基于ZigBee的智能小区LED路灯控制系统设计

        随着我国城市化建设的深入，大中型城市中智能化管理的高档小区、花园别墅、综合设施等( 以下统称“智能小区”) 需要有与其配套的高效环保的智能化照明控制系统，要求在对照明设备信息的获取和控制方式上做到远程化、智能化、个性化。现代智能小区的照明设计已不仅是小区道路和庭院的照明设计，往往还包括一些景观照明设计。小区主干道照明、支路照明、绿化景观照明可分别采用单独回路供电，这样可以根据不同需要，对各处的照明实行单独控制，节约电能。

　　　1 ZigBee 协议应用于智能小区照明的优势

　　ZigBee 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入到各种设备中，同时支持地理定位功能。ZigBee 技术的较低数据速率以及较小通信范围的特点决定其适合于承载数据流量较小的业务。

　　IEEE802. 15. 4 协议定义了两个物理层标准，分别是2. 4GHz 物理层和868 /915MHz 物理层。2. 4GHz 波段为全球统一无需申请的ISM 频段，有助于ZigBee 设备的推广和生产成本的降低;为了避免干扰，除了2. 4GISM 频段外，欧洲还采用868MHz 频段，美国采用915MHz 频段作为ZigBee 的工作频段。这些频段都比较近，对信号合成器的程序稍微改动，就可以使用相似的硬件，从而降低生产成本。

　　由于这两个频段上无线信号传播损耗较小，可以降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备覆盖较大的区域。ZigBee 网络含3 种类型的节点，即协调器、路由器和终端设备，支持星状、树状和网状3 种网络拓扑结构。

　　从ZigBee 协议特点可以看出，将ZigBee 无线传感网络用于智能小区路灯控制系统具有以下特点：短距离、小范围传输，具有成本优势;频率范围在小区内具有较强的抗干扰性，可以利用小区的地域特点选择合适的网络拓扑结构，并且组网简单可靠;经过合理布局，在一个小区内能做到无任何通讯盲区，利用其地理定位的功能，便于对LED 路灯在小区分布区域进行管理。

　　2系统设计方案

　　如图1 所示，整个系统由小区路灯监控与管理系统、无线传感网络、LED 路灯支路控制器、LED 路灯及驱动电路、ZigBee 终端支路控制节点和ZigBee 终端环境参数检测节点组成。整个系统设计成依据小区环境参数( 如亮度、温度、湿度) 自动运行，无需人工干预，并能及时检测社区各路灯的工作状态，及时跟踪维护。智能小区信息管理中心( PC 监控台) 负责监视整个社区路灯的运行情况，并能根据控制台命令人工控制各路灯的开关、亮度，其用RS232 串口与ZigBee 网络通讯;无线传感网络负责传送监控台的命令并搜集ZigBee 终端节点的状态信息;终端节点负责LED 路灯的控制与驱动;ZigBee 终端支路电压电流检测电路用于检测整个支路的电压电流状态;ZigBee 终端环境参数检测电路用于检测整个小区的环境参数，包括光线强度、温度、湿度，以之作为ZigBee 终端控制的依据。

　　
图1 系统组成方框图

　    2.1 ZigBee 组网设计

　　2. 1. 1 ZigBee 网络开发工具的选择

　　ZigBee 无线传感网络使用成都无线龙C51RF -3系统。其处理器采用TI 公司的CC2430，单个芯片上整合了ZigBee 射频( RF) 电路和微控制器，它使用1个8 位MCU(8051) ，具有128kB 可编程闪存和8kB的RAM，还包含模拟- 数字转换器( ADC)、定时器( Timer) 和AES128 协同处理器[4]。C51RF - 3 系统支持ZigBee2006 协议，是一款经济、高效、方便、快捷、可重复使用的开发工具套装，完全满足IEEE802. 15. 4 标准和ZigBee 技术标准的无线网络技术设计开发。在组网方面，C51RF - 3 系统能实现组建串状网络和星状网络。ZigBee2006 协议中默认参数为：最大路由深度MAX_DEPTH = 5，最多子节点数MAX_CHILDREN = 20，最多路由子节点数MAX_ROUTERS = 6，这三个重要的网络参数决定了在默认情况下无线传感网络的大小[3]。在C51RF - 3 系统中，ZigBee 设备的无障碍无线传输距离可达到100m;在有障碍物的情况下，可靠传输距离超过30m，因此在小区内能方便地实现布网。对于一些大型社区，可通过修改网络的最大路由深度和最多路由节点数来扩展其传输距离。在本系统的设计中采用星形网络，如图2 所示。

