應用于城市路燈照明監控系統中的無線通信技術

【摘要】本文提出將一種全新的無線通信技術———ZigBee技術應用到城市道路LED路燈照明系統，利用ZigBee技術對LED路燈進行監控，并實現了LED路燈工作狀態的自動檢測和功率控制，為解決城市LED路燈照明系統的監控和節能問題提供了一種可行的方案。

【關鍵詞】ZigBee技術簡介特性發展應用

1城市路燈照明監控系統現狀及Zigbee技術簡介

路燈照明是城市基礎設施的組成部分，在城市的交通安全、社會治安、人民生活和市容風貌中居于舉足輕重的地位，而且標志著城市實力和成熟的程度。近年來，隨著城市現代化建設的突飛猛進，城市路燈照明技術應用和城市路燈照明系統建設也取得了快速的發展。隨著照明技術和材料工藝等方面的迅速發展，路燈在功能、性能和外觀造型等方面已取得很大的提高，但大多數城市道路照明監控系統發展相對滯后，存在著一系列的問題，諸如系統復雜，難以統一管理；路燈覆蓋面廣，維護力量不足；路燈使用及損壞情況不能及時掌握及反饋，導致路燈維護的有效性和及時性不能滿足要求，安全保障性差；開關控制效率低，用電浪費現象嚴重。因此，發展高效安全可靠的城市道路照明監控系統技術，對城市道路照明系統進行自動化、智能化的管理的重要性和迫切性日益提上日程。

自從上世紀八十年代起至今，從數據傳輸方面看，城市路燈照明監控系統發展可以分為四個階段：

（1）八十年代末采用220V強電有線的控制方式；

（2）九十年代初期到中期利用電力線、電話線載波的控制方式；

（3）九十年代中期到末期采用230MHZ專用頻道進行無線數據傳輸控制方式；

（4）二十一世紀初期至今采用利用移動運營商的短消息業務和GPRS/CDMA無線公網進行數據傳輸的方式和230MHZ數據傳輸控制方式。

電力線載波通信技術和GPRS無線通信技術成為目前城市路燈監控系統的主要方案，但也都存在較大的缺點。如電力線載波通信技術存在配電變壓器對電力載波信號有阻隔作用、三相電力線間有很大信號損失、電力線存在固有的脈沖干擾等問題。采用GPRS傳輸數據雖然可以解決電力線通信存在的問題，但這種方式成本極高，而且還將導致很多無線通訊資源的浪費。

本文提出將一種全新的無線通信技術———ZigBee技術應用到城市LED路燈照明系統，利用ZigBee技術對LED路燈進行監控，實現了LED路燈的功率控制和LED路燈工作狀態的自動檢測功能，解決城市LED路燈照明系統的監控和節能問題。

ZigBee技術是一種新興的無線通信技術，它是針對無線網絡技術在工業自動控制領域的需求而開發的，具有低數據傳輸速率、低功耗、低成本、網絡容量大、時延短、網絡的自組織、自愈能力強、通信可靠等特點。ZigBee技術在低速率、低功耗領域有著重要的應用，將ZigBee技術應用到城市LED路燈照明系統解決其監控和節能問題，主要有以下優點：

ZigBee技術的網絡容量十分巨大，理論上一個協調器能容納最大節點個數可以達到65535個，每個路由器也能容納255個節點。這在照明監控系統應用上是其它技術無法比擬的優勢。通常，我們可以把一個區域的路燈用一個協調器來控制。

在路燈控制系統中，需要傳輸的數據量很少，只需幾分鐘甚至幾十分鐘發送一次數據。每次發送的數據量也很小，所以ZigBee技術的低速率的特點恰好適合應用在這個控制領域中。利用ZigBee技術低功耗的特點，實現節能的目的。ZigBee工作在2.4G的免費頻段上，不會像使用GPRS一樣浪費許多無線電的資源。

ZigBee技術是一種自組織網絡，網絡拓撲結構可以隨意變動，而且ZigBee網絡具有自愈功能，網絡不會因為一個或幾個節點壞掉而癱瘓；也不會因為增加一個或幾個節點而影響整個網絡的工作。ZigBee技術可以多跳路由，與普通的多跳不同，自組織網絡的多跳路由是一塊普通的節點來完成的。這些優點應用在道路照明監控系統中是十分有利的，因為道路的環境比較復雜。假如兩盞路燈之間遇到大的障礙物時，我們可以通過增加冗余節點的方式來改變網絡的拓撲結構，從而繞過障礙物使整個網絡暢通。

