基于Zigbee的路燈無線控制系統設計與分析

曾曉敏

（武漢船舶職業技術學院，湖北 武漢 430000）

0 引 言

傳統的路燈控制系統是通過電子線路實現相關指令的下達，令主系統對整個區域內的路燈實現協調性控制。但是，有線傳輸的形式對于系統資源消耗來講，將占據一定的空間資源，且現場施工受地理環境、城市規劃布局等影響因素較大，間接加大了成本耗用量。以Zigbee協議為基礎的路燈控制系統，可有效將路燈終端設備與網絡系統進行鏈接，通過相關網絡傳輸協議的設定，有效擺脫路燈有線操控的局限性。路燈在實現操控時只需要依據傳感器設備與協議之間的對接，便可進行遠程操控，一定程度上極大地節省了電力成本的消耗，且通過網絡建構信息高效傳輸環境，可提高路燈設備的實際運行質量。

1 Zigbee協議特性

Zigbee協議在短距離范圍內具有傳輸效率高、能源耗用率低、傳輸可靠性高的優勢，且可依據網絡本身的節點設定實現資源對接的有效拓展，以此實現對網絡內各項設備終端進行協調化操控。Zigbee作為當前無線通信的一類新型技術，在大數量的微型傳感器之間完成協議的交互傳輸，且可在區域內依托無線通信完成自動化和智能化控制[1]。此過程的實現只需要設備終端與系統之間存在網絡鏈接便可，無須經由復雜的線路布局，進而可有效提高整體的運行效率。

Zigbee通過無線網絡的支持，可進行小范圍內的設備無線連接，同時內部具有拓展性功能，可增強網絡范圍內各項設備節點的數量。通過無線網絡內各項節點的建設，內部呈現出網絡對接機制，可有效避免不同設備信息傳輸過程中造成的數據冗余問題，降低信號碰撞幾率的產生，令整體系統與設備更好地融合在一起。此外，Zigbee協議的響應時間較短，當接收到信息后，可通過傳輸數據資源達到能源節約的效用，對于路燈無線控制系統建設具有較高的使用價值。

2 基于Zigbee的路燈無線控制系統硬件設計與實現

2.1 無線芯片

無線芯片以網絡通信技術為實現載體，可作為有線接入的一類補充。隨著近年來無線通信技術的高速發展，無線芯片產品的制造體系逐漸趨于完善成熟。從Zigbee技術實現角度來看，要想最大限度地提高系統的應用能力，芯片本身必須具備一定的集成性能，將微型控制器與射頻控制器集中到一起，通過芯片簡化不同控制器之間的電路結構，并通過芯片的集成控制功能降低空間資源的消耗，以進一步提高實際應用質量。

本文無線芯片的選型以CC2530為主，與傳統的JN-5241、MC1435X、EM310芯片相比，具有更強大的系統開發功能。內部各項網絡節點的建設可與終端系統本身實現精準對接，且可對各類路由器、終端設備進行高效率控制。CC2530芯片基本上可滿足路燈無線控制系統的功能實現需求，同時可有效解決低成本、低消耗問題。CC2530芯片內部采用8位內核，且程序存儲器、內存空間等均可滿足系統控制需求。CC2530芯片的21個數據接口可完美支持路燈各類操控形式，如數字轉換功能、模擬功能、定時功能以及系統自檢功能等。從技術實現角度來看，CC2530芯片的通信功能可針對網絡結構內的通信進行同步、異步轉換，并通過協調設備將信息及時反饋到終端系統中，以保證上位機設備可及時下達相關指令，滿足系統調試需求。CC2530的8位內核處理系統可有效實現數據信息的定向采集，四模塊的存儲空間可將外部信息、內部信息以及各類代碼信息進行分類存儲，以保證數據信息的實時響應。在無線收發模塊中，通過射頻模塊的調制，可同步對傳輸信號進行序列排位，保證交頻信號、低頻信號等在傳輸中同步轉換為系統所能接受的運行基準[2]。

2.2 串口通信電路

圖1為串口通信原理圖，設計基準是以二進制串行接口實現的。為保證承接路燈無線控制系統的上位調節器可實現數據對接，應先將CC2530芯片的USART0串行接口轉變為異步信息接收形式，并將芯片的其他引腳與路燈控制器設備進行一一對接。

圖1 串口通信原理

2.3 信息采集電路

信息采集電路是路燈控制系統實現的基礎，通過采集傳感器路燈供電狀態，并將信息及時回傳到主操控系統，如光照強度、外部環境明亮度等[3]，通過調整光敏電阻參數值，以有效調節路燈光照強度。例如，在光照強度達到一定值時，內部電阻值比率相對較小，而如果外界光照強度較低時，系統將自動擴大調節電阻值，以此保證路燈的照射強度可與外界光照強度達成對等。本文中選用的光敏電阻元件特性VDC為150 V、功耗最大值100 mW、亮點阻值6～11 kΩ、暗點阻值0.6 MΩ、光譜峰值550 nm、靈敏度0.7 ms。通過光敏電阻與R21電阻組成的線路分壓結構，令電壓值同步傳輸到阻值比較器中，然后由各項接口的鏈接實現信息的結構化傳輸，同時保證與路燈相關的各項光照信息在系統內進行對接傳輸。

