基于ZigBee的LED路燈照明系統設計與研究

魯 進，郭利進

（天津工業大學 電氣工程與自動化學院，天津 300387）

隨著經濟和城鎮化的快速發展，路燈照明系統越來越受到人們重視。傳統路燈照明系統多采用有線連接，其鋪線麻煩，價格昂貴，不易擴展和移動，并且智能化程度不高。針對傳統路燈照明系統的不足，采用無線控制來代替傳統有線控制方式。ZigBee技術是一種新型的無線通信技術，主要應用于短距離內的低速率傳輸。其具有功耗低、成本低、時延短、網絡容量大、可靠、安全等特點，適合路燈照明系統使用。另外，為響應國家節能減排號召，采用LED路燈照明成為很多城市照明系統的首選。論文設計了一種利用ZigBee無線傳感器技術對LED路燈進行遠程控制的方案，實驗結果表明系統穩定可靠，具有智能化、現代化的特點。

1 ZigBee組網技術

1.1 網絡拓撲結構選擇

ZigBee網絡支持星狀網 （StarNetwork）、樹狀網（Cluster tree Network）和網狀網（Mesh Network）三種網絡拓撲結構。如圖1所示，分別為星狀網、樹狀網、網狀網，其中C表示 PAN協調器，F表示全功能設備，R表示精簡功能設備。

圖1 ZigBee網絡拓撲結構

由圖1可看出，星形網的控制和同步都比較簡單，通常用于節點數量較少的場合。而樹狀網絡的一個顯著優點就是網絡覆蓋范圍較大，但隨著覆蓋范圍的增加，信息的傳輸時延也會增大，并且一旦在某一傳輸路徑中路由節點發生故障，將導致信息無法正常傳遞。

網狀網絡（Mesh網）一般是由若干個全功能設備連接在一起組成骨干網，它們之間是完全的對等通信，每個節點都可以與它的無線通信范圍內的其他節點通信，即允許網絡中所有具有路由功能的節點直接互連。在這些全功能設備中有且只有一個會被作為協調器，這主要取決于是誰第一個建立網絡。這些具有路由功能的節點，能夠將一條信息轉播給它的鄰居。通過這種轉播信息的功能，在網狀網絡中的一個數據包可以通過一條路徑到達它的目的節點。Mesh網是一種高可靠性網絡，具有“自恢復”能力。由于網狀網擁有多個冗余的通信路徑，一旦一條路徑出現故障，則會選擇另外一條合適路徑進行數據傳播。該拓撲的優點是增強了可靠性、覆蓋范圍大，缺點是需要更多存儲空間[1]。

在將ZigBee技術用于LED路燈控制中，由于路燈數量較多，且控制傳輸距離遠，可靠性要求高，故選取網狀網絡拓撲結構較為合適。

1.2 具有短地址恢復能力的尋址設計

ZigBee設備支持兩種地址類型：一種是64位的IEEE地址，另一種是16位的網絡短地址。當設備加入ZigBee個域網時，它可以從允許其加入的父設備上獲取16位網址，該網址在個域網內是唯一的。該網址用于數據傳輸和數據包路由。用于路由數據包的路由表存放著各個目標設備和下一跳設備的網絡地址，因此個域網的各設備都必須有明確且唯一的網絡地址，以保證數據能到達正確的設備。

ZigBee2007規范定義了ZigBee和ZigBee PRO兩個特性集。在ZigBee特性集中采用樹尋址，其按照等級分配地址，所分配的地址是唯一的，無須持續監測通信，可避免產生額外負荷與地址沖突。而ZigBee PRO采用隨機尋址方法為設備分配地址，因此需要持續監測以解決地址沖突[2]。本方案是基于ZigBee PRO特性集上進行開發設計的，并且采用的是網狀拓撲結構，所以將采用隨機尋址方法為設備分配地址。雖通過不斷檢測與監控可幫助解決這種尋址方式所帶來的地址沖突問題，但是，對于控制成百上千個路燈的ZigBee網絡系統而言，若在協調器被替換或重新組成一個新的個域網后，所有網絡中的設備都進行重新隨機尋址，則會帶來兩個比較大的問題：一是需要花費大量時間監測與調整地址沖突，產生額外的負荷；二是重新分配了地址，使得路燈里的ZigBee設備的短地址發生了變化，這樣不便于利用短地址對各路燈進行監控。

為確保將數據發送到正確的設備上，在協議棧開發的基礎上提出了具有復位網絡短地址能力的解決方案（只是針對協調器被替換或重新組成了新的個域網的情況）。首先在網絡正常時備份網絡短地址映射表，將網絡節點的64位擴展地址與網絡短地址一一對應，這樣可以在新的網絡未組建之前選擇通信信道時，調用應用層網絡恢復函數讀取網絡短地址映射表[3]。若該函數讀取失敗則返回READADDRLIST＿ERROR，協調器將會建立新的網絡連接，此時所有節點的網絡地址將會被更新。若讀取成功，則協調器將會以64位的擴展地址進行路由發現。在發現完成后，利用映射表將64位擴展地址映射成16位網絡地址，這樣就恢復了先前的網絡。在路由發現過程中若出現新的64位擴展地址，協調器則將其視為新的子節點，并隨機分配新的網絡地址，同時對新分配的網絡地址進行監測調控，保證不與其余的網絡短地址發生沖突。但該方案僅針對于協調器而言，如果想保證所有節點數據包的可靠傳遞，則必須有應用層上相應的配置，使得數據在傳輸之前將64位擴展地址轉化為16位網絡地址。整體流程如圖2所示。

