基于ZigBee 通信技術的單燈控制器設計

2021-03-11 08:08:14俞青松陳友忠

智能物聯技術 2021年2期

俞青松，陳晨，陳友忠

（浙江意博高科技術有限公司，浙江杭州 311100）

0 引言

隨著我國城鎮化建設的推進，路燈作為城市公共照明的一部分，已成為人們生活中不可缺少的一部分。但路燈每年消耗的電能也是巨大的，因而對路燈進行高效管理，實現按需照明具有重要的意義。路燈控制管理系統使路燈能夠被遠程監測控制，提高了路燈應對突發天氣的靈活性、故障上報的及時性以及節能控制方式的多樣性。路燈控制管理系統一般由監控軟件平臺、遠程通信網絡、集中控制器、本地通信網絡和單燈控制器組成。單燈控制器作為路燈的直接控制設備，其工作的可靠性和有效性會影響整個控制系統。本文設計了一種基于ZigBee 通信技術的單燈控制器，通過采用多種機制，在實現其功能完整性和有效性的前提下，保證了其工作的可靠性。

1 基于ZigBee 通信技術的單燈控制器應用方案

目前市面上單燈控制器，采用的通信方式有ZigBee，PLC，RS485，NB-IoT，LoRa 等。 ZigBee 采用免許可證頻段2.4GHz （全球）、915MHz （美國）和868MHz（歐洲），數據傳輸率可達250kb/s，節點間通信距離100m，加AP 后可以達到1000m，支持大量網上節點，支持星狀、片狀和網狀等多種網絡拓撲，具有低復雜度、快速、可靠、安全的特點。

表1 列舉了常見單燈控制器的通信方式及優缺點。采用ZigBee 通信的單燈控制器在安裝便捷性、維護成本、網絡可靠性、通信實時性、通信距離（擴展后）上具備優勢。本設計通過采用ZigBee 通信、高精度計量芯片、多重故障判斷方式、數據包重發機制等方式進行設計優化，在提高設備可靠性同時，提高了網絡的安全性和可維護性，同時降低了網絡設備的故障誤報率。

表1 單燈控制器各通信方式對比Table 1 Comparison of communication methods of single lamp controller

如圖1 所示為路燈控制管理系統框圖。控制節點也即單燈控制器，安裝在燈桿或燈頭上，直接對路燈進行控制，并采集路燈狀態信息，通過ZigBee通信技術與集中控制器進行數據交互。集中控制器通過4G 網絡和遠程服務器進行數據通信，接收遠程服務器控制命令，通過單燈控制器對路燈進行開關、調光等控制，并上報單燈控制器采集的路燈狀態信息。在遠程服務器端以可視化界面展示整個控制系統的工作狀況，以便工作人員及時了解路燈的工作情況，做出精確判斷。

圖1 路燈控制管理系統框圖Figure 1 Block diagram of street lamp control and management system

2 硬件設計

2.1 硬件原理框圖

單燈控制器硬件框圖如圖2 所示，包含ZigBee控制模塊、開關模塊、計量模塊、調光模塊、電源、RTC （Real Time Clock）、EEPROM （Electrically Erasable Programmable read only memory）、Watchdog 等部分。

圖2 單燈控制器硬件框圖Figure 2 Hardware block diagram of single lamp controller

2.2 硬件功能模塊設計

硬件功能模塊主要包括ZigBee 控制模塊、開關模塊、計量模塊、調光模塊以及RTC。

ZigBee 控制模塊。 ZigBee 控制模塊電路如圖3所示，采用TI 的CC2530 作為主控芯片，外加RFX2401C 作為功放芯片，通過外接天線阻抗匹配，使ZigBee 模塊的有效傳輸距離不低于300m。

