基于ZigBee技術的某工廠智能路燈改造研究

邢焱哲，肖文歡，馮 桂，吳家奎

（中海福陸重工有限公司，廣東 珠海 519000）

1 系統方案設計

1.1 工廠路燈系統現狀

該工廠現場地中已投入使用的122盞路燈均為150 W LED路燈。路燈控制中心位于二號門保安室內，共有四段線路，分別對應現場四個線路區域的路燈，并通過分合閘的方式開啟或關閉路燈。該工廠目前使用的LED路燈控制方式為：手動、自動切換控制，在自動模式下，路燈會根據預設時間點自動點亮和關閉路燈；手動模式下，則需要人為地開合閘來點亮和關閉路燈。該工廠在工程趕進度期間，夜間廠區內常有作業車輛行駛和工人行走，需要路燈提供正常照明。而在正常作業期間，夜間廠區行駛車輛較少，這時若仍用額定功率進行照明便會造成電能浪費[1-5]。由此可知，目前路燈系統主要有如下特點：控制方式老舊、節能效果差、無故障監測。

1.2 智能路燈方案設計

已知該工廠路燈基建已完成，故在建造路燈時引入有線通信控制的方式已無法實現，無線通信控制成為必然選擇。ZigBee無線通信有成本低、無需布線、功耗低的優勢，十分適合用于無線通信控制。

基于ZigBee無線通信技術設計出如圖1所示的由路燈管理中心、網絡協調器、路由節點和路燈控制終端組成的智能路燈系統。

路燈管理中心下達指令，由RS485總線經網絡協調器通過ZigBee無線網絡將指令傳遞給路由節點，路由節點再將指令傳達給子網內的路燈控制終端。反過來，系統中各節點搜集各個路燈電壓、電流、行人及作業車輛、外界光照度等信息，通過ZigBee無線網絡經路由節點和網絡協調器，最終反饋到管理中心并進行分析。整個系統最終實現自動識別日照條件并作出開關燈的動作；檢測各路燈回路、各路燈電壓電流情況，實時反饋故障情況；沒有夜間作業時，自動調低亮度實現節約電能；有車輛夜間作業時，自動識別作業車輛，退出節能模式進行正常照明。

2 系統硬件設計

出于減少改造的難度和降低硬件成本考慮，數量最多的路燈控制終端硬件應盡量簡化，功能上集成開關燈的執行器、車輛傳感器以及通信模塊即可。這也決定了路燈控制終端將使用簡化功能節點RFD（Reduced Function Device）。RFD節點僅可以與FFD進行通信。

圖1 智能路燈系統結構

路由節點與路燈控制終端基本功能一樣，亦能對路燈進行控制和監測車輛。不同的是，路由作為全功能節點FFD（Full Function Device），可以與其他FFD節點即其他路由和網絡協調器進行通信。也就是說路由節點既是執行機構亦是連接路燈控制終端和網絡協調器的信使。

網絡協調器硬件除了基本的通信模塊用于建立和維護Zigbee無線通信網絡，為了可以監測外界光照度提供光照值給路燈控制中心判斷是否需要開燈，還應集成光照傳感器及其通信模塊。下面對部分設備硬件組成模塊進行介紹。

2.1 無線通信模塊

作為除上位機之外各設備的基本硬件模塊，無線通信模塊采用CC2530模塊，由美國德州儀器公司（TI）生產的真正CMOS系統芯片具有很好的穩定性。CC2530芯片是低成本、低功耗的2.4 GHz波頻ZigBee應用代表。使用極低成本就可以搭建強大且穩定的通信網絡。

2.2 LED調光電路

LED路燈需要可以起到恒定電流、穩定電壓作用的LED驅動器作為開關電源，以驅動LED路燈燈珠。PT2407驅動芯片是非常合適的調光電路芯片，其良好的散熱性能亦非常適合路燈燈柱封閉的環境中。PT2407通過控制流過LED路燈的有效電流時間可以實現對LED路燈亮度的控制。

2.3 光照度檢測模塊

光照度傳感器其原理即為光敏原件，將光照強度轉換為電信號供芯片處理。市場上封裝成型的光照度傳感器便可滿足需求。考慮工廠廠區內的光照度差異不大，可只在網絡協調器節點的硬件中集成光照度傳感器，實現對區域光照度監測的同時節約了硬件成本。

