基于zigBee網(wǎng)絡(luò)的路燈節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)能路燈的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用基于ZigBee技術(shù)的組網(wǎng)方案，進(jìn)行系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，以及Mesh網(wǎng)絡(luò)的研究。設(shè)計(jì)了監(jiān)控系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)的硬件平臺(tái)以及編寫了ZigBee協(xié)議棧的軟件。通過實(shí)驗(yàn)室對(duì)路燈的模擬實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了Mesh網(wǎng)絡(luò)以及Ad Hoc路由算法，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，滿足了節(jié)能路燈的通訊要求。
關(guān)鍵詞：ZigBee；路燈節(jié)能；CC2430；Mesh

O 引言
    路燈系統(tǒng)是城市基礎(chǔ)設(shè)施的組成部分，是與人們?nèi)粘Ｉ罹o密相關(guān)的市政公共設(shè)施。同時(shí)綠色照明是當(dāng)今照明界的必然趨勢(shì)，隨著城市化進(jìn)程的加快和城市規(guī)模和數(shù)量的擴(kuò)大，照明消耗，照明電費(fèi)日益高漲，加劇了我國(guó)日趨緊張的能源供應(yīng)。因此建立路燈節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了路燈的集中控制、檢測(cè)與管理。結(jié)合相應(yīng)的控制網(wǎng)絡(luò)確保按時(shí)、按需點(diǎn)亮每盞路燈，并能有效的節(jié)省路燈的用電，延長(zhǎng)燈泡的壽命，降低維護(hù)的成本，是現(xiàn)代能效型社會(huì)的目標(biāo)。
    當(dāng)前路燈節(jié)能系統(tǒng)組網(wǎng)的方案中有基于電力線載波通訊的組網(wǎng)方式，GSM短消息控制。ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控行業(yè)，并取得了較好的效果。提出了基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)的通訊系統(tǒng)。在降低成本的同時(shí)能夠克服電力線載波通訊中不能換相的問題，另外使用Mesh網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊保障了無線通訊的可靠性。

1 系統(tǒng)方案以及ZigBee技術(shù)
    在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分為FFD(全功能設(shè)備)和RFD(簡(jiǎn)化功能設(shè)備)兩種。FFD可以作為協(xié)調(diào)器和路由器使用，可以和FFD設(shè)備和RFD設(shè)備之間進(jìn)行通訊；主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建和維護(hù)以及路由。RFD設(shè)備一般為終端節(jié)點(diǎn)，互相之間不能通訊，完成信息的發(fā)送和接收。
    ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持星型網(wǎng)、集群樹狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)三種拓?fù)?。網(wǎng)狀網(wǎng)是一種高可靠性的AdHoc網(wǎng)絡(luò)，與集群樹狀網(wǎng)不同的是，具有路由功能的節(jié)點(diǎn)之間可以進(jìn)行通訊，從而網(wǎng)狀網(wǎng)通過自組織和無線線路的功能可以提供多個(gè)數(shù)據(jù)通路。當(dāng)最優(yōu)路徑出現(xiàn)故障時(shí)，冗余的其他通路提供相應(yīng)的路徑。因此網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)縮短了信息傳輸?shù)难舆t并提高了通訊網(wǎng)絡(luò)的可靠性。
    路燈節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)是由三層網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的，如圖1所示。

    其中監(jiān)控層主要有PC機(jī)完成系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控畫面，以及控制指令的交互設(shè)計(jì)。中間層由每個(gè)子網(wǎng)的協(xié)調(diào)器組成，通過GPRS通訊技術(shù)將子網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)信息傳送到系統(tǒng)上位機(jī)。最后子網(wǎng)內(nèi)采用ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)路燈之間的通訊。將每個(gè)街道劃分為一個(gè)子區(qū)域，將街頭的路燈設(shè)置為協(xié)調(diào)器，其他的路燈節(jié)點(diǎn)設(shè)置為路由節(jié)點(diǎn)，最后通過ZigBee協(xié)議棧中的網(wǎng)絡(luò)層來實(shí)現(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。從而保證將每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的信息及時(shí)地發(fā)送到相應(yīng)的協(xié)調(diào)器。

2 控制器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
    控制器節(jié)點(diǎn)是組成網(wǎng)絡(luò)的基本，是網(wǎng)絡(luò)通訊的載體，是系統(tǒng)中的關(guān)鍵。其主要功能是實(shí)現(xiàn)信息的采集、無線通訊以及系統(tǒng)的控制。主要包括軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)。
2．1 控制器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
    該節(jié)點(diǎn)以CC2430為主要的硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。CC2430是Chipcon公司推出的用來實(shí)現(xiàn)嵌入式ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)。在整個(gè)芯片上集成了模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器和AES協(xié)同處理器等其他外設(shè)。支持2．4 GHz，IEEE 802．15．4／ZigBee協(xié)議。
    路燈控制器主要由電壓電流采集模塊、功率調(diào)節(jié)模塊、無線通訊模塊和CC2430組成。其中電流電壓采集模塊是通過相應(yīng)的采集電路將信號(hào)調(diào)理到0～5 V之間的信號(hào)，利用CC2430中的ADC模塊來進(jìn)行采樣，從而獲得路燈當(dāng)前的電流和電壓的信息；功率調(diào)節(jié)模塊是由IR2159電子整流器組成的，利用CC2430中的定時(shí)器來輸出占空比不同的脈沖，調(diào)節(jié)DIM引腳上的電壓，從而調(diào)節(jié)路燈的照明亮度。最終實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的監(jiān)控。圖2為CC2430的原理圖。

