ZigBee無線路燈監控系統

張春燕，朱小本，熊吉駱

（1.陜西省銅川市新區路燈管理所，陜西 銅川 727000；2.杭州瑞琦信息技術有限公司，杭州 310012）

據有關資料統計，目前城市公共照明在我國照明耗電中占30%的比例，約439億kWh，以平均電價0.65元/kWh計算，一年開支達285億元，成為各地財政部門的一大負擔。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，在此提出了基于CC2530的ZigBee（紫蜂）無線路燈監控系統方案。

1 系統構成

1.1 ZigBee無線傳輸技術簡介

ZigBee是一種基于IEEE 802.15.0標準的短距離、低速率無線傳輸技術，工作頻段為2.4 GHz，具有16個信道，主要解決低成本、低復雜度、低傳輸速率、近距離傳輸設備等組網問題，用于對網絡中被控對象的監測及控制。

由ZigBee網絡設備組成的系統具有以下優點：安裝方便，無需額外布線，降低了成本及施工難度；能遠程實現批量操作，整個管理系統更具人性化；操作方便，智能控制，維護簡單，可實現數字化管理。

1.2 系統構成

系統采用三級網絡組成，分別是監控中心（路燈所）、控制主機（配電柜）、被控對象（單燈控制器），如圖1所示。

監控中心通過GPRS（通用分組無線服務技術）與控制主機通信，控制主機通過RS-485總線與安裝在配電柜里的ZigBee集中器通信，ZigBee集中器通過ZigBee無線信號與被控對象即單燈控制器通信，最終由單燈控制器管理到每一盞路燈，對路燈進行開關和調光控制，對電壓、電流、功率因數、燈亮度等參數以及防盜模塊進行監測，能將路燈的滅燈或電容故障及時主動上報，遇盜竊行為時能將信號傳導至監控中心發出聲光報警，從而能有效地阻止各類盜竊路燈電纜、器材的犯罪行為。

圖1 無線路燈監控結構

2 系統硬件設計

2.1 終端ZigBee模塊設計

終端Zigbee模塊采用TI公司CC2530片上系統作為單燈控制電路的核心，根據路燈系統特點，網絡采用“鏈”形連接，以便靈活地增加或刪除節點。在配電柜中的Zigbee模塊是該配電柜下所管轄路燈網絡的中心節點，起著轉發上位機命令到被控對象及上傳來自某1盞或多盞路燈數據包的作用，同時還會每隔一段時間下發1次“心跳包”，檢測通信鏈路是否暢通，因此中心節點必須時刻處于工作狀態。

在每個燈桿的單燈控制器中裝有1個ZigBee模塊，該模塊既是被控節點，又是路由器，起中繼作用，除了完成對自身任務的處理，還需轉發其他數據，承擔著中心節點和相鄰節點通信的任務。某一節點如果出現暫時的通信失敗，數據轉發的任務可以自動交給相鄰節點來完成，而不會影響整條線路的通信。

2.2 單燈控制器設計

單燈控制器組成如圖2所示。CPU采用ARM7系列的微處理器芯片。ZigBee無線模塊工作頻段為2.4GHz，每間隔5M為1個信道，總共有16個信道可用，ZigBee模塊與主控制器之間通過通用UART（異步接地發送裝置）通信。

圖2 單燈控制器組成

調光模塊采用LPC936微處理器，通過RS485總線和主控制器CPU通信，具有5個檔位的調光功能。主控制器通過IO（輸入/輸出）口控制繼電器的閉合或斷開，從而控制路燈的開或關。主控制器通過ADC（自帶模數轉換器）采集功能，實時采集電流電壓參數，還可將參數通過ZigBee無線模塊上傳到監控中心，以便更好地監控路燈的工作狀態。

3 單燈控制器軟件系統設計

3.1 程序功能

接收ZigBee無線模塊的命令后，根據相關命令協議執行查詢、修改配置與狀態命令；二路繼電器根據配置中的調光值執行開關操作；實時進行二路電壓、電流采樣，并根據采樣結果進行故障診斷；如需上傳本地狀態或配置數據，則通過ZigBee無線模塊將數據上傳到監控中心。主程序流程見圖3，ZIgBee無線模塊程序流程見圖4。

圖3 主程序流程

3.2 路由算法設計實現

圖4 ZigBee無線模塊程序流程

圖5 現場路燈安裝示意

路由算法是系統實現各項功能的核心因素，該算法主要是針對直行并排安裝的路燈現狀，采用“鏈”型網絡結構。路燈現場安裝示意如圖5所示，以配電柜所在處為中心，將道路左右兩邊分成4個分支，分別以分支1、分支2、分支3、分支4表示，每個分支的路燈數可以相同，也可以不同。每相對的2組節點組成1個“鏈環”，如圖中分支1的節點1、節點2和分支2中的節點1、節點2就組成1個“鏈環”，分支1中的節點2、節點3和分支2中的節點2、節點3亦組成1個“鏈環”，分支3和4同樣如此。這樣1個交叉重疊的“鏈”型網絡，允許1個“鏈環”中其他3個節點處于空閑狀態，只要有1個節點處于正常工作狀態，既可保證整個網絡的通信正常。

每1個節點都有路由記憶功能，保證系統選擇最佳“路徑”進行通信，從而使得整個系統的通信可靠穩定，系統路由功能更加智能。

4 結語

ZigBee無線單燈監控系統目前已經有工程應用實例，由于其安裝簡單、組網方便、維護成本低等優點，在實際工程中實現了路燈節能控制系統的智能化、信息化、高可靠性、低成本的目標，取得了明顯的節能控制成效，符合國家節能減排的發展戰略，相信這項技術的市場應用前景將會更加廣泛。

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