart

3 結(jié)束語

基于2.4G的ZigBee技術(shù)和LED光源的路燈系統(tǒng)，是一種自動(dòng)化成度高、高效節(jié)能的智能城市照明系統(tǒng)。目前的LED路燈系統(tǒng)主要使用有線線路控制，本設(shè)計(jì)創(chuàng)新之處就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(shí)了解整個(gè)城市的照明情況，方便調(diào)控城市照明和日常維護(hù)。及時(shí)故障報(bào)警功能可讓路燈受損壞時(shí)無需人工檢測(cè)即可給檢測(cè)人員提供準(zhǔn)確的定位[7]，取代了傳統(tǒng)的巡視道路這一大成本投入的老模式，也使得現(xiàn)代無線技術(shù)更加節(jié)能和“人性化”。

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LED street lamp wireless control design based on 2.4 G technology

ZOU Zhen-xing
（Guangdong Textile Polytechnic， Foshan 528041， China）

This paper mainly analyzes the 2.4 G wireless technology and application in the LED street lamp system，design a kind of LED street lamp remote control system based on 2.4 G technology，the design building bottom for street lamp control node， intermediate for routing module， top computer control terminal system.Aims to provide a city street lamp lighting system solutions based on 2.4 G wireless technology， the design is low cost， high efficiency， full automatic city lighting system.For the realization of street lamp lighting system scientific and efficient control and resource integration，real-time understand the urban lighting conditions，and provides a new method.

2.4 G wireless communication；ZigBee；LED；lighting control

TN92

A

1674－6236（2013）04－0119－03

2012－10－02稿件編號(hào)201210003

鄒振興（1982—），男，廣東揭陽人，碩士研究生。研究方向：集成電路與系統(tǒng)。