魯 進(jìn)，郭利進(jìn)

（天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300387）

隨著經(jīng)濟(jì)和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，路燈照明系統(tǒng)越來(lái)越受到人們重視。傳統(tǒng)路燈照明系統(tǒng)多采用有線連接，其鋪線麻煩，價(jià)格昂貴，不易擴(kuò)展和移動(dòng)，并且智能化程度不高。針對(duì)傳統(tǒng)路燈照明系統(tǒng)的不足，采用無(wú)線控制來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)有線控制方式。ZigBee技術(shù)是一種新型的無(wú)線通信技術(shù)，主要應(yīng)用于短距離內(nèi)的低速率傳輸。其具有功耗低、成本低、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠、安全等特點(diǎn)，適合路燈照明系統(tǒng)使用。另外，為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排號(hào)召，采用LED路燈照明成為很多城市照明系統(tǒng)的首選。論文設(shè)計(jì)了一種利用ZigBee無(wú)線傳感器技術(shù)對(duì)LED路燈進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的方案，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有智能化、現(xiàn)代化的特點(diǎn)。

1 ZigBee組網(wǎng)技術(shù)

1.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇

ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持星狀網(wǎng) （StarNetwork）、樹狀網(wǎng)（Cluster tree Network）和網(wǎng)狀網(wǎng)（Mesh Network）三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如圖1所示，分別為星狀網(wǎng)、樹狀網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)，其中C表示 PAN協(xié)調(diào)器，F(xiàn)表示全功能設(shè)備，R表示精簡(jiǎn)功能設(shè)備。

圖1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由圖1可看出，星形網(wǎng)的控制和同步都比較簡(jiǎn)單，通常用于節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少的場(chǎng)合。而樹狀網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)就是網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較大，但隨著覆蓋范圍的增加，信息的傳輸時(shí)延也會(huì)增大，并且一旦在某一傳輸路徑中路由節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，將導(dǎo)致信息無(wú)法正常傳遞。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（Mesh網(wǎng)）一般是由若干個(gè)全功能設(shè)備連接在一起組成骨干網(wǎng)，它們之間是完全的對(duì)等通信，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與它的無(wú)線通信范圍內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)通信，即允許網(wǎng)絡(luò)中所有具有路由功能的節(jié)點(diǎn)直接互連。在這些全功能設(shè)備中有且只有一個(gè)會(huì)被作為協(xié)調(diào)器，這主要取決于是誰(shuí)第一個(gè)建立網(wǎng)絡(luò)。這些具有路由功能的節(jié)點(diǎn)，能夠?qū)⒁粭l信息轉(zhuǎn)播給它的鄰居。通過(guò)這種轉(zhuǎn)播信息的功能，在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)數(shù)據(jù)包可以通過(guò)一條路徑到達(dá)它的目的節(jié)點(diǎn)。Mesh網(wǎng)是一種高可靠性網(wǎng)絡(luò)，具有“自恢復(fù)”能力。由于網(wǎng)狀網(wǎng)擁有多個(gè)冗余的通信路徑，一旦一條路徑出現(xiàn)故障，則會(huì)選擇另外一條合適路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳播。該拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是增強(qiáng)了可靠性、覆蓋范圍大，缺點(diǎn)是需要更多存儲(chǔ)空間[1]。

在將ZigBee技術(shù)用于LED路燈控制中，由于路燈數(shù)量較多，且控制傳輸距離遠(yuǎn)，可靠性要求高，故選取網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為合適。

1.2 具有短地址恢復(fù)能力的尋址設(shè)計(jì)

ZigBee設(shè)備支持兩種地址類型：一種是64位的IEEE地址，另一種是16位的網(wǎng)絡(luò)短地址。當(dāng)設(shè)備加入ZigBee個(gè)域網(wǎng)時(shí)，它可以從允許其加入的父設(shè)備上獲取16位網(wǎng)址，該網(wǎng)址在個(gè)域網(wǎng)內(nèi)是唯一的。該網(wǎng)址用于數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)包路由。用于路由數(shù)據(jù)包的路由表存放著各個(gè)目標(biāo)設(shè)備和下一跳設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址，因此個(gè)域網(wǎng)的各設(shè)備都必須有明確且唯一的網(wǎng)絡(luò)地址，以保證數(shù)據(jù)能到達(dá)正確的設(shè)備。

