引言
當代社會，城市路燈照明／景觀照明建設不僅帶給人們光明與視覺享受，而且成為展現城市魅力的重要窗口，但是在帶來明亮、絢麗色彩的同時也帶來了諸多的困擾，比如管理、費用、用電、電纜被盜等問題。基于ZigBee無線模塊技術和LED光源的路燈系統，是一種自動化成度高、高效節能的城市照明系統。LED光源是一種高效能、環保、安全、耐用的新型照明光源，ZigBee無線路燈控制器可以對路燈照明系統進行科學、高效的控制和資源整合，合理調整照明時間，不僅可以節省照明系統的用電量，而且可以延長照明燈具的使用壽命，減少日常維護的開支。
1 系統方案與設計
系統由三大部分構成：控制中心，ZigBee無線路燈控制器節點和控制中心通信的轉發節點，固定在路燈桿上的終端節點。無線路燈遠程控制系統結構如圖1所示。
圖1 無線路燈遠程控制系統結構
控制中心的監控系統由計算機與無線收發模塊構成，主要負責建立和管理ZigBee無線路燈控制器網絡，顯示路燈狀況信息和發送控制命令，協調整個路燈系統的運作。ZigBee無線路燈控制器包括LED電源驅動，為大功率LED提供電力，并能根據微控制器的控制信號控制LED的工作情況。光敏傳感器、溫度傳感器，直接將LED工作狀況傳輸給控制模塊；功率檢測模塊檢測LED功率情況、供電故障并向上報警；無線模塊負責傳輸數據。將本系統模型與無線傳感器網絡模型進行對比，不難發現，安置在路燈桿上的ZigBee無線路燈控制器節點即為無線傳感器網絡中的終端節點(RFD)，控制中心監控系統就是協調器(COORD)，實現COORD與RFD之間無線通信的為路由轉發節點(ROUTER)。遠程網絡使用ZigBee與GRPS混合組成的網絡。子網和中央控制中心使用GPRS網絡來傳輸數據。下面具體介紹終端節點硬件電路設計方案。
1．1 LED節點驅動控制設計
LED節點驅動方案使用TI公司的UCC28810，它是一款恒流非隔離式電源，適用于街道、停車場或區域范圍照明等高亮度LED照明應用。該設計可將通用電源(90--265 VRMS)轉換成0．9 A恒流源，能夠驅動100 W LED負載。UCC28810電路如圖2所示。
圖2 UCC28810電路圖
此電路使用雙級設計，第一級是UCC28810的轉換模的PWM調光。此方案的優勢在于，使用了高效的專用驅式電路，將AC電源轉換成36 V的DC電源。第二級也采用UCC28811的轉換模式，將恒壓源轉換為0．9 A恒流源。電路中使用的TI公司的UCC28810和UCC28811芯片是通用照明電源控制器，具有PFC(功率因數校正)功能，確保設計方案滿足各種標準設定的諧波電流或功率因數要求。并且UCC28810／11控制器提供如電流峰值限制、復位定時器、過壓保護(OVP)和使能等特性，UCC28810／11控制器引腳如表1所列。
表1 UCC28810／1 1控制器引腳
第一級在低負荷狀態下運行，升壓跟隨器可跟蹤AC輸入的峰值電壓，實現更高轉換效率。第二級將PFC輸出電壓轉換為0．9 A的固定電流，以驅動LED負載。第二級不僅可接受PWM調光輸入(從外部或從板級電路均可)，而且還可相應開啟或關閉調光，從而實現LED電流的PWM調光。由于使用了高效的驅動IC，電源轉化效率更高了，在低負荷線路(10w line)運行狀態下，升壓跟隨器可跟蹤AC輸入的峰值電壓，在輸入電壓為±15％的變動時，仍能保持輸出電流變動穩定在±10％內。
1．2狀態檢測與報警
狀態報警與檢測主要包括溫度感測和感光檢測兩部分內容。
1．2．1 溫度感測
由于大功率白光LED照明和驅動器發熱量都很大，所以需要一個溫度感測傳感器，實時監控路燈的溫度，并向控制中心反映。如果溫度超過警戒溫度，則ZigBee無線路燈控制器進入報警模式，將自動關閉路燈，并向控制器發送報警命令。
溫度傳感器使用DSl8820，DSl8820是DALLAS公司生產的一款數字溫度傳感器。其特點有：獨特的一線接口，只需要一個端口即可通信；電路無需外部元件，可用數據總線供電，也可外接VCC；工作電壓范圍廣，為3．0～5．5 V，無需備用電源；測量溫度范圍為55～+125℃，在10～+85℃范圍內，精度為±0．5℃。DSl8820具有工作電路簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優點，應用范圍包括恒溫控制、工業系統、消費電子產品溫度計及任何熱敏感系統。
1．2．2 感光檢測系統
ZigBee無線路燈控制器使用光敏電阻傳感器對周圍環境的光亮度進行ZigBee數據采集，當傍晚周圍環境還有余光時，ZigBee無線路燈控制器將路燈開啟為單雙燈模式；當晚上天全黑了以后，將路燈全部打開；當凌晨4點左右出現晨光時，將路燈調節成半功率工作模式。在陰天和沙塵暴天氣，道路能見度低，路燈也可自動打開，保證道路正常照明。
