引言
當代社會，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，而且成為展現(xiàn)城市魅力的重要窗口，但是在帶來明亮、絢麗色彩的同時也帶來了諸多的困擾，比如管理、費用、用電、電纜被盜等問題。基于ZigBee無線模塊技術(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，ZigBee無線路燈控制器可以對路燈照明系統(tǒng)進行科學、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，而且可以延長照明燈具的使用壽命，減少日常維護的開支。
1 系統(tǒng)方案與設(shè)計
系統(tǒng)由三大部分構(gòu)成：控制中心，ZigBee無線路燈控制器節(jié)點和控制中心通信的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，固定在路燈桿上的終端節(jié)點。無線路燈遠程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 無線路燈遠程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
控制中心的監(jiān)控系統(tǒng)由計算機與無線收發(fā)模塊構(gòu)成，主要負責建立和管理ZigBee無線路燈控制器網(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)的運作。ZigBee無線路燈控制器包括LED電源驅(qū)動，為大功率LED提供電力，并能根據(jù)微控制器的控制信號控制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；功率檢測模塊檢測LED功率情況、供電故障并向上報警；無線模塊負責傳輸數(shù)據(jù)。將本系統(tǒng)模型與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型進行對比，不難發(fā)現(xiàn)，安置在路燈桿上的ZigBee無線路燈控制器節(jié)點即為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(RFD)，控制中心監(jiān)控系統(tǒng)就是協(xié)調(diào)器(COORD)，實現(xiàn)COORD與RFD之間無線通信的為路由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(ROUTER)。遠程網(wǎng)絡(luò)使用ZigBee與GRPS混合組成的網(wǎng)絡(luò)。子網(wǎng)和中央控制中心使用GPRS網(wǎng)絡(luò)來傳輸數(shù)據(jù)。下面具體介紹終端節(jié)點硬件電路設(shè)計方案。
1．1 LED節(jié)點驅(qū)動控制設(shè)計
LED節(jié)點驅(qū)動方案使用TI公司的UCC28810，它是一款恒流非隔離式電源，適用于街道、停車場或區(qū)域范圍照明等高亮度LED照明應用。該設(shè)計可將通用電源(90--265 VRMS)轉(zhuǎn)換成0．9 A恒流源，能夠驅(qū)動100 W LED負載。UCC28810電路如圖2所示。
圖2 UCC28810電路圖
此電路使用雙級設(shè)計，第一級是UCC28810的轉(zhuǎn)換模的PWM調(diào)光。此方案的優(yōu)勢在于，使用了高效的專用驅(qū)式電路，將AC電源轉(zhuǎn)換成36 V的DC電源。第二級也采用UCC28811的轉(zhuǎn)換模式，將恒壓源轉(zhuǎn)換為0．9 A恒流源。電路中使用的TI公司的UCC28810和UCC28811芯片是通用照明電源控制器，具有PFC(功率因數(shù)校正)功能，確保設(shè)計方案滿足各種標準設(shè)定的諧波電流或功率因數(shù)要求。并且UCC28810／11控制器提供如電流峰值限制、復位定時器、過壓保護(OVP)和使能等特性，UCC28810／11控制器引腳如表1所列。
表1 UCC28810／1 1控制器引腳
