基于Zigbee 技術的路燈智能控制系統設計與實現

占華林，徐濤濤，陳如明，葉立穎，張開軒

（江西科技師范大學，江西 南昌 330013）

隨著國家推行智能城市建設計劃，市政設施的智能化管控也逐漸提上日程[1]。作為一種重要的市政服務設施，路燈的智能化管理與控制水平是智能城市建設的重要內容體現之一。然而傳統的路燈控制方法手段較為單一且信息化水平低，缺少故障自動上報等重要功能，在一定程度上造成了電力資源浪費、控制成本上升、路燈控制效率低等問題。針對這一問題，本文采用信息化管理手段（Zigbee 無線組網和片上系統），實現路燈按線路、按區域遠程集中控制與管理，緩解電力供應緊張、節省人力成本、提升路燈公共照明管理水平，減少因路燈照明故障而引起的交通事故，對促進社會治安管理和維護有重大意義。

1 路燈智能控制系統設計

1.1 系統框架設計

設置若干個智慧路燈節點、若干個路由節點、網關節點和監控中心組成的智慧路燈管理系統。路燈節點和路由節點利用物聯網專用片上系統和擴展外圍電路組成，實現路燈周圍環境的多種數據采集，如車流量、天氣亮暗、故障上報、行人因素、道路狀況等。網關節點采用片上系統CC2430 主芯片設計或者采用ARM 嵌入式系統設計，并將數據通過Zigbee 組網通信傳到監控中心的顯示終端上，路燈管理部門、交通管理部門等政府機構第一時間了解到路燈運行情況，根據道路實際狀況，自動控制路燈。若遇特殊情況，可以緊急制動。

1.2 組網傳輸設計

（1）街區內布控路燈節點：街道按需安裝智能路燈，采用Zigbee 技術組網，將采集到的數據（車流量）傳輸到網關節點（空間過大，可以加裝路由節點）。該組網方式自由靈活，采集數據按需定制。（2）街區內與監控中心數據傳輸：街區內與監控中心的數據傳輸采用窄帶物聯網（NB-IoT）、電力線載波通信技術、LTE（4G/5G）和WiFi 進行組網傳輸，實現路燈照明系統與監控中心實時數據傳輸。（3）人機交互的監控中心。設計監控中心的上位機軟件，達到實時了解街區路燈的運行狀態和環境參數等目的。

2 路燈智能控制系統硬件電路設計

2.1 中心節點硬件設計

中心節點由遵守Zigbee 協議射頻模塊CC2530（該芯片集成了射頻收發模塊、8051 核）、底板模塊和液晶顯示模塊等組成，其底板擴展了USB 接口用于燒錄程序，其主要功能是接收路由節點發送的數據或終端節點直接發送的數據并在液晶屏顯示溫濕度和光照強度。根據光照強度來實現遠程控制燈的開與關。

CC2530 無線單片機內部集成了兩大模塊：80C51 內核及無線收發RF 射頻，此芯片采用了QFPA 封裝，40Pin，GPIO 引腳21 個，可以當作I/O，ADC 或DAC、定時計時器和通用同步/異步串行接收/發送器，能夠利用IAR 軟件對特殊寄存器的位或字節進行設置或讀取。

2.2 路由節點和終端節點硬件設計

路由節點和終端節點在硬件設計上較為相似，只是在軟件模塊部分存在差異。終端節點只負責采集路燈周圍的環境數據，其由傳感器模塊、Zigbee 協議射頻模塊CC2530 等結構組成。而在路由節點設計中，根據設計要求，主要設置了溫濕度傳感器SHT10 模塊、光傳感器模塊，使用其來完成對溫度、濕度和光照等信息的準確采集。

其中，溫濕度傳感器SHT10 是一款具有校正功能、可實現信息數字化輸出且能耗較低的數字化傳感器，內含有工業級CMOS 管和兩個子模塊（其一為電容式聚合體測溫模塊，其二為能隙式測溫模塊），有效地保證了溫濕度傳感器工作過程的穩定性和可靠性。此外，濕度傳感器SHT10 中還設計了多達8 個獨立通道和14 位模數的多路轉換器，有效保證了溫度數據轉換的精度。

具體設計如下：光照傳感器通過CC2530 的P0.4 引腳讀取模擬量，經過片內ADC 模塊將模擬量轉化為數字量，數字轉換結果以2 的補碼形式表示。

3 路燈智能控制系統軟件程序設計

3.1 Zigbee 協議介紹與應用

3.1.1 Zigbee 協議基本介紹

無線自組網Zigbee 通信協議是一種距離短、速率低、帶寬窄、能耗低的通信協議，特點是近距離、自組織、抗破壞、低能耗、低成本、速率低，適合于工廠自動化生產和遠程控制，可以移植到各種嵌入式平臺里。Zigbee 通信協議由ZigBee Alliance（Zigbee 聯盟）定義，先后發布了多個版本，但ZigBee 通信協議的最底層部分（物理層和數據鏈路層）是基于IEEE 802.15.4 改寫的，路由ROU層和網絡NWK 層是由Zigbee 聯盟定義。借助Zigbee 協議可以組成大規模的控制網絡，如本文的城市路燈智能控制系統，所以在本文應用中設計了三種類型網絡設備：負責中心工作的協調器節點Coordinator、負責轉發的路由器節點Router 和負責采集數據的終端設備節點End－Device。

