基于Zigbee的無線網絡風光互補LED路燈監控系統設計

王少用 楊金明

華南理工大學電力學院，廣東省 廣州市 510640

基于Zigbee的無線網絡風光互補LED路燈監控系統設計

王少用 楊金明

華南理工大學電力學院，廣東省 廣州市 510640

本文介紹了一種基于ZigBee技術的風光互補LED路燈的監控系統。它能及時、準確的檢測到蓄電池電壓、電流、太陽能電池板等路燈的各項參數，并通過GPRS上傳至監控中心，又能對路燈的開關及亮度等進行控制，方便管理和維護，具有巨大的市場應用價值。

Zigbee；無線監控系統；LED路燈

引言

隨著風光互補LED路燈系統的普及和推廣，如何保證路燈的安全、穩定、可靠運行將成為新的問題和難點。完全依賴光電控制或值班人員進行手動控制傳統的路燈的控制方式由于控制的不穩定，可靠性差等因素肯定是行不通的。近年來隨著Zigbe技術的應用和快速發展，于是提出了將Zigbee技術應用于風光互補路燈的控制系統，并與GPRS相結合實現路燈的遠程監控，它具有自動化程度高、運行可靠、高效節能、維護方便、便于控制等顯著特點，本文將研究其具體的實現方法。

1 Zigbee 技術

Zigbee技術是近幾年興起的一種短距離無線通信技術，其工作于免費的ISM頻段（2.4GHz），它主要用于低成本、低功耗、低復雜度、低數據速率、近距離、高容量、高可靠性的多設備聯網應用。它是基于IEEE 802.15.4無線標準研發而成的，IEEE 802.15.4僅處理MAC層和物理層協議，Zigbee聯盟對其網絡層協議和API進行了標準化。

根據功能的不同，IEEE 802.15.4把網絡中的設備分為全功能設備（FFD）和半功能設備（RFD）。FFD實現了IEEE 802.15.4協議全部功能，而RFD則根據特定應用需要只實現了協議中一部分功能。Zigbee協議定義了三種類型的設備，即PAN協調器、路由器和終端設備。協調器為網絡的總控制器，一個網絡中只有一個。網絡協調器和路由器必須是FFD。一個FFD可以和RFD通信，也可以和其他的FFD通信，而RFD之間不能直接通信，而只能與FFD設備通信。RFD在網絡中只能作為終端設備，僅需簡單的8為微處理器和4K的系統資源就能滿足其協議功能。

網絡協調器負責網絡的建立和維護，以及管理網絡密室；路由器除了實現應用功能外，還具有擴大網絡覆蓋、建立可靠數據路由路徑等功能；終端設備只實現應用功能，其數據由路由器接收和發送。

Zigbee技術具備強大的自組網能力，支持三種主要的自組織無線網絡類型，即星型結構、網狀結構和簇狀結構。本文結合Zigbee技術、成本、可靠性和其他實際情況，設計了基于簇狀結構的Zigbee網絡的路燈控制系統，取得了很好的效果。

2 網絡結構

路燈監控系統采用了Zigbee技術與GPRS技術相結合的無線簇狀網絡架構作為數據傳輸媒介。其網絡示意圖如圖1所示。

每盞LED路燈配備一個Zigbee通信芯片，網關節點、路由節點、終端節點組成以網關節點為根節點的樹狀網的LED路燈子網。網關節點通過GPRS技術接入互聯網，從而與控制中心建立聯系。路由節點、終端節點選擇附近層數（離網關節點的跳數）最小、強度最強的節點作為自己的父節點。Zigbee網絡協調器負責建立網絡和管理網絡，從而形成一個Zigbee子網，遠程控制中心通過GPRS網絡與各個Zigbee子網通信，形成整個城市的大區域遠程監控網絡。