第一級在低負荷狀態(tài)下運行，升壓跟隨器可跟蹤AC輸入的峰值電壓，實現(xiàn)更高轉(zhuǎn)換效率。第二級將PFC輸出電壓轉(zhuǎn)換為0．9 A的固定電流，以驅(qū)動LED負載。第二級不僅可接受PWM調(diào)光輸入(從外部或從板級電路均可)，而且還可相應開啟或關(guān)閉調(diào)光，從而實現(xiàn)LED電流的PWM調(diào)光。由于使用了高效的驅(qū)動IC，電源轉(zhuǎn)化效率更高了，在低負荷線路(10w line)運行狀態(tài)下，升壓跟隨器可跟蹤AC輸入的峰值電壓，在輸入電壓為±15％的變動時，仍能保持輸出電流變動穩(wěn)定在±10％內(nèi)。
1．2狀態(tài)檢測與報警
狀態(tài)報警與檢測主要包括溫度感測和感光檢測兩部分內(nèi)容。
1．2．1 溫度感測
由于大功率白光LED照明和驅(qū)動器發(fā)熱量都很大，所以需要一個溫度感測傳感器，實時監(jiān)控路燈的溫度，并向控制中心反映。如果溫度超過警戒溫度，則ZigBee無線路燈控制器進入報警模式，將自動關(guān)閉路燈，并向控制器發(fā)送報警命令。
溫度傳感器使用DSl8820，DSl8820是DALLAS公司生產(chǎn)的一款數(shù)字溫度傳感器。其特點有：獨特的一線接口，只需要一個端口即可通信；電路無需外部元件，可用數(shù)據(jù)總線供電，也可外接VCC；工作電壓范圍廣，為3．0～5．5 V，無需備用電源；測量溫度范圍為55～+125℃，在10～+85℃范圍內(nèi)，精度為±0．5℃。DSl8820具有工作電路簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點，應用范圍包括恒溫控制、工業(yè)系統(tǒng)、消費電子產(chǎn)品溫度計及任何熱敏感系統(tǒng)。
1．2．2 感光檢測系統(tǒng)
ZigBee無線路燈控制器使用光敏電阻傳感器對周圍環(huán)境的光亮度進行ZigBee數(shù)據(jù)采集，當傍晚周圍環(huán)境還有余光時，ZigBee無線路燈控制器將路燈開啟為單雙燈模式；當晚上天全黑了以后，將路燈全部打開；當凌晨4點左右出現(xiàn)晨光時，將路燈調(diào)節(jié)成半功率工作模式。在陰天和沙塵暴天氣，道路能見度低，路燈也可自動打開，保證道路正常照明。
本設(shè)計使用光敏三極管作為感光元件測量周圍環(huán)境的亮度，處理器實時將周圍環(huán)境的亮度通過ZigBee無線模塊反饋給控制中心，由控制中心決定是否打開GND路燈。電路圖如圖3所示。
圖3 光敏三極管電路圖
1．3 ZigBee無線模塊設(shè)計
目前TI公司已經(jīng)先后推出了支持ZigBee協(xié)議的2．4 GHz的射頻收發(fā)器CC2420和ZigBee的片上系統(tǒng)解決方案CC2430，以及第二代射頻收發(fā)器CC2520芯片。CC2480無線性能出色，功耗很低。CC2480電路圖如圖4所示。
圖4 CC2480／ZiqBee模塊電路圖
CC2480采用CMOS工藝，工作電流僅為27 mA。當系統(tǒng)處于空閑時，CC2480能自動進入休眠狀態(tài)，并能實現(xiàn)休眠與主動模式的超短時間轉(zhuǎn)換。晶振XTALl選用32 MHz，晶振XTAL2選用32．768 kHz。32．768 kHz的晶振用于睡眠模式，在此期間提供時序，可降低電流、減少功耗，特別適合對功耗和電池壽命要求嚴格的應用場合。CC2480模塊可以直接與上位機之間通過串口通信，本系統(tǒng)選用異步串口模式。
1．4微控制器電路設(shè)計
MSP430是TI公司開發(fā)的一類具有16位總線的帶FLASH的單片機，由于其性價比和集成度高，受到廣大技術(shù)開發(fā)人員的青睞。它采用16位的總線，外設(shè)和內(nèi)存統(tǒng)一編址，尋址范圍可達64 K，還可以外擴存儲器，具有統(tǒng)一的中斷管理，微控制器具體連接電路如圖5所示。
圖5 控制模塊MSP430電路圖
MSP430單片機的P3．4、P3．5端口設(shè)置成串口0(MSART0)的收發(fā)口，與CC2480的異步串口相連，它們之間實現(xiàn)串口通信。單片機發(fā)送數(shù)據(jù)給CC2480，CC2480無線發(fā)送出去；CC2480接收到無線數(shù)據(jù)后，也透明傳送給單片機。
2軟件流程設(shè)計
