基于ZigBee的路燈智能控制系統設計

張 虎

（北京億來置業有限公司，北京101400）

0 引言

隨著城市化進程的加快，城市路燈建設的速度和規模也相應增加，路燈正常照明所消耗的電能在整個交通系統中占據重要的比重，據某月相關資料統計，我國路燈耗電高達135億kW·h［1］。為更好地適應公路建設需求，交通部門確定了以“智能交通”為核心的建設項目，而對于路燈的控制，一方面要求更加靈活，便于實現遠程控制，另一方面也需要考慮在滿足照明需求的前提下盡可能地節省電能。在這個基礎上，本文確定了以ZigBee為核心的路燈智能控制方案，路燈節點利用組網簡單、性價比高的無線單片機，利用無線單片機控制路燈的開關，通過中心節點的連接，使用GPRS通信將路燈與遠程監控中心相聯系，實現路燈的遠程、智能化監控。

1 路燈智能控制方案

1．1 ZigBee協議?？蚣?/h3>

協議棧是網絡數據交換所遵循的規則結合，例如兩個系統交互時，一個系統的應用層與另一個系統的應用層之間信息交互要通過各層協議來實現。ZigBee協議棧主要包括物理層（PHY）、介質訪問控制層（MAC）、網絡層、應用層（APL）及安全服務提供層5部分。其中，PHY和MAC的協議標準參考國際電聯的IEEE802．15．4，剩余各層的協議規范由ZigBee聯盟給出。

1．2 ZigBee路燈設計的一般原則

對于ZigBee路燈設計，一般遵循以下幾個原則：（1）路燈控制節點應該具有體積小、安裝方便等特點。（2）路燈節點的硬件部件應便于擴展和日后維護。（3）路燈節點應具有一定的穩定性和可靠性。主要表現為，硬件方面有較高的適應環境能力，保證在高溫、潮濕等環境下可靠運行，在軟件方面可操作性和移植性好。（4）設計的系統具有可觀的性價比。

1．3 ZigBee智能路燈控制方案

對于ZigBee智能路燈的控制，在遵循基本設計原則的前提下，確定了以微處理器為核心的節點收發控制方案，如圖1所示。

圖1 ZigBee智能路燈控制方案

路燈1、2、…、n通過各自的微處理器控制，利用微處理器所連接的無線模塊，通過ZigBee協議實現微處理器與中心節點的信息交互，即實現路燈節點與中心節點的交互，中心節點把所收集到的路況信息，由GPRS通信傳給遠程中心，遠程中心根據控制算法發出控制指令，由GPRS傳給中心節點，再通過ZigBee協議將控制命令傳給對應路況的路燈節點。其關鍵的技術表現為：（1）傳感器對路況信息的采集與判斷。利用光強傳感器，對路況光照強度進行采集，經放大、濾波，信號在路況中心節點的微處理器上進行分析，如果光照強度小于給定，那么中心節點一方面通過GPRS與遠程計算機交互，發出待“開燈”指令，另一方面通過ZigBee控制中心節點所對應的幾個路燈做出相應的動作。（2）路燈的節能管理與控制。利用振動傳感器，采集路上行人、車輛的信息，按上述控制機理，在采集的振動信息高于最低人行振動時，路燈開啟，否則，路燈自動關閉，實現路燈的節能控制［2］。（3）網絡的構建與實現。ZigBee網絡由局部路段中心節點和對應路段路燈節點組網，GPRS網絡由各中心節點與遠程控制計算機組網。

2 ZigBee路燈節點的硬件設計

ZigBee路燈節點的組成如圖2所示，微處理器是路燈節點的主要組成部分，其功能包括采集路況信息、電壓電流信息，接收來自控制中心的指令，發送路況與監測數據等。傳感器模塊主要完成路面振動、光強等信息的采集，經運算放大器、濾波、A／D轉換傳給微處理器；ZigBee模塊主要是實現路燈節點與中心節點的信息交互，便于實現采集信息和待執行指令之間的信息交互；路燈控制模塊主要控制路燈的照射亮度、開關等，可根據路面振動、光照等，結合采集的電壓、電流，對路燈光照亮度進行調節。

圖2 路燈節點的組成

3 ZigBee路燈節點的軟件設計

3．1 ZigBee路燈節點的協議棧軟件構建

根據相關的國際標準，ITU與ZigBee聯盟規定的ZigBee協議棧，其操作和信號傳輸需要在一個協議規則的幫助下，使用IEEE802．15．4。對于協議規定的ZigBee通信，一般采用原語來實現，ITU和ZigBee聯盟相關標準定義了多種原語規則，要想真正實現原語的相互交互，完成數據信息的通信，在很大程度上還需要借助于軟件編譯，即通過軟件算法，將原語和控制算法、數據信息相匹配，完成通信規則［3］。

在ZigBee協議棧軟件中加入基于輪轉查詢式的應答模式，例如路燈節點需求“打開”，這樣就會通過應答，將該路燈節點加入無線網絡，與協調器進行交互，完成數據通信。應答方式的操作主要是基于多種事物共同作用的結果，對于一個無線節點的加入，往往需要探尋多個目標，完成信息的收發，而為了方便，可使所有的探尋過程在同一個程序目錄下實現，然后根據路燈的實際位置和路燈控制的具體要求來調用某個路燈對應的事件處理函數，進入該任務的事件處理函數之后，再根據路燈信號來判別是該任務的哪一種事件發生，進而執行相應的事件處理。

3．2 路燈的軟件控制

在中心節點網絡協調器，首先初始化微處理器，然后程序開始初始化協議棧和開中斷，并在此基礎上建立一個新的網絡。如果只需要一段路燈亮，可以修改地址，只讓靠近網絡協調器一段的路燈亮。也就是第幾個路由器，就以該路由器的物理地址發送開關命令，這樣路燈就只會從網絡協調器亮到該路由器，此路由器后面的路燈就不會亮了。

4 結語

利用ZigBee和GPRS相結合的手段實現路燈的智能化控制是路燈照明發展的重要方向之一，隨著無線技術的進一步發展，與有線傳輸相比，其通信質量、通信效率都得到較大的提升。本文針對路燈的智能控制，分析并確定了路燈控制的基本方案：利用微處理器所連接的無線模塊，通過ZigBee協議實現微處理器與中心節點的信息交互，中心節點把所收集到的路況信息，由GPRS通信傳給遠程中心，遠程中心根據控制算法發出控制指令，由GPRS傳給中心節點，再通過ZigBee協議將控制命令傳給對應路況的路燈節點，可實現路燈的遠程、智能控制。

［1］Akyildiz I F，Su W．Wireless Sensor Networks：A Survey［J］．Computer Networks，2002（4）

［2］張偉，王宏剛，程培溫．基于GPRS的智能路燈遠程監控系統的研究［J］．計算機測量與控制，2010（9）

［3］網蜂團隊．ZigBee實戰演練［Z］