2.4 電壓電流測量電路

路燈狀態監測通過由電壓互感器、電流互感器等元件構成的電壓電流測量電路實現。220 V電壓市網電壓通過微型電壓互感器PT107以及微型電流互感器KCT103得到的二次側電壓、電流數值偏小，經過電壓抬升電路即可滿足CC2530芯片AD轉換要求。

2.5 雷達檢測電路設計

為了增加系統的穩定性和可靠性，可使用標準10.525 GHz的HB100微波模塊。非工程建設高峰期時，夜里廠區內的行人和車輛較少，路燈亮度調節至50%。而工程建設高峰期內，即使在夜里，廠區內依然有行人和作業車輛，通過微波多普勒雷達探測行人和作業車輛信息，將行人和作業車輛所在的區域及臨近區域路燈亮度調整為100%，并在行人和車輛遠離后將亮度恢復成50%。

3 系統軟件設計

3.1 網絡協調器軟件設計

首先對網絡協調器的CC2530芯片進行初始化，建立一個新的ZigBee無線網絡，然后進入無線監聽狀態接收其他設備數據，若有新節點申請加入網絡則為其分配網絡地址。若沒有節點申請加入，則判斷是否有來自路燈控制中心上位機或者下級路由節點的數據需要傳輸，并將相應數據傳遞給對應節點。因為網絡協調器集成了光照度傳感器模塊，所以應定時將采集到的光照度信息通過RS485總線上傳給路燈管理中心的上位機，供上位機判斷是否需要開燈。

3.2 路由節點軟件設計

首先對路由節點CC2530芯片進行初始化，搜索加入現有的ZigBee無線網絡，成功加入后，接收上下級節點數據并傳遞給對應節點。路由節點聯系著路燈控制終端和路燈管理中心，路由節點作為數據信息的中繼點存在，在整個系統中起著重要作用。路由節點接收網絡協調器傳來的指令，通過路由節點靈活組網的特點將指令快捷高效地轉發到路燈控制終端，為后者能高效、及時執行路燈管理中心的指令奠定基礎。路由節點與路燈控制終端在硬件上并沒有區別，只是在軟件配置時分配了相應的功能，所以路由節點在充當路由的同時也可以起到路燈控制的功能[6]。

3.3 路燈控制終端軟件設計

作為系統的執行器，路燈控制終端接收來自路由節點轉發的指令，完成指令要求的操作，如開關路燈操作以及亮度調節。作為系統的傳感器，路燈控制終端將采集到的路燈電流、電壓、作業車輛信息通過ZigBee無線網絡向上反饋。

路燈控制終端程序流程如下：首先對CC2530芯片進行初始化，搜索加入現有的ZigBee無線網絡；成功加入后，掃描是否上級節點傳來的數據，若有數據則按照數據中的指令進行開關燈操作；如果沒有上級指令，則根據是否有車輛、行人向上反饋或定期向上反饋路燈狀態信息。

3.4 路燈管理中心軟件設計

路燈管理中心主要通過電腦上位機軟件監控整個路燈控制系統，通過監控軟件主界面可以實時查看系統中路燈運行狀態，根據實時的路燈報警對路燈進行及時維護，有效保障廠區路燈照明安全。路燈管理中心上位機使用SQL Server數據庫實現對路燈控制終端采集到的數據的存儲，方便管理員獲取路燈歷史狀態。

圖2為路燈管理中心程序流程圖，在硬件初始化完畢之后，首先根據來自網絡協調器的外界光照度信息顯示各路燈狀態并判斷當前光照度是否低于開啟路燈預設光照值，如果判斷為真，則下達路燈開燈并處于50%亮度命令。否則發送關燈命令。當路燈處于50%亮度狀態下，根據路燈控制終端探測到的車輛行人信息，發送該區域及臨近區域路燈100%亮度指令。

圖2 路燈管理中心程序流程圖

3 結 論

本文根據場地道路照明的結構和特點，提出了當前系統內存在的一些問題，并根據LED照明特性及其驅動方式，在ZigBee無線通信技術基礎上，提出一套系統的改進方案。本方案可實現靈活控制路燈開啟關閉、照度智能化調節、電參數測量、行人車輛智能監控等功能，利用上位機對數據進行分析、做出判斷、發送指令，并創建SQL數據庫進行數據存儲。方案軟硬件理論基礎扎實，具有良好工程可行性。