ZigBee2007規(guī)范定義了ZigBee和ZigBee PRO兩個(gè)特性集。在ZigBee特性集中采用樹尋址，其按照等級(jí)分配地址，所分配的地址是唯一的，無(wú)須持續(xù)監(jiān)測(cè)通信，可避免產(chǎn)生額外負(fù)荷與地址沖突。而ZigBee PRO采用隨機(jī)尋址方法為設(shè)備分配地址，因此需要持續(xù)監(jiān)測(cè)以解決地址沖突[2]。本方案是基于ZigBee PRO特性集上進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)的，并且采用的是網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所以將采用隨機(jī)尋址方法為設(shè)備分配地址。雖通過(guò)不斷檢測(cè)與監(jiān)控可幫助解決這種尋址方式所帶來(lái)的地址沖突問(wèn)題，但是，對(duì)于控制成百上千個(gè)路燈的ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)而言，若在協(xié)調(diào)器被替換或重新組成一個(gè)新的個(gè)域網(wǎng)后，所有網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備都進(jìn)行重新隨機(jī)尋址，則會(huì)帶來(lái)兩個(gè)比較大的問(wèn)題：一是需要花費(fèi)大量時(shí)間監(jiān)測(cè)與調(diào)整地址沖突，產(chǎn)生額外的負(fù)荷；二是重新分配了地址，使得路燈里的ZigBee設(shè)備的短地址發(fā)生了變化，這樣不便于利用短地址對(duì)各路燈進(jìn)行監(jiān)控。

為確保將數(shù)據(jù)發(fā)送到正確的設(shè)備上，在協(xié)議棧開發(fā)的基礎(chǔ)上提出了具有復(fù)位網(wǎng)絡(luò)短地址能力的解決方案（只是針對(duì)協(xié)調(diào)器被替換或重新組成了新的個(gè)域網(wǎng)的情況）。首先在網(wǎng)絡(luò)正常時(shí)備份網(wǎng)絡(luò)短地址映射表，將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的64位擴(kuò)展地址與網(wǎng)絡(luò)短地址一一對(duì)應(yīng)，這樣可以在新的網(wǎng)絡(luò)未組建之前選擇通信信道時(shí)，調(diào)用應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)函數(shù)讀取網(wǎng)絡(luò)短地址映射表[3]。若該函數(shù)讀取失敗則返回READADDRLIST＿ERROR，協(xié)調(diào)器將會(huì)建立新的網(wǎng)絡(luò)連接，此時(shí)所有節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址將會(huì)被更新。若讀取成功，則協(xié)調(diào)器將會(huì)以64位的擴(kuò)展地址進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)。在發(fā)現(xiàn)完成后，利用映射表將64位擴(kuò)展地址映射成16位網(wǎng)絡(luò)地址，這樣就恢復(fù)了先前的網(wǎng)絡(luò)。在路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程中若出現(xiàn)新的64位擴(kuò)展地址，協(xié)調(diào)器則將其視為新的子節(jié)點(diǎn)，并隨機(jī)分配新的網(wǎng)絡(luò)地址，同時(shí)對(duì)新分配的網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行監(jiān)測(cè)調(diào)控，保證不與其余的網(wǎng)絡(luò)短地址發(fā)生沖突。但該方案僅針對(duì)于協(xié)調(diào)器而言，如果想保證所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包的可靠傳遞，則必須有應(yīng)用層上相應(yīng)的配置，使得數(shù)據(jù)在傳輸之前將64位擴(kuò)展地址轉(zhuǎn)化為16位網(wǎng)絡(luò)地址。整體流程如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)地址復(fù)位流程圖

2 LED路燈驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

LED電路驅(qū)動(dòng)芯片采用HV9910B，其輸出功率可從幾瓦到幾十瓦。HV9910B是優(yōu)化的LED降壓驅(qū)動(dòng)器，其采用開環(huán)峰值電流模式控制，可通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)恒定電源模式或關(guān)斷時(shí)間模式。HV9910B有兩個(gè)采樣閾值電壓，一個(gè)為內(nèi)部的250 mV，另外一個(gè)是LD引腳處的外部電壓，實(shí)際工作時(shí)使用的閾值電壓為兩個(gè)電壓中較低者。因?yàn)椴蓸与妷旱?，故可使用較小的電阻來(lái)檢測(cè)電流，這意味著效率會(huì)更高。其最小輸入電壓可以低至8 V，在汽車運(yùn)用中較為合適；最大可以承受450 V的輸入電壓，非常適用于離線應(yīng)用。同時(shí)還包含一個(gè)PWM調(diào)光輸出，能夠允許占空比0～100%以及頻率高達(dá)幾千赫茲的外部控制信號(hào)[3]。因此HV9910B只需要三個(gè)部件（除電源部分）即可產(chǎn)生一個(gè)受控制的LED電流，使之成為低成本LED驅(qū)動(dòng)理想解決方案。

本方案LED燈管按照20串2并連接而成，每串電流為350 mA，總電流為700 mA。LED串的電壓范圍為50～70 V，fs＝80 kHz。 圖 3為采用 HV9910B 的 LED 驅(qū)動(dòng)原理圖，電感L和電阻R的具體參數(shù)計(jì)算見(jiàn)下。

