基于ZigBee的無線路燈節能智能監控系統設計

隨著我國城鄉一體化建設和城市化建設的不斷深入， 對道路照明擴展規模越來越大， 因此對道路照明及景觀照明提出了更高、更新的要求。與此同時， 路燈的電能消耗和燈具損耗也越來越大。傳統的路燈控制系統存在著智能化程度低、線路穩定度差等問題， 給城市照明系統的管理和維護帶來很大困難。為了解決以上問題，本論文提出了基于CC2530 的ZigBee 無線路燈節能智能監控系統方案。該方案能夠靈活開關燈， 自動及時發現故障， 提高設備智能化管理。本系統根據實際要求， 對每一組路燈進行控制， 實現照明模式的多樣化和靈活性，若有損壞的路燈， 系統會及時顯示其信息， 并通知管理人員， 有效地提高了城市照明系統的管理水平。

1 ZigBee 技術

ZigBee 技術是一種新興的短距離無線通信技術， 目前在近距離無線網絡領域得到廣泛應用。ZigBee 協議棧是建立在IEEE802.15.4 標準之上。IEEE802.15.4 定義了物理層和MAC 層的規范。其余如網絡層和應用層規范。等方面由ZigBee 聯盟負責。ZigBee 技術采用自組織網絡， 且其網絡拓撲結構可以隨意變動的這一特點對道路照明監控系統十分有利， 對實現路燈節能智能監控系統的智能化、高可靠性、低成本起到很好的作用。

ZigBee 低速無線個域網具有如下特點:

(1) 低功耗。ZigBee 技術傳輸速率低， 傳輸數據量小。而且，ZigBee 模塊在非工作時間采用休眠模式， 使得系統運行非常節省電能。

(2) 數據傳輸可靠。ZigBee 采用沖突避免的載波多路偵聽技術， 當有數據傳送需求時則立刻傳送， 保證了系統信息傳輸的可靠性。

(3) 網絡容量大。一個ZigBee 網絡最多可包含65 535個網絡節點， 按功能的完整性可劃分為全功能設備(FFD) 和半功能設備(RFD) , 各個節點可相互連接， 組成大容量的ZigBee 網絡。

(4) 工作頻段多樣。使用頻段有： 2 . 4 GHz ISM 頻段、868 MHz( 歐洲) 及915 MHz( 美國)， 并在不同的載波頻率下有250 Kb/s 、40 Kb/s 和20 Kb/s 三種不同的傳輸速率。

2 系統結構組成

ZigBee 的網絡拓撲結構可分為： 網狀結構、星型結構和樹狀結構， 當CC2530 用倒F 型PCB 天線時， 可靠收發距離為200 m 左右， 考慮到網狀結構能夠縮短信息傳輸的延遲和提高通信網絡的可靠性，因此無線路燈節能智能監控系統中的網絡拓撲可以采用網狀結構，使用路由功能傳輸。因為CC2530 可以實現20 級左右路由， 所以本系統采用CC2530 .一個"CC2530+CC2591 " 組成的路由器與協調器的可靠收發距離可以達到1 km 左右， "CC2530+CC2591 " 組成的路由器與普通路由器如果布局合理的話， 就可以讓整個網絡的通信距離達到20 km左右。

無線路燈節能監控系統是由一個ZigBee 協調器、若干個路燈路由控制器和若干個路燈終端設備控制器組成的無線監控系統如圖1 所示。根據ZigBee 通信與組網技術的特點， 將ZigBee 技術與傳統的路燈控制模式相結合， 采用對每組路燈進行檢測和控制的方式， 就能夠及時發現路燈的損壞情況和它的具體位置， 方便維修管理， 實現按需節能、智能化管理， 達到城市照明系統節能減排的目標。

圖1 系統框架圖

路燈節能監控系統的各個模塊運行主程序流程如圖2 所示。首先系統上電初始化各個模塊， 然后協調器選擇一個信道和PAN ID( 個域網ID 號)后就開始建立網絡， 路由器和終端設備隨后加入網絡， 協調器發出相應的控制命令。

圖2 系統主程序流程圖