基于ZigBee 的校園無線路燈控制系統的設計

詹金金

（平頂山技師學院，河南 平頂山 467000）

0 引言

在城市照明系統中，高校校園路燈照明耗電占了相當的比重。因此，隨著我國能源需求越來越大，提出高效節能的照明技術也勢在必行，既可以節約能源，同時給社會帶來一定的經濟效益。與其他的無線通信技術如Wi-Fi、藍牙、UWB 等相比，ZigBee 技術彌補了的低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺，其成功的關鍵在于豐富而便捷的應用[1]。本文以校園路燈控制系統為研究對象，提出并設計了一個基于ZigBee 無線網絡技術的校園路燈控制系統，包括校園路燈系統的硬件設計和軟件設計兩部分。

1 系統的總體設計

1.1 系統網絡結構

ZigBee 網絡可以通過無線通信組成星狀、串（樹）狀、以及網狀三種網絡結構[2-5]。根據校園路燈控制系統的特點，這里采用多路由樹型網絡結構進行組網，網絡結構如圖1 所示。在樹狀結構中，節點類型分為協調器、路由器和終端節點三種，其中系統里只有一個協調器，充當中心節點，負責網絡的建立與管理，并顯示當前路燈無線網絡的狀況。路由節點可作為中繼控制器來傳遞信號，同時它也可以作為終端節點控制路燈的開關。而終端節點只能接收信號并控制當前路燈。

圖1 校園路燈無線控制系統網絡結構圖

1.2 系統整體結構

校園路燈無線控制系統的硬件設計以無線單片機CC2430 為核心，主要包括直流穩壓電源模塊、LED 驅動電路模塊、LED 故障檢測電路和CC2430 無線收發模塊等。在整個無線網絡中，每盞路燈對應一個ID，每個終端節點和路由分別控制單盞路燈，并由傳感器獲取的信息數據，再通過無線收發模塊傳送給網絡協調器，協調器將收到的數據通過串口發送給PC 機。當LED 路燈出現故障時，檢測電路會發生報警信號并發送給PC 機，便于路燈及時的檢修與維護。系統的整體硬件結構框架如圖2 所示。

2 系統的硬件電路設計

2.1 CC2430 無線收發模塊

本設計選用CC2430 為核心控制芯片，作為無線通信模塊，它具有標準的8051 增強型處理器，是一顆真正的系統芯片CMOS 解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee 為基礎的2.4 GHz 波段應用對低成本、低功耗的要求。CC2430 芯片外部有20 個通用的I/O 口，其中P0 口8 個管腳可以直接連接外部模擬量輸入，內部有14 位高速ADC，滿足各類傳感器的輸入和A/D 轉換[6]。CC2430 典型外圍電路如圖3 所示。

由于CC2430 將8051 內核與無線收發模塊集成到一個芯片當中，因而簡化了很多外圍電路設計。該芯片采用0.18 μm 的CMOS 工藝生產，工作時的電流損耗為27 mA，在接收和發射模式下電流損耗分別小于低于27 mA 或25 mA[7]。因此，CC2430 芯片整體比較節能，其低功耗的特點十分適合路燈無線數據的采集與控制。

圖2 校園路燈無線控制系統硬件設計框圖

圖3 CC2430 典型外圍電路圖

2.2 LED 驅動電路

目前，大功率LED 的驅動芯片很多，只有選擇一款適合本設計的芯片才能保證LED 正常可靠地工作。PAM2842 芯片的輸入電壓范圍為直流5.5～24 V，使用外部電流檢測電阻來決定其輸出電流，最大輸出電流為1.75 A，并且具有過壓、欠壓、過溫和過流保護等功能，價格也便宜。所以，本文選擇PAM2842 芯片作為LED 的驅動器。LED 驅動電路如圖4 所示。

圖4 LED 驅動電路

2.3 協調器和路由器設計

協調器和路由器均采用CC2430 無線單片機。協調器主要由CC2430 無線收發模塊、液晶顯示電路、串口擴展電路以及電源部分等組成，如圖5 所示。液晶顯示部分主要用來顯示目前網絡的狀態，而串口部分可以通過外部一個RS-232 模塊，將獲得的數據信息傳到計算機。其中，液晶顯示選用Nokia3310（見圖6），它是84×48 點陣液晶顯示屏，接口為SPI，工作電壓為3.3 V。該LCD 的驅動芯片為PCD8544，是低功耗的控制驅動器，所有必需的顯示功能集成在一塊芯片上，只需要很少的外部元件，并且功耗很小。路由器的設計與協調器的設計基本相同，只是沒有液晶顯示部分，而又加入了光敏電阻。光敏電阻可用于光線的測量，從而獲得環境的亮度，當節點檢測到當前的光線狀況時，可以通過判斷自己的光線情況決定是否打開路燈。圖7 為光敏電阻連接電路。

圖5 協調器結構圖

圖6 液晶顯示電路

圖7 光敏電阻連接電路

3 系統軟件設計

本系統的軟件開發平臺是基于Chipcon 公司的ZigBee2006 協議棧，在IAR Embedded Workbench 開發環境中進行的。整個系統的軟件設計主要包括網絡協調器、路由器和終端節點三部分。首先，網絡協調器開始初始化，負責ZigBee 無線網絡的建立、地址的分配和終端節點的加入、節點設備數據的更新與采集以及網絡狀態的自動更新。網絡連接建立成功后，路由節點加入網絡，處于監控狀態，主要負責接收信息或決定是否轉發信息。終端節點可以將自身路燈的狀態信息發送給路由器，再經路由器轉發給協調器，然后接收來自協調器的控制信號，按控制命令控制路燈的開或關。

4 系統的測試效果

將本系統運用于由不同數量路燈組成的無線燈控網絡中進行模擬演示，并記錄系統的工作情況，如表1所示。

該測試是將終端路燈串聯起來模擬實際的路燈進行測試，由測試結果可以看出：隨著路燈數量的增加，開燈、關燈的處理時間也在不斷上升，但大大節約了人力與時間，極大地提高了校園路燈控制的效率。同時，該系統通過無線通信的方式，可以方便靈活地控制路燈的開或關。

表1 系統測試效果

5 結論

針對傳統的人工控制路燈開關的方法不足，本文提出了一種基于ZigBee 網絡的校園無線路燈控制系統的設計方案。