利用ZigBee技術可以節省監控系統的成本，因為ZigBee技術比GPRS等技術成本要低很多，而且可以在監控中心控制路燈的開關，更加靈活的操作。

2基于Zigbee技術的城市道路照明監控系統的方案設計

城市道路LED路燈照明監控系統的方案設計包括軟件和硬件兩部分。整個系統方案如圖1所示。

硬件部分是以Zigbee模塊為核心，包括LED驅動電路、LED路燈狀態檢測及功率控制電路，以及直流穩壓電源電路等數個硬件電路模塊。本項目中采用成都無線龍公司生產的ZigBee模塊———C51RF-Lbee-SMA，該模塊以TI（德州儀器）生產的ZigBee芯片CC2430為核心，由無線SOC、功率放大器（PA）和低噪聲放大器（LNA）組成；LED驅動電路是一個恒流驅動電路；檢測電路通過檢測LED驅動電路產生的電流檢測信號，由軟件來判斷LED路燈工作狀態的好壞；功率控制電路通過控制輸出給LED驅動電路的控制信號，控制LED路燈的工作功率；直流穩壓電源電路提供Zigbee模塊及其他電路模塊正常工作所需要的5V和3.3V直流供電。

對于單盞路燈的監控系統的方案如圖2所示。

圖1系統方案圖

圖2單盞路燈監控系統方案

軟件部分包括應用ZigBee技術對道路照明系統的監控部分的程序，包括ZigBee協議棧物理層，網絡層及應用層的程序。ZigBee協議棧應用層部分的程序由LED路燈工作功率控制和LED路燈狀態檢測兩部分程序組成，還有保證Zigbee無線通信數據收發的安全可靠性的程序。網絡層中有協議棧的路由的設置，網絡拓撲結構的設置。物理層中的配置程序需要設置網絡的PANID和信道，只有設置好這些參數后才能正常通信，并區分開其它的ZigBee網絡。功率控制部分主要是通過Zigbee模塊中的核心芯片CC2430的定時器產生一個方波，在項目中我們設定的是固定頻率的方波（頻率為2KHz），通過改變占空比的方式來改變LED驅動電路中的電流大小。檢測路燈好壞是通過Zigbee模塊的CC2430的AD口讀取口上電平的值，高電平代表路燈異常，并及時地在電腦界面上顯示出來。具體的程序設計這里由于篇幅所限不再一一列出。

ZigBee協議棧由物理層（PHY）、媒體接入控制層（MAC）、網絡層（NWK）和應用層（APL）組成。協議棧的每層為上層提供服務接口，使上層可以方便的調用下層的函數。關于ZigBee協議棧的構成及協議棧各層的的相關內容，以及使用的開發工具包括IAR、物理地址修改軟件、數據分析儀等由于篇幅所限就不再贅述。

三、系統測試

系統測試包括ZigBee網絡測試以及對整個道路LED路燈照明監控系統的測試。

Zigbee網絡測試主要測試網絡的組網能力、組網時間、網絡容量、網絡深度（跳數）及網絡的穩定性。在本項目中重點對網絡容量、網絡深度（跳數）以及網絡組網穩定性進行了測試。這里由于篇幅所限不再詳述。

道路照明監控系統的總體測試主要是測試系統實現的功能和整個系統的穩定性，包括對LED路燈工作狀態能否正常自動檢測，對LED路燈的功率控制是否安全有效，以及ZigBee整體網絡工作的穩定性等。

整個系統的測試在某園區完成，把園區道路上的10盞LED路燈安裝上路燈監控系統。監控中心設在室內，通過操作界面對路燈進行控制。每盞LED路燈之間的間隔大約是30m。

控制時，只要在監控中心的操作界面上設定控制的時間，路燈就能夠完成功率的自動控制，并且及時反饋路燈的工作狀態等信息。路燈的默認狀態是全功率狀態，功率控制分為5個檔位，可以根據不同的時間段來選擇。如果有路燈不能正常工作，系統界面上會彈出提示警示。

綜合上述，本文設計的城市道路LED路燈照明監控系統應用Zigbee技術，實現了對城市道路LED燈照明系統的監控，實現了對LED路燈工作狀態的自動檢測和功率控制，能夠很好地實現項目所要求的功能，是一種能較好地解決城市LED路燈照明系統的監控和節能問題的方案。