　　
图2 系统的组网设计

　ZigBee 无线网络开发平台C51RF - 3 - PK 软件开发平台IAR Embedded Workbench( 简称EW) 对不同的微处理器提供一样的直观用户界面[5]。在这个开发系统的Demo Code 中定义了3 种设备，分别是协调器(COORDINATOR)、路由器(ROUTER) 和终端节点( ENDDEVICE)。用户在开发自己的应用程序时可通过改变编译配置项，轻松开发出组建ZigBee 无线传感网络的各个设备，并且在其ZigBee 协议栈内嵌入了操作系统OS，具有任务的消息通信、超时反馈机制，用户能很容易地扩充自己的应用程序。

　　ZigBee 网络的节点寻址原理：ZigBee 网络在初始化时，协调器依据网络中每个终端的MAC 地址给每个节点分配一个16 位短地址，此地址在网络中是唯一的，在协调器中建一个二维表，包括每个节点的MAC 地址及16 位短地址，依据此表，小区信息管理平台能够寻址到每一个节点，可以方便地实现对单盏灯的操作，也可通过广播信息实现对ZigBee 网络所有节点的控制。信息的转发与路由则由网络自动完成，不需要应用程序干预。

　　
图3 智能小区网络管理流程图

　　2. 1. 2 ZigBee 网络管理流程的设计

　　所有的ZigBee 网络设备通电以后，ZigBee 网络是自动组网的，经过一段时间后( 系统中可设定) ，网络协调器将整个网络状态信息通过RS232 串口传输给上位机的小区路灯监控系统，形成监控平台，在其上显示基于地域的路灯图形显示信息。整个智能小区的LED 路灯管理方案采用四级控制策略，如图3所示，其中小区管理员在配置好系统后，只有在紧急情况或特别情况下，才需要干涉LED 路灯照明系统的运行，并且可以监控整个照明系统的运行;智能小区的路灯监控系统采用基于日期的控制策略，在不同日期( 如节假日) 可以采用不同的照明方案;ZigBee网络协调器则可以根据环境参数，如光线强度，启动整个网络的照明，特别是在一些比较特殊的天气，如阴天、雷雨天气，能够自动开启照明系统;LED 路灯的最终照明是通过ZigBee 终端来控制实施的，正常情况下，可采用基于时间的控制策略来控制LED 路灯的开关。

　　2. 2 路灯节点控制设计

　　路灯节点的控制方式可设计成两种。第一种是基于单盏灯的控制方式，系统能单独控制每盏灯的开关、功率、光色( 采用R、G、B 三色LED，根据三基色原理控制) ，这样能方便地根据环境参数，如光强度、湿度、温度，及时间设定特定的灯光控制策略，如在节假日可显示不同的色彩及亮度;第二种是基于支路的控制方式，它通过控制支路的电源来实现，依据支路的电压、电流传感器测得的支路电压和电流值来确定支路的工作功率及工作状态是否正常。

　　LED 路灯驱动芯片采用PT4115，其最大功率为36W，对功率要求较大的场合可采用多块PT4115 芯片组合。PT4115 是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源，其输入电压范围为8 ～ 30V，输出电流可调，最大可达1. 2A，根据不同的输入电压和外部器件，PT4115 可以驱动高达数十瓦的LED;PT4115 内置功率开关，采用高端电流采样设置LED 平均电流，并可通过DIM 引脚接受模拟调光和很宽范围的PWM 调光，DIM 引脚直流电压的有效调光范围是0. 5 ～ 2. 5V，当直流电压高于2. 5V，输出LED 电流保持恒定，并由(0. 1 /RS) 设定，系统则通过CC2430 I /O 口模拟产生PWM 波形来控制路灯的亮度，当DIM脚的电压低于0. 3V 时，功率开关关断，PT4115进入极低工作电流的待机状态; 其转换效率高达97% ，输出电流精度达± 5% ;芯片具有过温、过压、过流、LED 开路保护等多种功能;采用SOT89 - 5 封装，有利于驱动芯片管芯的快速散热;其应用电路简单，周边仅4 个元器件，应用成本低廉。如图4 所示。

　　
图4 终端节点的控制电路

　3 总结

　　通过对基于ZigBee 技术的智能小区LED 路灯控制系统的研究，探讨了在智能小区中ZigBee 技术的应用优势及LED 路灯的应用特点，给出了系统的实现方案，可根据实际需求，制定多种具体的小区照明方案。