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

摘要：為了實現(xiàn)對節(jié)能路燈的監(jiān)控系統(tǒng)的設計，采用基于ZigBee技術的組網(wǎng)方案，進行系統(tǒng)的網(wǎng)絡構架，以及Mesh網(wǎng)絡的研究。設計了監(jiān)控系統(tǒng)終端節(jié)點的硬件平臺以及編寫了ZigBee協(xié)議棧的軟件。通過實驗室對路燈的模擬實驗，系統(tǒng)實現(xiàn)了Mesh網(wǎng)絡以及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。
關鍵詞：ZigBee；路燈節(jié)能；CC2430；Mesh

O 引言
    路燈系統(tǒng)是城市基礎設施的組成部分，是與人們日常生活緊密相關的市政公共設施。同時綠色照明是當今照明界的必然趨勢，隨著城市化進程的加快和城市規(guī)模和數(shù)量的擴大，照明消耗，照明電費日益高漲，加劇了我國日趨緊張的能源供應。因此建立路燈節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了路燈的集中控制、檢測與管理。結合相應的控制網(wǎng)絡確保按時、按需點亮每盞路燈，并能有效的節(jié)省路燈的用電，延長燈泡的壽命，降低維護的成本，是現(xiàn)代能效型社會的目標。
    當前路燈節(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技術是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡技術。目前已經(jīng)廣泛應用于無線網(wǎng)絡監(jiān)控行業(yè)，并取得了較好的效果。提出了基于ZigBee技術的無線網(wǎng)絡的通訊系統(tǒng)。在降低成本的同時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)絡進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
    在ZigBee網(wǎng)絡中的設備分為FFD(全功能設備)和RFD(簡化功能設備)兩種。FFD可以作為協(xié)調器和路由器使用，可以和FFD設備和RFD設備之間進行通訊；主要負責網(wǎng)絡的組建和維護以及路由。RFD設備一般為終端節(jié)點，互相之間不能通訊，完成信息的發(fā)送和接收。
    ZigBee網(wǎng)絡支持星型網(wǎng)、集群樹狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)三種拓撲。網(wǎng)狀網(wǎng)是一種高可靠性的AdHoc網(wǎng)絡，與集群樹狀網(wǎng)不同的是，具有路由功能的節(jié)點之間可以進行通訊，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數(shù)據(jù)通路。當最優(yōu)路徑出現(xiàn)故障時，冗余的其他通路提供相應的路徑。因此網(wǎng)狀結構縮短了信息傳輸?shù)难舆t并提高了通訊網(wǎng)絡的可靠性。
    路燈節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)是由三層網(wǎng)絡來實現(xiàn)的，如圖1所示。

    其中監(jiān)控層主要有PC機完成系統(tǒng)的上位機監(jiān)控畫面，以及控制指令的交互設計。中間層由每個子網(wǎng)的協(xié)調器組成，通過GPRS通訊技術將子網(wǎng)內的數(shù)據(jù)信息傳送到系統(tǒng)上位機。最后子網(wǎng)內采用ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡來實現(xiàn)路燈之間的通訊。將每個街道劃分為一個子區(qū)域，將街頭的路燈設置為協(xié)調器，其他的路燈節(jié)點設置為路由節(jié)點，最后通過ZigBee協(xié)議棧中的網(wǎng)絡層來實現(xiàn)Mesh網(wǎng)絡的構建。從而保證將每個節(jié)點上的信息及時地發(fā)送到相應的協(xié)調器。