    AIN0為電壓采集通道，AIN1為電流采集通道。SD，F(xiàn)MIN，DMIN分別對(duì)應(yīng)IR2159電子整流器的三個(gè)控制引腳。其中SD為控制電子整流器的開關(guān)，F(xiàn)MIN為當(dāng)前電子整流器的開關(guān)狀態(tài)，DMIN為IR2159的模擬調(diào)光接口，來控制光線輸出的亮度。
2．2 軟件設(shè)計(jì)
    在控制節(jié)點(diǎn)之間，利用ZigBee通訊組成自組織的Mesh網(wǎng)絡(luò)。該設(shè)計(jì)采用TI公司發(fā)布ZigBee的協(xié)議棧，來簡(jiǎn)化系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計(jì)，其中程序的主要組成包括協(xié)議棧的配置以及驅(qū)動(dòng)函數(shù)的編寫。
    軟件部分是在IAR環(huán)境中OSAL操作系統(tǒng)上編程。首先在用戶應(yīng)用層中初始化相關(guān)節(jié)點(diǎn)信息的配置以及相關(guān)事件處理的函數(shù)；然后在系統(tǒng)中添加任務(wù)。
    在節(jié)點(diǎn)的配置過程中，首先確定應(yīng)用中的設(shè)備類型，并為每個(gè)設(shè)備分配一個(gè)設(shè)備ID。然后確定設(shè)備間通訊的命令以及和每個(gè)設(shè)備的對(duì)應(yīng)關(guān)系。創(chuàng)建簡(jiǎn)單設(shè)備描述符結(jié)構(gòu)，最后編寫相關(guān)的應(yīng)用程序，確定綁定方案，使設(shè)備能夠正確的交換數(shù)據(jù)包。
    在系統(tǒng)中終端為監(jiān)控設(shè)備，應(yīng)該配置為路由節(jié)點(diǎn)。從而實(shí)現(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)的組建。
    終端設(shè)備包含兩個(gè)命令，它們分別是：輸入當(dāng)前路燈狀態(tài)，主要是用來反饋當(dāng)前路燈的電壓值和電流值，從而得到路燈的實(shí)時(shí)狀況；另外一個(gè)是，關(guān)于上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的輸出控制指令來控制路燈的亮度以及開關(guān)。最終可以直接利用命令來控制各個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)，從而保證了數(shù)據(jù)的安全性和通訊的可靠性，同時(shí)提高系統(tǒng)的通訊效率。
    ZigBee中使用設(shè)備描述符數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述它們自己，包括在這些描述中的實(shí)際數(shù)據(jù)被定義在個(gè)人的設(shè)備描述符。
    根據(jù)不同的命令實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的程序，在系統(tǒng)中主要包括對(duì)應(yīng)NOW_STATE_CMD_ID命令的A／D采樣程序，得到路燈當(dāng)前的電流以及電壓情況；以及LIGHT_CMD_ID命令的執(zhí)行函數(shù)通過命令信息的數(shù)值調(diào)節(jié)IR2159的模擬信號(hào)輸入值，最終調(diào)節(jié)路燈的亮度。
    最后進(jìn)行控制信息從一個(gè)應(yīng)用層到另一個(gè)應(yīng)用層的綁定操作。綁定后允許應(yīng)用層發(fā)送信息而不帶目的地址，APS層從它的綁定表格中確定目的地址，然后在信息前段加上這個(gè)目的地址或組地址。在路燈控制的過程中，其監(jiān)控信息具有一定的群操作性。所以將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的命令綁定每個(gè)終端控制節(jié)點(diǎn)并將其配置為路由節(jié)點(diǎn)，將每個(gè)區(qū)域的區(qū)域節(jié)點(diǎn)配置為協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。這樣按照一定的啟動(dòng)順序后，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)以及網(wǎng)絡(luò)搜尋和加入，最終利用協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)層可以組成相應(yīng)的Mesh網(wǎng)絡(luò)。設(shè)備的程序流程圖如圖3所示。

3 分析結(jié)果
    在以上終端設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了Mesh網(wǎng)絡(luò)的建立、通訊以及互操作性的測(cè)試，解決了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的問題。實(shí)驗(yàn)表明能夠在部分路燈節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，同樣能夠?qū)⑺璧男畔魉偷絽f(xié)調(diào)器上，同時(shí)由于采用的是Ad Hoc路由算法為最優(yōu)路徑，傳輸時(shí)間有所減小。在此平臺(tái)上設(shè)計(jì)，路燈的照明方案實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

4 結(jié)論
    介紹了基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的路燈節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合路燈分布的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出無線的監(jiān)控方案，在方便安裝的同時(shí)解決了電力線載波的跨相的同時(shí)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。滿足了節(jié)能路燈的通訊要求，最終解決了路燈節(jié)能系統(tǒng)的節(jié)電問題，系統(tǒng)中具有智能化，信息化的特點(diǎn)，在滿足人們照明要求的同時(shí)，避免了不必要的用電浪費(fèi)，最終實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目的。