基于ZigBee的道路照明智能聯控系統設計

摘 要：道路照明逐漸向著智能化方向發展，現有的道路照明系統普遍采用附加傳感器的方式，實現了人來燈亮、人走燈滅的控制效果，大大節約了電能，但是這種方式往往僅點亮行人經過的照明設備，照明的舒適度不夠。本文采用ZigBee技術將照明系統當中的所有設備接入網絡，并在邏輯上將部署的相鄰兩個節點進行連接，以此來構建和道路結構一致的網絡節點邏輯結構。當行人經過照明系統中某一設備時，設備將事件依據網絡邏輯結構進行擴散，以此來聯合控制行人前向、后向以及路口所有方向的若干個照明設備，提升了照明的舒適度和適應性。本文圍繞CC2530芯片進行系統的硬件設計，對協調器、路由器和終端節點進行軟件編程并驗證照明效果。實驗證明，該方法能夠實現復雜道路結構中照明設備的聯控功能。

關鍵詞：ZigBee；道路照明；聯控；節點編號；道路結構；CC2530

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）02-00-03

0 引 言

道路照明作為照明的重要應用領域，在為人們的生產生活提供極大便利的同時，也伴隨著極大的能源消耗[1-2]。隨著城市化進程的加快，政府和相關機構在道路照明領域的投入、維護成本也顯著增加。得益于信息技術、物聯網技術的發展，道路照明逐漸向著節能化、智能化方向發展。諸如將照明系統中所有照明設備通過有線或者無線的方式接入控制系統，實現集中控制、遠程控制，或者采用一定的控制策略接入相關傳感器，對照明設備的亮度和工作數量進行控制，以達到智能照明的目的[3-4]。但目前的道路照明系統還存在智能化程度不高、照明不夠精準、難以適應復雜道路結構等問題[5]。為此，采用ZigBee通信技術，將所有照明設備納入同一網絡，并構建與道路結構一致的照明節點網絡邏輯拓撲結構，利用ZigBee技術進行事件的精準擴散和照明控制，提升道路照明的可控度、精準度和舒適度。

1 系統組成與功能

1.1 系統組成

系統由照明終端節點、協調器節點和照明管理中心組成。每個照明終端節點附著一個ZigBee模塊，模塊運行在終端節點模式或者路由器節點模式，所有照明終端節點和協調器節點組成一個ZigBee樹狀網絡。本系統中，協調器節點不僅僅負責建立ZigBee網絡及網絡管理，還具有物聯網網關功能，可以將數據在ZigBee和NB-IoT兩種通信協議間轉換。協調器通過NB-IoT接入移動通信網絡和固定IP的服務器通信，通過智能手機和PC等智能終端可以對服務器進行訪問[6]。由此實現了智能終端設備對照明設備的狀態監測、設備維護和遠程控制等功能。系統組成如圖1所示。

1.2 系統功能

對網絡中所有節點進行唯一編號，從部署的第一個節點出發，沿著部署路徑設定每個節點的上一個節點為其父節點并在邏輯上連接，這種方式可以構建任意樹狀的邏輯結構以映射復雜的道路結構。ZigBee網絡中每個照明終端節點上電后通過讀取撥碼開關獲取當前節點編號（ID），每個節點還可以通過協調器廣播信息獲取自身的父節點編號（PID）并存儲在非易失性存儲器NV條目中[5]。

協調器上電后組建ZigBee網絡，所有路由器節點或終端節點上電后自動加入協調器建立的ZigBee網絡，每個節點讀取節點編號并從特定的NV條目中讀取父節點編號信息，并和節點的網絡地址一起打包通過協調器在網絡中廣播，每個節點收到此數據包后從中提取自身鄰居節點的信息，以此來建立和道路結構一致的照明節點網絡邏輯結構。當網絡中的某個照明終端節點通過人體紅外傳感器感知到有人經過時，結合光照傳感器的檢測結果判斷是否開啟照明，若需要開啟，則通過PWM調光模塊控制LED燈以合適的亮度提供照明。節點還將此事件依據建立的邏輯拓撲結構向所有相關路徑上的若干個鄰居節點擴散，鄰居節點接收到此信息后，同樣依據自身的光照傳感器檢測結果判斷是否開啟照明以及開啟亮度，事件沿著相關路徑在節點間傳播設定跳數后，停止在網絡中擴散，如圖2所示。當某個照明設備感知到有人經過時，系統可以點亮相關路徑上的指定照明設備，提高照明的人性化和舒適性，并節約電能。