2 控制器節(jié)點設計
    控制器節(jié)點是組成網(wǎng)絡的基本，是網(wǎng)絡通訊的載體，是系統(tǒng)中的關鍵。其主要功能是實現(xiàn)信息的采集、無線通訊以及系統(tǒng)的控制。主要包括軟件設計和硬件設計。
2．1 控制器節(jié)點硬件設計
    該節(jié)點以CC2430為主要的硬件平臺實現(xiàn)系統(tǒng)的設計。CC2430是Chipcon公司推出的用來實現(xiàn)嵌入式ZigBee應用的片上系統(tǒng)。在整個芯片上集成了模擬數(shù)字轉換器、定時器和AES協(xié)同處理器等其他外設。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的采集電路將信號調理到0～5 V之間的信號，利用CC2430中的ADC模塊來進行采樣，從而獲得路燈當前的電流和電壓的信息；功率調節(jié)模塊是由IR2159電子整流器組成的，利用CC2430中的定時器來輸出占空比不同的脈沖，調節(jié)DIM引腳上的電壓，從而調節(jié)路燈的照明亮度。最終實現(xiàn)對路燈的監(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分別對應IR2159電子整流器的三個控制引腳。其中SD為控制電子整流器的開關，F(xiàn)MIN為當前電子整流器的開關狀態(tài)，DMIN為IR2159的模擬調光接口，來控制光線輸出的亮度。
2．2 軟件設計
    在控制節(jié)點之間，利用ZigBee通訊組成自組織的Mesh網(wǎng)絡。該設計采用TI公司發(fā)布ZigBee的協(xié)議棧，來簡化系統(tǒng)的軟件部分設計，其中程序的主要組成包括協(xié)議棧的配置以及驅動函數(shù)的編寫。
    軟件部分是在IAR環(huán)境中OSAL操作系統(tǒng)上編程。首先在用戶應用層中初始化相關節(jié)點信息的配置以及相關事件處理的函數(shù)；然后在系統(tǒng)中添加任務。
    在節(jié)點的配置過程中，首先確定應用中的設備類型，并為每個設備分配一個設備ID。然后確定設備間通訊的命令以及和每個設備的對應關系。創(chuàng)建簡單設備描述符結構，最后編寫相關的應用程序，確定綁定方案，使設備能夠正確的交換數(shù)據(jù)包。
    在系統(tǒng)中終端為監(jiān)控設備，應該配置為路由節(jié)點。從而實現(xiàn)Mesh網(wǎng)絡的組建。
    終端設備包含兩個命令，它們分別是：輸入當前路燈狀態(tài)，主要是用來反饋當前路燈的電壓值和電流值，從而得到路燈的實時狀況；另外一個是，關于上位機對下位機的輸出控制指令來控制路燈的亮度以及開關。最終可以直接利用命令來控制各個功能的實現(xiàn)，從而保證了數(shù)據(jù)的安全性和通訊的可靠性，同時提高系統(tǒng)的通訊效率。
    ZigBee中使用設備描述符數(shù)據(jù)結構來描述它們自己，包括在這些描述中的實際數(shù)據(jù)被定義在個人的設備描述符。
    根據(jù)不同的命令實現(xiàn)相應的程序，在系統(tǒng)中主要包括對應NOW_STATE_CMD_ID命令的A／D采樣程序，得到路燈當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)值調節(jié)IR2159的模擬信號輸入值，最終調節(jié)路燈的亮度。
    最后進行控制信息從一個應用層到另一個應用層的綁定操作。綁定后允許應用層發(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。所以將每個節(jié)點的命令綁定每個終端控制節(jié)點并將其配置為路由節(jié)點，將每個區(qū)域的區(qū)域節(jié)點配置為協(xié)調節(jié)點。這樣按照一定的啟動順序后，經(jīng)過網(wǎng)絡啟動以及網(wǎng)絡搜尋和加入，最終利用協(xié)議棧的網(wǎng)絡層可以組成相應的Mesh網(wǎng)絡。設備的程序流程圖如圖3所示。

3 分析結果
    在以上終端設計的基礎上實現(xiàn)了Mesh網(wǎng)絡的建立、通訊以及互操作性的測試，解決了網(wǎng)絡結構不穩(wěn)定的問題。實驗表明能夠在部分路燈節(jié)點出現(xiàn)故障時，同樣能夠將所需的信息傳送到協(xié)調器上，同時由于采用的是Ad Hoc路由算法為最優(yōu)路徑，傳輸時間有所減小。在此平臺上設計，路燈的照明方案實現(xiàn)對路燈信息的實時監(jiān)控，從而達到節(jié)能的目的。

4 結論
    介紹了基于ZigBee無線網(wǎng)絡技術的路燈節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)，結合路燈分布的特點設計出無線的監(jiān)控方案，在方便安裝的同時解決了電力線載波的跨相的同時，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，在滿足人們照明要求的同時，避免了不必要的用電浪費，最終實現(xiàn)了節(jié)能的目的。