圖3 LED驅(qū)動(dòng)原理圖

2.1 電感 L1選取

所用的電感值取決于LED允許的紋波電流等級(jí)，假設(shè)LED電流允許存在正負(fù)15%的紋波 （總紋波為30%）。最常用的電感公式為：

考慮MOSFET關(guān)斷期間，電感為L(zhǎng)ED提供能量，則可推出

由（3）可以算出 L＝3.3 mH。

2.2 檢測(cè)電阻R2的選擇

檢測(cè)電阻的大小用下式計(jì)算：

計(jì)算得出 R2＝0.33 Ω。

3 系統(tǒng)整體工作流程

系統(tǒng)中，ZigBee無(wú)線通信模塊采用 TI的 CC2530。CC2530結(jié)合領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能、業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、8 KB的RAM和許多其他強(qiáng)大的功能。系統(tǒng)中的每一個(gè)終端、路由分別控制一盞燈，每個(gè)燈對(duì)應(yīng)一個(gè)ID。CC2530的引腳控制著LED驅(qū)動(dòng)芯片的PWM＿D引腳，從而控制LED路燈。終端和路由的CC2530外圍裝有溫度傳感器、電流/電壓檢測(cè)傳感器。當(dāng)LED路燈關(guān)閉時(shí)，這些節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)。一旦路燈開啟，這些節(jié)點(diǎn)從休眠狀態(tài)喚醒，開始正常工作。它們主要負(fù)責(zé)兩方面的工作：（1）自我監(jiān)控。監(jiān)測(cè)LED路燈的溫度、電流和電壓，一旦這些參數(shù)超過(guò)臨界值，將采取自我保護(hù)措施，與PWM＿D管腳相連的引腳將輸出低電平，從而關(guān)閉LED，保護(hù)路燈。（2）數(shù)據(jù)無(wú)線上傳。節(jié)點(diǎn)正常工作后，將會(huì)定時(shí)將各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)無(wú)線上傳給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器在接收到路由和終端設(shè)備發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)后，再將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。如果某個(gè)路燈出現(xiàn)故障，可直接從監(jiān)控系統(tǒng)得知損壞路燈的短地址，從而方便維修。為了響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排號(hào)召，同時(shí)設(shè)計(jì)出更加人性化、智能化的LED路燈，可在ZigBee協(xié)調(diào)器上加上檢測(cè)環(huán)境參數(shù)的傳感器（如光線強(qiáng)度），特別是在陰天與雷雨天氣，能自動(dòng)控制所有的節(jié)點(diǎn)開啟路燈[5]。

系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)整體的工作流程如圖4所示。其中，終端節(jié)點(diǎn)的異常處理是指電流、電壓或溫度異常，這些異常狀況都會(huì)導(dǎo)致LED路燈自動(dòng)關(guān)閉。協(xié)調(diào)器接收到的應(yīng)用事件包括：各節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)、上位機(jī)發(fā)送的控制指令，以及協(xié)調(diào)器自我監(jiān)控。

圖4 工作流程

4 系統(tǒng)功能測(cè)試

在構(gòu)造實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)配置了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，兩個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)和三個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)分別控制5盞LED路燈，協(xié)調(diào)器則通過(guò)串口與上位機(jī)相連。經(jīng)測(cè)試，在開闊處ZigBee有效通信距離可達(dá)80 m，符合LED路燈要求。同時(shí)通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控界面對(duì)LED路燈進(jìn)行簡(jiǎn)單的開關(guān)控制，并在監(jiān)控界面上將各LED路燈的亮滅情況、短地址、溫度、狀態(tài)等參數(shù)顯示出來(lái)。監(jiān)控界面是用DELPHI2010編寫的，可以實(shí)時(shí)顯示LED路燈狀況，方便監(jiān)控人員監(jiān)控，并且可調(diào)出以往數(shù)據(jù)方便查詢。圖5為在實(shí)驗(yàn)室條件下監(jiān)測(cè)到的5盞LED路燈狀態(tài)，可發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)工作正常，符合要求。

圖5 LED路燈監(jiān)控界面

論文主要從ZigBee通信技術(shù)以及LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)兩方面，探討了如何將新型短距離無(wú)線通信技術(shù)ZigBee運(yùn)用于LED路燈照明系統(tǒng)中。使用該技術(shù)省掉了傳統(tǒng)有線方式的系統(tǒng)布線，使傳感器安裝快捷、組網(wǎng)容易、維護(hù)方便、成本低。同時(shí)運(yùn)用CC2530新型單片機(jī)檢測(cè)控制LED路燈，可大大提高傳感器的靈敏度和可靠性，延長(zhǎng)LED路燈的使用壽命。經(jīng)測(cè)試，整個(gè)系統(tǒng)控制穩(wěn)定，智能化、現(xiàn)代化程度高，因此本方案在城市LED路燈照明系統(tǒng)中具有較高參考價(jià)值。

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