2 節點硬件設計

系統中每個節點的硬件部分由ZigBee模塊、撥碼開關、傳感器、LED燈及PWM控制電路組成，其中協調器還連接NB-IoT模塊，用以和外部網絡通信，方便ZigBee網絡向外部發送狀態信息或者依據外部的控制指令對設備進行控制。節點硬件結構如圖3所示。ZigBee模塊采用TI公司出品的CC2530單片機，CC2530單片機是TI公司針對ZigBee應用設計的一款微控制器，能夠運行TI公司開發的Z-Stack協議棧，方便快速組建ZigBee網絡[7-10]。利用紅外傳感器用以探測路過的行人，光敏傳感器用來探測外部光照強度，CC2530能夠依據環境光照強度值控制PWM調光模塊的輸出電壓，從而控制LED燈的光照強度，撥碼開關用以設置當前節點編號。

3 節點軟件設計

3.1 協調器節點軟件設計

協調器主要負責建立ZigBee網絡，其網絡地址固定為0x00，協調器在系統中還充當著網絡管理、節點管理的角色。Z-Stack協議棧采用任務輪詢方法對產生的事件進行處理，用戶可以建立自己的任務并加入到協議棧的任務列表中，協議棧循環對每個任務進行輪詢，判斷其是否有事件產生，如果有則對事件進行處理，將任務中所有的事件處理完返回后，繼續執行其他任務的輪詢操作。本系統中，在協調器中新建了無線接收任務、網絡維護任務、NB-IoT發送任務、NB-IoT接收任務。無線接收任務主要處理新節點的加入事件，并更新照明節點邏輯結構，將新的鄰居節點信息精準送達至受影響的節點，讓其更新鄰居節點信息。網絡維護任務定期對網絡中的節點狀態進行監測，當發現節點長時間未主動發送其狀態信息時，認為節點失效并將此事件通知NB-IoT發送任務，NB-IoT發送任務收到此事件后將失效節點信息通過NB-IoT發送并告知用戶。NB-IoT接收任務，處理用戶發送給ZigBee網絡的命令信息，并依據命令發送對應的信息或命令給對應的網絡節點。協調器軟件流程如圖4所示。

3.2 終端節點軟件設計

終端節點依據網絡結構需要可以運行在路由器或者終端模式下，其應用層程序相同。上電后，首先讀取撥碼開關設置的節點編號，完成相關初始化后對相關任務進行輪詢。終端節點負責定時發送心跳消息、無線數據處理和定時感知三個用戶任務。無線數據處理任務負責接收ZigBee網絡中其他節點發送的無線消息，本任務共處理設置父節點編號、鄰居節點更新、遠程開關、網絡測試和感知事件5種消息類型，其中節點接收到設置父節點編號、鄰居節點更新和遠程開關類型消息后，按照對應的消息類型完成相關操作；當接收到網絡測試和感知事件消息后，節點進行簡單處理后將事件通知到定時感知任務進行處理。定時感知任務主要負責定時采集人體傳感器的值，當節點感知到人體時，代表有人從節點旁經過，節點結合當前環境光照情況用PWM調光技術控制照明設備以指定亮度打開，同時將事件附加設定的跳數值后向所有鄰居節點進行擴散，鄰居節點收到感知事件后，將跳數值減1后繼續向其自身的鄰居節點擴散，以此來實現點亮行人周圍所有路徑固定個數照明設備的功能。終端節點軟件流程如圖5所示。

4 系統驗證

在實驗室部署9個照明設備，設備編號分別從1到9，并調整人體紅外傳感器到合適的感應范圍。在道路結構上模擬從照明設備4處分出兩條支路，照明設備5和照明設備7都以照明設備4為父節點，以此來映射道路結構，如圖6所示。設定跳數值為2，行人從照明設備1出發，沿支路2行進，測試系統的功能。

圖7展示了行人行經照明設備2時，此時行人處于直線道路中，其前向照明設備3和照明設備4分別點亮。

圖8展示了行人行經照明設備4時，此時行人處于交叉路口，支路1的前向2個照明設備5、6和支路2的前向2個

照明設備7、8分別點亮。

5 結 語

本文設計了一種基于ZigBee的智能聯控照明系統，從系統的功能、節點硬件設計、節點軟件設計和系統驗證等方面進行了介紹。系統實現了精準點亮行人周圍若干個照明設備的功能，不僅適用于直線道路，還可適用于常見交叉道路，提升了照明的精準度和舒適度。但是本系統在行人較多的情況下，會頻繁產生事件并在網絡中轉發，消耗網絡資源，后續需要進一步優化。

參考文獻

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