一種新型LED節(jié)能街燈控制方案

　　隨著我國(guó)城市化水平的不斷提高，城市照明系統(tǒng)不斷擴(kuò)大，如何節(jié)約能源，提高路燈系統(tǒng)管理水平，是急需解決的課題。目前各大城市的街道路燈控制系統(tǒng)都普遍存在能源利用率不高的問(wèn)題。特別是子夜過(guò)后，街道上的車(chē)輛與行人較為稀少，路燈沒(méi)有必要全部打開(kāi)，可以適當(dāng)關(guān)閉部分路燈，以前采用的人工控制方法，這種方法既浪費(fèi)人力、操作繁瑣且每天早晚路燈開(kāi)閉時(shí)間不準(zhǔn)，人為因素影響太大。后來(lái)有些城鎮(zhèn)設(shè)置光電控制電路，利用控制光敏電阻器件的變化，控制路燈在晚上天黑之后自動(dòng)點(diǎn)亮，早上天亮之后自動(dòng)關(guān)閉。這種方法存在可靠性較低，易受干擾，后半夜路燈照明太亮浪費(fèi)電能，不能對(duì)街燈實(shí)行有效的節(jié)能控制。采用Zig2Bee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行路燈控制的技術(shù)正在悄然興起。ZigBee一詞來(lái)源于蜜蜂群使用的賴(lài)以生存和發(fā)展的通信方式。蜜蜂通過(guò)跳ZigZag形狀的舞蹈來(lái)傳遞新發(fā)現(xiàn)的食物源位置、距離與方向等信息。ZigBee是一組基于IEEE802.15.4無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)發(fā)的、有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)，IEEE802.15.4僅處理MAC層和物理層協(xié)議，ZigBee聯(lián)盟對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。

　　ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率（10～250kB/S）、低成本、低復(fù)雜度的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。其網(wǎng)絡(luò)容量大，可容納65,000個(gè)設(shè)備。

　　提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES2128加密算法。使用頻段為2.4GHz,868MHz（歐洲）和915MHz（美國(guó)），均為免執(zhí)照（免費(fèi)）的頻段。

　　ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)有網(wǎng)狀拓補(bǔ)和樹(shù)狀拓補(bǔ)格式，網(wǎng)絡(luò)中主要包含三種類(lèi)型的設(shè)備，包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、全功能設(shè)備（FFD）、精簡(jiǎn)功能設(shè)備（RFD）。其示意圖如圖1所示。只有網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者才能形成網(wǎng)絡(luò)與其它的FFD或是精簡(jiǎn)功能裝置（RFD）連接。FFD具備路由器的功能，可提供信息雙向傳輸。RFD只能傳送信息給FFD或從FFD接收信息。

　　1　系統(tǒng)組成

　　基于ZigBee的LED節(jié)能街燈控制系統(tǒng)由以下三部分組成，系統(tǒng)工作示意圖如圖2所示。

　?。?）安裝在路燈燈桿上的微處理器控制系統(tǒng)（包括路由節(jié)點(diǎn)和葉節(jié)點(diǎn)）；

　?。?）控制中心的服務(wù)器監(jiān)控系統(tǒng)（包括協(xié)調(diào)器和PC機(jī)）；

　　（3）實(shí)現(xiàn)路燈燈桿上的微處理器控制系統(tǒng)和控制中心聯(lián)系的ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。

　　安裝在路燈燈桿上的微處理器控制系統(tǒng)，是一個(gè)由光照強(qiáng)度傳感器、路燈調(diào)光控制器（LED燈由PWM方式進(jìn)行控制）、通訊控制系統(tǒng)、直流電源系統(tǒng)等組成的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中可以是路由器（FFD）或精簡(jiǎn)功能節(jié)點(diǎn)（RFD）。

　　該系統(tǒng)采用多路樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)里只有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（FFD），也就是控制中心的監(jiān)控系統(tǒng)、若干個(gè)FFD路由節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)RFD節(jié)點(diǎn)。

　　路由節(jié)點(diǎn)可以安裝在道路旁邊，連接成串狀作為無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的中繼控制器，以達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。同時(shí)它也可以作為一個(gè)用戶(hù)節(jié)點(diǎn)用來(lái)控制LED燈。