圖1 網絡示意圖

網關節點無線通信模塊選擇合適的頻道作為本子網的頻道。然后定期發送信標消息，表明自己的存在。

路由節點啟動時，搜索各頻道，根據網關節點/上級路由節點的信標消息選擇層數最小、強度最強的節點，發送加入請求信令，提交本節點物理地址（用于節點唯一標識）、類型等信息。網關節點/上級路由節點為新節點分配網絡地址（用于路由），返回加入響應信令。加入網絡后的路由節點定期發送信標消息，內容包括節點網絡地址、類型、層次。路由節點定期向上級節點上報自身狀態信息以及下級節點的匯總信息。

終端節點啟動時，搜索各頻道，根據上級路由節點的信標消息選擇層數最小、強度最強的節點，發送加入請求信令，提交本節點物理地址、類型等信息。上級路由節點為新節點分配網絡，返回加入響應信令。終端節點定期向上級路由節點發送狀態信息。路由節點維持下級節點地址及狀態列表。路由節點需有機制告知終端節點已收到其狀態信息。

當上級路由節點故障時，子節點重啟加入程序，重新搜索上級節點，以致不影響整個網絡的運行。

3 風光互補LED路燈節點的設計

本系統采用的無線收發器是CC2430，產自TI公司，是符合IEEE.802.15.4標準的片上Zigbee產品。它在單個芯片上整合了Zigbee射頻（RF）前端、內存和工業級增強型8051微控制器。CC2430只需極少的外圍器件就可工作。節點系統圖如圖2所示。

風能和太陽能經電力變換向蓄電池充電儲存能量，控制器通過電壓電流檢測模塊采樣蓄電池充電電流電壓，太陽能電池板的電流電壓和風機輸出的電壓電流，經過控制算法，輸出PWM信號驅動AC/DC,DC/DC 電路，實現最大功率跟蹤及最大風能捕捉，并根據電壓電流大小實現一定的保護功

圖2 節點系統框圖

能，CC2430和控制器經SPI接口通信，將電路運行的各種參數和故障及時的發送至網關，再整合處理發送至監控中心，并將控制中心下達的命令數據傳送至控制器，CC2430根據情況控制LED路燈的開關和照度。

4 節點軟件設計

本設計采用TI公司發布的Zigbee協議棧，這樣能大大地簡化軟件部分的設計。Zigbee協議棧的開發主要是應用框架層（AF）和應用支持子層（APS）的修改并添加自己的驅動程序，網絡層是以庫的形式提供，通過調用接口函數可以加入網絡和查詢網絡的狀態，MAC層和物理層也不用去改動。由于在Zigbee協議棧中自帶操作系統層（OSAL），除了初始化一些必要的變量，整個Zigbee的啟動都以任務的方式完成啟動。

Zigbee無線數據通信任務函數和LED路燈控制任務都運行在操作系統上，OSAL對任務時間進行觸發來實現任務調度。每個任務包含若干事件，當一個事件產生時，對應任務的事件變量就被設置衛星應的事件號，這樣事件調度程序就會調用相應的任務處理程序。其主程序流程圖如圖3所示。

5 結束語

將Zigbee無線技術應用于風光互補LED路燈的管理上，解決了以往路燈控制的諸多不足。在遠程監控界面上能過觀看每個路燈的運行情況及以往的運行操作記錄，還能具體到控制每一盞燈的運行,能夠實現智能化控制。Zigbee、風能、太陽能和LED路燈相結合，使系統具有綜合成本低、可靠性高、功耗小、維護方便、智能化程度高等優點，具有良好的市場應用價值。

[1] 東莞勤.上光電股份有限公司.基于Zigbee+GPRS的LED路燈遠程無線監控系統[J].照明工程學報.2009(8):103-105

[2] 關耀宗，胥布工.基于Zigbee網絡的道路照明監控及節能系統.自動化與信息工程.2007，（4）

[3] 林方鍵，胥布工.基于Zigbee網絡的路燈節能控制系統.控制工程.2009(5):324-326

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.061