圖2 網絡地址復位流程圖

2 LED路燈驅動電源設計

LED電路驅動芯片采用HV9910B，其輸出功率可從幾瓦到幾十瓦。HV9910B是優化的LED降壓驅動器，其采用開環峰值電流模式控制，可通過編程實現恒定電源模式或關斷時間模式。HV9910B有兩個采樣閾值電壓，一個為內部的250 mV，另外一個是LD引腳處的外部電壓，實際工作時使用的閾值電壓為兩個電壓中較低者。因為采樣電壓低，故可使用較小的電阻來檢測電流，這意味著效率會更高。其最小輸入電壓可以低至8 V，在汽車運用中較為合適；最大可以承受450 V的輸入電壓，非常適用于離線應用。同時還包含一個PWM調光輸出，能夠允許占空比0～100%以及頻率高達幾千赫茲的外部控制信號[3]。因此HV9910B只需要三個部件（除電源部分）即可產生一個受控制的LED電流，使之成為低成本LED驅動理想解決方案。

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 驅動原理圖，電感L和電阻R的具體參數計算見下。

圖3 LED驅動原理圖

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，假設LED電流允許存在正負15%的紋波 （總紋波為30%）。最常用的電感公式為：

考慮MOSFET關斷期間，電感為LED提供能量，則可推出

由（3）可以算出 L＝3.3 mH。

2.2 檢測電阻R2的選擇

檢測電阻的大小用下式計算：

計算得出 R2＝0.33 Ω。

3 系統整體工作流程

系統中，ZigBee無線通信模塊采用 TI的 CC2530。CC2530結合領先的RF收發器的優良性能、業界標準的增強型8051CPU、系統內可編程閃存、8 KB的RAM和許多其他強大的功能。系統中的每一個終端、路由分別控制一盞燈，每個燈對應一個ID。CC2530的引腳控制著LED驅動芯片的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/電壓檢測傳感器。當LED路燈關閉時，這些節點處于休眠狀態。一旦路燈開啟，這些節點從休眠狀態喚醒，開始正常工作。它們主要負責兩方面的工作：（1）自我監控。監測LED路燈的溫度、電流和電壓，一旦這些參數超過臨界值，將采取自我保護措施，與PWM＿D管腳相連的引腳將輸出低電平，從而關閉LED，保護路燈。（2）數據無線上傳。節點正常工作后，將會定時將各節點的狀態參數無線上傳給協調器，協調器在接收到路由和終端設備發過來的數據后，再將數據發送給上位機，從而實現遠程監控。如果某個路燈出現故障，可直接從監控系統得知損壞路燈的短地址，從而方便維修。為了響應國家節能減排號召，同時設計出更加人性化、智能化的LED路燈，可在ZigBee協調器上加上檢測環境參數的傳感器（如光線強度），特別是在陰天與雷雨天氣，能自動控制所有的節點開啟路燈[5]。

系統中協調器、路由器和終端節點整體的工作流程如圖4所示。其中，終端節點的異常處理是指電流、電壓或溫度異常，這些異常狀況都會導致LED路燈自動關閉。協調器接收到的應用事件包括：各節點上傳數據、上位機發送的控制指令，以及協調器自我監控。

圖4 工作流程

4 系統功能測試

在構造實驗系統時配置了一個網絡協調器，兩個路由器節點和三個終端節點。路由節點和終端節點分別控制5盞LED路燈，協調器則通過串口與上位機相連。經測試，在開闊處ZigBee有效通信距離可達80 m，符合LED路燈要求。同時通過上位機監控界面對LED路燈進行簡單的開關控制，并在監控界面上將各LED路燈的亮滅情況、短地址、溫度、狀態等參數顯示出來。監控界面是用DELPHI2010編寫的，可以實時顯示LED路燈狀況，方便監控人員監控，并且可調出以往數據方便查詢。圖5為在實驗室條件下監測到的5盞LED路燈狀態，可發現系統工作正常，符合要求。

圖5 LED路燈監控界面

論文主要從ZigBee通信技術以及LED驅動電源設計兩方面，探討了如何將新型短距離無線通信技術ZigBee運用于LED路燈照明系統中。使用該技術省掉了傳統有線方式的系統布線，使傳感器安裝快捷、組網容易、維護方便、成本低。同時運用CC2530新型單片機檢測控制LED路燈，可大大提高傳感器的靈敏度和可靠性，延長LED路燈的使用壽命。經測試，整個系統控制穩定，智能化、現代化程度高，因此本方案在城市LED路燈照明系統中具有較高參考價值。

[1]張藝.ZigBee無線組網技術的研究與實現[D].上海:上海大學，2009.

[2]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.

[3]薛艷亮，胡建萍，王江柱.基于分布式編址機制的ZigBee組網技術研究 [J].杭州電子科技大學學報，2008（2）：33－36.

[4]WINDER S.Power Supplies for LED Driving[M].北 京 ：人民郵電出版社，2009.

[5]申利民，翁桂鵬.基于ZigBee的智能小區LED路燈控制系統設計[J].中國照明電器，2011（2）：26－29.