2.4 燈控電路

從區域內路燈工作形式來看，路燈信息的集成化控制與指令下達，是以繼電器為載體進行數據的定向傳輸。繼電器裝置作為一類電控組件，在實際應用過程中需在元件的信號輸入端設定相應的基準參數，以此作為信息額定值，然后在元件的另一個終端對接相應的電器設備，使得輸入端與輸出端形成一個閉合式信息交互系統。本文的繼電器裝置型號為SL-C，可支持250 V以內的交變電值。設備控制管腳共有5個，其中1管腳為常開點位，2管腳為常閉合點位，3管腳為動態整合的實現載體，4、5管腳作為線路連接點位。

2.5 Zigbee射頻模塊

Zigbee射頻模塊是在CC2530芯片上實現操作的。在建立基于無線控制的路燈系統時，考慮到系統本身對外界環境接收信號的功能，為最大限度保證地區內路燈開關形式可滿足照明需求，應針對射頻模塊在實際工作過程中存在的風險問題進行相關分析，避免射頻模塊在實際應用過程中出現失效問題。在設計相關天線設備時，由于天線是整個系統維系無線通信的一個重要載體，通過對電磁波進行輸入與輸出之間的轉變，以保證高射電頻的電流值與電壓值等數據可及時傳輸到天線系統，然后轉變為電磁波，向接收機傳遞相應的信號。為保證信號傳輸不會受到外界環境因素的影響，必須將射頻模塊進行接地處理，且每一類管線布局必須嚴格遵循系統的實現參數。在靠近芯片管腳位置處應設定相應的濾波裝置，保證線路在傳輸信息時可有效降低信號傳輸中耦合問題的產生幾率。

3 基于Zigbee的路燈無線控制系統的軟件設計與實現

3.1 軟件設計方案

道路路燈控制體系中的軟件系統起到信息協調的重要作用，設備端與控制端必須具備對接功能，保證信號指令的傳輸與下達可有獨立的承接系統。軟件系統中Zigbee協議的實現，可以看成是在網絡傳輸結構內搭建相應的傳輸節點，然后由傳輸節點映射出路燈設備。當系統下達相關指令時，可直接作用于各類信息節點上，進而實現對終端路燈設備的指令調控。本次設計采用的是ZS協議棧，且在網絡應用層內以電力系統的供應程序為基礎，建立與協議棧相對應的數據庫資源。這樣設計人員可通過對數據庫資源的讀取實現底層數據功能，在一定程度上簡化開發難度。

3.2 無線網絡設計

以Zigbee協議為基礎的串型網絡，需通過協調器、路由器、終端設備等作為承接載體[4]，對路燈設備的網絡控制系統建立相對接的控制體系。協調器的主要作用是對網絡通信協議棧進行起始優化處理，然后通過相關參數的逐一核對，建立較為精準的信息傳輸機制。在建立路燈無線控制網絡時，主要是從路燈控制網絡本身的拓展性和對接性入手，保證系統在實際操作過程中可更精準地執行某一類指令，真正實現網絡內節點信息采集與應用的對接性。不同線路的路燈在光照強度和空間環境具有一定的差異性，需通過多個協調器進行協同工作，才可有效實現系統的集成操控。協調器內的參數標識應為“0”，且依次為信息節點建立基于串行實現的標識序列，進而網絡節點內路燈設備可以添加到既定的無線網絡中。路由器則是針對設備節點正確界定出網絡分配地址，通過對數據結構信息進行相關處理，然后將信息同步傳輸到上位協調器中。當協調器做出相應的指令時，路由器將把相關信息反饋到路燈設備中，以此保證路燈設備運行過程中信息采集的雙向性，令系統可及時采集路燈設備的運行信息。路由器軟件設計原理如圖2所示。

設計控制網絡時，考慮到ZigBee協議在網絡中的傳輸機制，應針對網絡協議本身的屬性建立多信道網絡接入體系，保證每一個路燈設備中的信息雙向反饋可最大限度地發揮數據呈現價值，即不同地區內的路燈設備，在網絡集成環境下可將具有一定差異性的工作頻率進行同位轉換，以提高數據結構內信息吞吐能力，令系統可對路燈設備進行遠距離的精準操控。

圖2 路由器設計流程

4 結 論

綜上所述，通過ZigBee實現路燈控制系統，在數據信息的有效整合下，可最大限度地提高無線網絡內信息傳輸質量，可擺脫傳統路燈有線控制的約束，以達到空間優化布局的建設目標，進一步提高路燈遠程操控的精準性。