基于CC2530的ZigBee無線路燈節能智能監控系統

湯鎮輝，張正明

(電子科技大學 中山學院，廣東 中山 528402)

隨著我國城鄉一體化建設和城市化建設的不斷深入，對道路照明擴展規模越來越大，因此對道路照明及景觀照明提出了更高、更新的要求。與此同時，路燈的電能消耗和燈具損耗也越來越大。傳統的路燈控制系統存在著智能化程度低、線路穩定度差等問題，給城市照明系統的管理和維護帶來很大困難。為了解決以上問題，本論文提出了基于CC2530的ZigBee無線路燈節能智能監控系統方案。該方案能夠靈活開關燈，自動及時發現故障，提高設備智能化管理。本系統根據實際要求，對每一組路燈進行控制，實現照明模式的多樣化和靈活性，若有損壞的路燈，系統會及時顯示其信息，并通知管理人員，有效地提高了城市照明系統的管理水平。

1 ZigBee技術

ZigBee技術是一種新興的短距離無線通信技術，目前在近距離無線網絡領域得到廣泛應用。ZigBee協議棧是建立在IEEE802.15.4標準之上。IEEE802.15.4定義了物理層和MAC層的規范。其余如網絡層和應用層規范[1]等方面由ZigBee聯盟負責。ZigBee技術采用自組織網絡，且其網絡拓撲結構可以隨意變動的這一特點對道路照明監控系統十分有利，對實現路燈節能智能監控系統的智能化、高可靠性、低成本起到很好的作用[2]。

ZigBee低速無線個域網具有如下特點[3-4]：

(1)低功耗。ZigBee技術傳輸速率低，傳輸數據量小。而且，ZigBee模塊在非工作時間采用休眠模式，使得系統運行非常節省電能。

(2)數據傳輸可靠。ZigBee采用沖突避免的載波多路偵聽技術，當有數據傳送需求時則立刻傳送，保證了系統信息傳輸的可靠性。

(3)網絡容量大。一個ZigBee網絡最多可包含65 535個網絡節點，按功能的完整性可劃分為全功能設備(FFD)和半功能設備(RFD)，各個節點可相互連接，組成大容量的ZigBee網絡。

(4)工作頻段多樣。使用頻段有：2.4 GHz ISM頻段 、868 MHz(歐洲)及 915 MHz(美 國)，并在 不同 的載 波頻率下有 250 Kb/s、40 Kb/s和20 Kb/s三種不同的傳輸速率。

2 系統結構組成

ZigBee的網絡拓撲結構可分為：網狀結構、星型結構和樹狀結構[5]，當 CC2530用倒F型PCB天線時，可靠收發距離為200 m左右，考慮到網狀結構能夠縮短信息傳輸的延遲和提高通信網絡的可靠性[6]，因此無線路燈節能智能監控系統中的網絡拓撲可以采用網狀結構，使用路由功能傳輸。因為CC2530可以實現20級左右路由，所以本系統采用 CC2530。一個“CC2530+CC2591”組成的路由器與協調器的可靠收發距離可以達到1 km左右，“CC2530+CC2591”組成的路由器與普通路由器如果布局合理的話，就可以讓整個網絡的通信距離達到20 km左右。

無線路燈節能監控系統是由一個ZigBee協調器、若干個路燈路由控制器和若干個路燈終端設備控制器組成的無線監控系統如圖1所示。根據ZigBee通信與組網技術的特點，將ZigBee技術與傳統的路燈控制模式相結合，采用對每組路燈進行檢測和控制的方式，就能夠及時發現路燈的損壞情況和它的具體位置，方便維修管理，實現按需節能、智能化管理，達到城市照明系統節能減排的目標。

圖1 系統框架圖

路燈節能監控系統的各個模塊運行主程序流程如圖2所示。首先系統上電初始化各個模塊，然后協調器選擇一個信道和PAN ID(個域網ID號)后就開始建立網絡，路由器和終端設備隨后加入網絡，協調器發出相應的控制命令。