在ZigBee 通信協議的基礎上組建的無線控制網絡中，有且僅有一個協調器節點（也可稱其為中心節點），但可以存在多個路由節點Router 和多個終端節點EndDevice，同時，不同類型節點承擔不同的功能。協調器節點主要用于負責控制整個網絡的啟動、運行、硬件初始化和管理路由節點加入（為路由節點分配網絡ID 號）等程序，但不允許終端設備節點加入直接加入到中心節點（協調器節點）；路由器節點Router 起橋梁紐帶作用，主要功能是管理終端設備節點，允許終端設備節點加入（即為終端節點分配ID 號）和數據中轉，同時路由節點按實際情況也可以采集環境數據；終端設備節點的主要功能為采集路燈環境周圍的數據和執行上位機傳來的命令。

3.1.2 TI Zigbee 協議棧ZStack

協議是由協議棧軟件來實現的，國內外不少公司提供屬于自己平臺的Zigbee 協議棧，但本文里選用了美國德州儀器公司的協議棧ZStack 2007/PRO（在CC2530 上實現），本協議大體上遵守OSI 軟件規范。具體來講：按功能的不同分成了14 個目錄文件，每個目錄或文件具體作用如下：（1）App：應用層。按用戶的需要進行設計。（2）HAL：硬件抽象層。這一層分為兩個子目錄，一個子目錄是與硬件處理器無關的，命名為Common，該目錄包含有與硬件相關的配置hal_assert.c 和驅動hal_drivers.c 及操作函數。另一個子目錄是與硬件處理器相關的，包含頭文件目錄Include 和功能實現相關的Target 目錄。（3）MAC：數據鏈路層。該層的主要功能是物理通信信道避讓功能，包含高層MAC、低層MAC 和頭文件Include 目錄，實現網絡層NWK 和物理層PHY 連接功能。另外需要提醒的，數據鏈路層的代碼是不公開的，但我們可以以庫的形式使用。（4）MT：監制調試層。該層的主要功能用于調試，即通過串口打印功能調試各層之間的交互。（5）NWK：網絡層。用于配置網絡層參數和為APP 層提供函數接口以供調用。（6）OSAL：操作系統抽象協議層，實現任務調度和管理。（7）Security：安全層。數據加密，保證數據的安全性。（8）Services：ZigBee 設備地址處理函數目錄，為網絡中的路由節點和終端節點分配ID 號。（9）Tools：工具配置目錄，Zigbee 協議棧相關信息配置。（10）ZDO：一種集成公共功能的集合，按用戶需求調用應用支持子層的服務和網絡層的服務。（11）ZMAC：Zigbee 協議棧數據鏈路導出層接口文件，方便數據鏈路層的配置。（12）Zmain：整個工程的子函數調用都集中在入口函main（）里，方便應用層功能實現。

3.2 IAR 開發環境介紹

IAR 是一家專注于嵌入式開發環境的設計、開發公司，公司創建于1983 年，業務范圍涵蓋嵌入式的各個領域，包括嵌入式系統設計、開發環境搭建、系統測試等。IAR 公司典型產品代表是IAR Embedded Workbench，集成了編輯、編譯、下載、燒錄等功能，支持C、C++等多種語言，廣泛應用于環境監控、自動化控制、航空領域和消費領域電子產品等。

IAR EW 開發環境支持多種廠商嵌入式處理器的應用程序開發，內部集成了多種功能，具有靈活性強、開發快捷、簡單高效等特點。另外，IAR EW 開發環境具有工程管理功能，適應大型工程，按功能進行子文件夾管理，極大地方便了不同功能模塊之間的查找，不同種編程語言都有加亮顯示功能。在IAR 開發環境中，子工程模塊可以拼接成大工程模塊，但在管理和使用上具有相對獨立性，可以分級分層進行描述，還可以使用go to definition 功能查閱底層代碼。

IAR Embedded Workbench 進行項目開發的主要過程如下：（1）首先針對不同的硬件平臺，配置IAR 開發環境，如CPU 選型、設置堆棧大小。（2）編輯源文件。（3）連接目標文件，包含調試選項。（4）對程序進行調試直到沒有錯誤。（5）調試通過后，重新連接。（6）生成程序代碼，下載。

3.3 軟件程序設計

3.3.1 溫濕度讀取函數

溫濕度讀取函數的功能是讀取路燈所處環境的溫濕度數據，并將采集的數據快速轉發至無線組網的路由節點。其內容設置情況如下：

3.3.2 光照度讀取函數

光照度讀取函數的功能是讀取光照數據并傳送給路由節點。其內容設置情況如下：

4 控制系統的實現

在路燈智能控制系統硬件設計的基礎上，手工焊接LED 燈電路板（用來模擬路燈），檢測線路之間、芯片引腳之間是否出現斷路和短路。使用工具測試芯片基本功能是否正常。系統加電后，使用萬用表檢測VCC 電壓、示波器檢測信號輸出。硬件排除后，加載軟件后進行軟硬件聯調，發現語氣錯誤，驗證功能。采用LED 燈模擬路燈實物，當光照情況下，路燈便滅，當在暗的環境下，路燈便亮。

在系統調試時，檢測出兩個問題：（1）LED 驅動問題：采用IO 引腳無法直接控制燈的亮與滅，必須讓CC2530的IO 引腳作為控制信號來控制開關三極管或繼電器。（2）GPIO 沖突問題：在GPIO 初始化時，先查看嵌入式CPU 的GPIO 管腳數，然后按功能進行統一分配，絕對不能出現管腳重復使用的情況，否則程序達不到預期功能。

5 結束語

本文結合新興的無線傳輸技術、片上系統，成功開發了一套具有高度感知能力的集多種功能為一體的智慧路燈控制系統，從而實現依據光照亮度遠程控制路燈亮與滅。在下一步的工作中，可依據現場需要，遠程實現更多功能，如遠程單燈控制、定時照明、定數照明、智能調光、主動報警、設備ID 信息查詢與統計、系統管理、系統參數設置，從而為路燈管理部門提供技術參考，從而有效提高路燈使用效率，提高智慧城市的建設水平。