圖3 ZigBee 模塊電路Figure 3 ZigBee module circuit

ZigBee 控制模塊作為主控模塊，采用TI 的ZStack 協議棧，是整個控制器的控制中心。整個ZStack 采用分層的軟件結構，包括硬件抽象層、操作系統抽象層等。硬件抽象層提供各種硬件模塊的驅動，包括定時器Timer、通用I/O 口GPIO、通用異步收發傳輸器UART、模數轉換ADC 的應用程序接口API，提供各種服務的擴展集。操作系統抽象層實現了一個易用的操作系統平臺，通過時間片輪轉函數實現任務調度，提供多任務處理機制。通過調用操作系統抽象層提供的相關API 進行多任務編程，將應用程序作為一個獨立的任務來實現。ZigBee 控制模塊在Z-Stack 的基礎上實現控制任務、接收控制命令和完成控制任務。其通過串口與計量模塊進行數據通信，配置計量模塊參數，讀取保存計量數據，并檢測計量模塊的工作狀態;通過I2C 接口與EEPROM 和RTC 進行通信，實現數據的存儲讀取和實時時鐘的讀取與配置；通過給調光模塊提供PWM（Pulse Width Modulation）信號，實現調光0~10V 控制。

開關模塊。采用超小型大功率繼電器，實現對負載供電的控制，同時通過提供負載供電電壓信號和電流信號給計量模塊。

計量模塊。計量模塊電路如圖4 所示，采用電能計量專用芯片RN8209，通過實時采集電壓信號和電流信號，實現檢測出負載電壓、電流、功率、功率因數及能耗的值；底層控制軟件會對檢測數據進行分析、判斷，獲取燈的狀態。數據精度優于1%，符合大部分場景應用。

圖4 計量模塊電路Figure 4 Metering module circuit

調光模塊。通過CJ431 電壓基準芯片及阻容濾波，把ZigBee 模塊輸出的PWM 信號轉換為0~10V電平信號，同時采用射極跟隨器進行阻抗調整，減小負載對電路輸出的影響。

RTC 采用PCF8563，配合超級電容，實現掉電維持時鐘的功能。

2.3 硬件可靠性設計

在整機硬件可靠性設計方面，進行了以下設計：在AC 輸出加阻容吸收電路，減少感性負載對單燈控制器的影響；在調光輸出加ESD（Electro-Static Discharge）芯片，進行ESD 保護；外置硬件看門狗，防止干擾引起死機；選用工業級芯片；在電路設計時考慮器件降額設計；選用電壓范圍比ZigBee模塊更大的EEPROM 芯片，防止掉電時對EEPROM 數據的破壞。

3 軟件設計

3.1 軟件程序流程

單燈控制器程序流程如圖5 所示。上電后，首先進行相應的初始化操作，接著開啟60s 定時器和3s 定時器，然后進入任務循環處理。程序每隔60s進行失聯計數加1 操作，一旦未收到命令超過5min，單燈控制器進入自動運行模式，比對RTC 時鐘和記錄的開關燈與調光時間是否一致。若一致則執行相應的動作，保證單燈控制器在ZigBee 網絡異常時也能按照事先設置的策略運行。同時，程序每隔3s 讀取一次負載的電參數，并和記錄的報警閾值比較，若超過閾值，則進行報警處理。處理命令流程對接收的命令進行處理，包括開關、調光、數據上報、策略設置、參數設置等操作。

圖5 單燈控制器程序流程圖Figure 5 Program flow chart of single lamp controller

3.2 軟件功能模塊設計

3.2.1 ZigBee 組網

ZigBee 組網流程如圖6 所示。一個區域的燈控有許多個ZigBee 網絡組成，為了區分不同的控制網絡，不同的網絡需要選擇不同PANID 和信道。在選擇的信道上發送信標請求，掃描該信道上的網絡信息，若接收到符合要求的信標，則發送連接請求，等待對方應答，再進行數據請求獲取網絡地址。在獲取網絡地址后，廣播本身的地址信息，讓處在網絡上的節點知道有新的節點加入。