　　而RFD用戶(hù)節(jié)點(diǎn)僅能接收信號(hào)并根據(jù)所接收信號(hào)控制自己的LED燈，沒(méi)有中繼或路由功能。

　　2　軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括PC機(jī)服務(wù)器后臺(tái)軟件設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)、路由器軟件設(shè)計(jì)和葉節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)等四大部分。

　　PC機(jī)服務(wù)器采用VB編寫(xiě)程序，通過(guò)串口與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通訊，從而來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)，它需要有良好的人機(jī)界面。工作時(shí)PC機(jī)服務(wù)器先向協(xié)調(diào)器發(fā)送讀寫(xiě)（某個(gè)節(jié)點(diǎn)）控制命令，然后由協(xié)調(diào)器來(lái)操控整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器再把從Zigbee網(wǎng)絡(luò)中得到的數(shù)據(jù)信息返回給PC機(jī)服務(wù)器。這就需要PC機(jī)擁有一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)的參數(shù)和工作運(yùn)行數(shù)據(jù)。

　　協(xié)調(diào)器上電初始化后，首先主動(dòng)建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，然后等待路由節(jié)點(diǎn)和葉節(jié)點(diǎn)的加入。如果發(fā)現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，則給該節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)號(hào)。同時(shí)協(xié)調(diào)器還要監(jiān)控PC機(jī)服務(wù)器從串口發(fā)來(lái)的命令數(shù)據(jù)，根據(jù)相應(yīng)的命令來(lái)控制某個(gè)節(jié)點(diǎn)，比如設(shè)置節(jié)點(diǎn)燈光控制信息、設(shè)置節(jié)點(diǎn)時(shí)段控制信息、讀取節(jié)點(diǎn)燈光控制信息、讀取節(jié)點(diǎn)時(shí)段控制信息等。如果是要某個(gè)節(jié)點(diǎn)讀取相關(guān)信息，還要把讀到的數(shù)據(jù)信息通過(guò)串口發(fā)送到PC機(jī)。協(xié)調(diào)器軟件工作流程如圖3所示。

路由器上電初始化需要首先申請(qǐng)加入?yún)f(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)，如果不能成功加入，需要不停重復(fù)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，不然該節(jié)點(diǎn)就不能受系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)所控制。成功加入網(wǎng)絡(luò)后，路由節(jié)點(diǎn)就工作于監(jiān)控狀態(tài)。一是監(jiān)控是否有其他路由節(jié)點(diǎn)或葉節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，如果有則同樣需給該節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址。二是判斷是否有從協(xié)調(diào)器發(fā)來(lái)的命令，如果是設(shè)置命令則需根據(jù)命令參數(shù)設(shè)置該節(jié)點(diǎn)；如果是讀狀態(tài)命令則需根據(jù)命令發(fā)送相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)給協(xié)調(diào)器。三是根據(jù)亮度控制預(yù)設(shè)值，不停采集環(huán)境亮度信息與之進(jìn)行比較。通過(guò)比較結(jié)果判讀是應(yīng)該打開(kāi)路燈還是應(yīng)該關(guān)閉路燈，是應(yīng)該增加控制LED燈的PWM占空比還是減少控制LED燈的PWM占空比。路由器的程序流程如圖4所示。

　　葉節(jié)點(diǎn)的程序流程類(lèi)似于路由節(jié)點(diǎn)的流程，但葉節(jié)點(diǎn)是終端節(jié)點(diǎn)，不支持其他節(jié)點(diǎn)的加入。流程如圖5所示。

　　3　結(jié)論

　?。?）將ZigBee無(wú)線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用于街燈的管理上，解決了街燈系統(tǒng)能源利用率低的問(wèn)題；

　?。?）利用大功率LED研制開(kāi)發(fā)出新型LED燈，為人們提供了新的照明方式；

　?。?）LED燈具有低功耗的優(yōu)點(diǎn)（一個(gè)10W的LED燈相當(dāng)與一個(gè)60W的日光燈的照度），使系統(tǒng)具有運(yùn)行成本低、可靠性高、體積小等優(yōu)勢(shì)，能極大地節(jié)省能源，在路燈無(wú)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)中將有非常廣闊的應(yīng)用空間；

　　（4）通過(guò)與其它各種新型傳感器、功率控制器結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程路燈智能控制，達(dá)到大面積、大范圍節(jié)約電力和能源的目的。