本設計使用光敏三極管作為感光元件測量周圍環境的亮度，處理器實時將周圍環境的亮度通過ZigBee無線模塊反饋給控制中心，由控制中心決定是否打開GND路燈。電路圖如圖3所示。
圖3 光敏三極管電路圖
1．3 ZigBee無線模塊設計
目前TI公司已經先后推出了支持ZigBee協議的2．4 GHz的射頻收發器CC2420和ZigBee的片上系統解決方案CC2430，以及第二代射頻收發器CC2520芯片。CC2480無線性能出色，功耗很低。CC2480電路圖如圖4所示。
圖4 CC2480／ZiqBee模塊電路圖
CC2480采用CMOS工藝，工作電流僅為27 mA。當系統處于空閑時，CC2480能自動進入休眠狀態，并能實現休眠與主動模式的超短時間轉換。晶振XTALl選用32 MHz，晶振XTAL2選用32．768 kHz。32．768 kHz的晶振用于睡眠模式，在此期間提供時序，可降低電流、減少功耗，特別適合對功耗和電池壽命要求嚴格的應用場合。CC2480模塊可以直接與上位機之間通過串口通信，本系統選用異步串口模式。
1．4微控制器電路設計
MSP430是TI公司開發的一類具有16位總線的帶FLASH的單片機，由于其性價比和集成度高，受到廣大技術開發人員的青睞。它采用16位的總線，外設和內存統一編址，尋址范圍可達64 K，還可以外擴存儲器，具有統一的中斷管理，微控制器具體連接電路如圖5所示。
圖5 控制模塊MSP430電路圖
MSP430單片機的P3．4、P3．5端口設置成串口0(MSART0)的收發口，與CC2480的異步串口相連，它們之間實現串口通信。單片機發送數據給CC2480，CC2480無線發送出去；CC2480接收到無線數據后，也透明傳送給單片機。
2軟件流程設計
在本系統中，ZigBee協議可以應用于所有的節點，因為ZigBee協議具有很多的實用函數，例如設備離開或者加入網絡，創建一個新的網絡，父節點和子節點的搜索，網絡信標幀的發送，數據包的發送和接收等。系統工作的過程中，協調器主要進行無線傳感器網絡的創建，負責接收ZigBee無線路燈控制器發送回來的ZigBee數據采集路燈信息，依據路燈的狀況將控制信號發送給路燈節點。路由器節點處在監控狀態，負責獲取其他節點發送來的信息并判斷是不是需要進行轉發，與此同時把自身路燈的信息傳送給協調器；接收協調器的控制信號來控制路燈的工作狀態。終端節點功能是最簡單的，只需要負責隨時接收協調器發送的控制命令，并向上一級返回路燈當前的狀態。
系統投入運行時，首先對CC2480進行初始化，協調器運行初始化協議，同時打開中斷。此后軟件程序創建新網絡，一旦網絡能夠成功創建，就對相應的網絡協調器物理地址、當前建立網絡的ID號以及頻道號進行顯示。協調器軟件流程圖如圖6所示。
圖6 協調器程序流程圖
3路燈控制模式
根據不同上位機的不同控制命令，路燈節點有如下幾種不同的控制模式。
3．1 單雙燈開啟模式
這個模式有兩種情況，編號是奇數的燈開啟或者編號是偶數的燈開啟。當路燈節點接收到單雙燈開啟命令以后，路燈會根據自身的ID編號，選擇開啟還是關閉。這種模式應用于傍晚能見度較高，或者陰雨天、沙塵暴等惡劣天氣下城市能見度不佳時。一般是單雙燈輪流開啟關閉，保證LED路燈工作時間大致相同，以延長其壽命。
3．2全功率開啟模式
當ZigBee無線路燈控制器節點接收到全功率開啟模式以后，路燈開始工作，并會以全功率打開，亮度最大。這種模式一般在晚上人車流量大和節假日時開啟。
3．3半功率開啟模式
當ZigBee無線路燈控制器節點接收到全功率開啟模式以后，路燈開始工作，但不會以全功率模式工作，而是通過LED驅動模塊的PWM調光機制，將LED的功率控制在額定值的一半，起到節約電力的作用。
3．4隨機選擇關閉模式
這種模式是為了節約電力和延長路燈壽命。在人流不大的道路上發給路燈隨機關閉模式命令，路燈節點接收命令后，以一定概率(如20％)自行熄滅30min，由于路燈是隨機熄滅的，不會影響到整體的照明情況。
3．5功率異常報警模式
這種模式不是上位機發出的命令。
當路燈節點檢測到功率故障的時候(如LED二極管短路、功率過小或過大)，路燈將自行切斷照明電源，并向上位機報警。
結語
本文主要分析了ZigBee模塊組網技術，設計了一種ZigBee無線路燈控制器系統，實現路燈信息的ZigBee數據采集和控制。事實證明本系統網絡經一次性布置之后，可以長期可靠運行。路燈節點的數量、位置可隨時變更，使得調控路燈變得更加方便、科學。無線LED路燈遠程控制系統為解決問題提供一個良好平臺。