3 硬件電路設計

ZigBee新一代SoC芯片[7]CC2530是TI公司推出的用于嵌入式應用的片上系統，是使用IEEE 802.15.4標準、ZigBee和ZigBeeRF4CE的一個片上系統解決方案。CC2530內部已集成了一個8051微處理器與高性能的RF收發器。CC2530能夠以非常低的總材料成本建立強大的網絡節點，擁有較大的快閃記憶體，其存儲容量多達256 B，它是理想的ZigBee專業應用芯片；支持新RemoTI的ZigBeeRF4CE，這是業界首款符合ZigBee RF4CE兼容的協議棧。此外，CC2530具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統，運行模式之間的轉換時間短，進一步確保了低能源消耗。圖3為CC2530外圍電路設計。圖3中的D3倒F天線是單端天線，也就是非平衡天線，所以需要用電容、電感組成一個非平衡變壓器(BALUN)，如圖 3中的虛線框圖，來滿足RF輸入/輸出匹配的要求。

圖2 系統主程序流程圖

PCB天線設計難度較大，通常還需要仿真工具的支持，但TI公司已經把倒F型PCB天線設計的規格公布了。對于終端設備的設計來說，PCB天線不失為一種較經濟的選擇，因為其通信距離可以滿足本系統的要求。路燈節點設計采用光敏電阻傳感器檢測的方式采集路燈狀態信息并通過無線傳回主控中心(協調器)，同時經主控中心處理后，將相應的控制命令發送至指定的路燈節點。協調器的設計是根據電子時鐘產生的精確時間和光敏電阻采集外界光線的強弱來控制整個網絡的路燈。在下半夜采用隔柱亮燈 (開部分燈)的方法降低電能消耗；在大白天，采用關全部路燈的方法，如果天氣突然轉陰，系統就會自動打開部分路燈，滿足人們照明要求；傍晚時分，用光敏傳感器采集的光線強弱來判斷是否需要開關燈，做到及時開關燈。根據以上的控制實現智能和節能控制。表1所示的為協調器主控制路燈的狀況(此表要根據城市的實際情況制定)。

圖3 CC2530外圍電路

表1 協調器根據時間與外界狀態發出控制命令

本文提出了基于CC2530的ZigBee無線路燈節能智能監控系統的設計方案，在路燈控制器節點設計基礎上實現了自組織網絡的建立、通信、互操作性測試，解決了以往無線控制網絡的通信不穩定的問題。初步實驗結果表明：采用這種模式建立的無線路燈節能監控系統不僅具有較好的可靠性和較高的控制效率，而且還能夠及時發現路燈損壞情況和它的具體位置，減少了巡燈工作，同時又根據城市是否需要打開路燈的實際情況來控制整個網絡中的路燈開關，從而做到合理及時開、關燈。在下半夜采用隔柱亮燈的方法不僅能滿足人們照明的需要，而且還能減少電能消耗，能夠很好地達到節能和智能化管理的目的，有著廣闊的應用前景。

[1]蔣挺，趙成林.紫蜂技術及其應用[M].北京：北京郵電大學出版社，2006.

[2]峰碩電子科技有限公司.無線控制智能路燈管理系統.2010.

[3]朱忠芳，宋愛平，林濤.基于 ZigBee技術的單燈節能監控系統[J].現代電子技術，2008(21).

[4]黃沈磊.基于ZigBee的自組網無線路燈控制系統研究與設計[D].蘇州：蘇州大學，2010.

[5]李文仲，段朝玉.ZigBee2007/PRO協議棧實驗與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[6]王亞蘭.路燈節能器的研究[D].武漢：武漢理工大學，2008.

[7]峰碩電子科技有限公司.德州儀器TI-CC2530射頻單片機芯片應用開發指導.2011.