在本系統(tǒng)中，ZigBee協(xié)議可以應用于所有的節(jié)點，因為ZigBee協(xié)議具有很多的實用函數(shù)，例如設(shè)備離開或者加入網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)建一個新的網(wǎng)絡(luò)，父節(jié)點和子節(jié)點的搜索，網(wǎng)絡(luò)信標幀的發(fā)送，數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收等。系統(tǒng)工作的過程中，協(xié)調(diào)器主要進行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建，負責接收ZigBee無線路燈控制器發(fā)送回來的ZigBee數(shù)據(jù)采集路燈信息，依據(jù)路燈的狀況將控制信號發(fā)送給路燈節(jié)點。路由器節(jié)點處在監(jiān)控狀態(tài)，負責獲取其他節(jié)點發(fā)送來的信息并判斷是不是需要進行轉(zhuǎn)發(fā)，與此同時把自身路燈的信息傳送給協(xié)調(diào)器；接收協(xié)調(diào)器的控制信號來控制路燈的工作狀態(tài)。終端節(jié)點功能是最簡單的，只需要負責隨時接收協(xié)調(diào)器發(fā)送的控制命令，并向上一級返回路燈當前的狀態(tài)。
系統(tǒng)投入運行時，首先對CC2480進行初始化，協(xié)調(diào)器運行初始化協(xié)議，同時打開中斷。此后軟件程序創(chuàng)建新網(wǎng)絡(luò)，一旦網(wǎng)絡(luò)能夠成功創(chuàng)建，就對相應的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器物理地址、當前建立網(wǎng)絡(luò)的ID號以及頻道號進行顯示。協(xié)調(diào)器軟件流程圖如圖6所示。
圖6 協(xié)調(diào)器程序流程圖
3路燈控制模式
根據(jù)不同上位機的不同控制命令，路燈節(jié)點有如下幾種不同的控制模式。
3．1 單雙燈開啟模式
這個模式有兩種情況，編號是奇數(shù)的燈開啟或者編號是偶數(shù)的燈開啟。當路燈節(jié)點接收到單雙燈開啟命令以后，路燈會根據(jù)自身的ID編號，選擇開啟還是關(guān)閉。這種模式應用于傍晚能見度較高，或者陰雨天、沙塵暴等惡劣天氣下城市能見度不佳時。一般是單雙燈輪流開啟關(guān)閉，保證LED路燈工作時間大致相同，以延長其壽命。
3．2全功率開啟模式
當ZigBee無線路燈控制器節(jié)點接收到全功率開啟模式以后，路燈開始工作，并會以全功率打開，亮度最大。這種模式一般在晚上人車流量大和節(jié)假日時開啟。
3．3半功率開啟模式
當ZigBee無線路燈控制器節(jié)點接收到全功率開啟模式以后，路燈開始工作，但不會以全功率模式工作，而是通過LED驅(qū)動模塊的PWM調(diào)光機制，將LED的功率控制在額定值的一半，起到節(jié)約電力的作用。
3．4隨機選擇關(guān)閉模式
這種模式是為了節(jié)約電力和延長路燈壽命。在人流不大的道路上發(fā)給路燈隨機關(guān)閉模式命令，路燈節(jié)點接收命令后，以一定概率(如20％)自行熄滅30min，由于路燈是隨機熄滅的，不會影響到整體的照明情況。
3．5功率異常報警模式
這種模式不是上位機發(fā)出的命令。
當路燈節(jié)點檢測到功率故障的時候(如LED二極管短路、功率過小或過大)，路燈將自行切斷照明電源，并向上位機報警。
結(jié)語
本文主要分析了ZigBee模塊組網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計了一種ZigBee無線路燈控制器系統(tǒng)，實現(xiàn)路燈信息的ZigBee數(shù)據(jù)采集和控制。事實證明本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)一次性布置之后，可以長期可靠運行。路燈節(jié)點的數(shù)量、位置可隨時變更，使得調(diào)控路燈變得更加方便、科學。無線LED路燈遠程控制系統(tǒng)為解決問題提供一個良好平臺。