基于ZigBee的智能型LED路燈照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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摘要:時(shí)當(dāng)前LED路燈照明與傳統(tǒng)路燈照明進(jìn)行了比較,將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于LED路燈照明系統(tǒng),組建了Zig-Bee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。詳細(xì)設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)的硬件電路及軟件。經(jīng)對(duì)比,此系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)在節(jié)省布線,降低成本方面有顯著的優(yōu)勢(shì)。
隨著我國(guó)城市化步伐的加快,城市照明建設(shè)作為體現(xiàn)城市形象的作用日益受到重視,在城市照明系統(tǒng)中,如何節(jié)約能源,提高路燈能源的利用率已成為急需解決的問(wèn)題。而ZigBee技術(shù)以其低功耗、通信可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)為路燈自動(dòng)控制領(lǐng)域提供了較合適的解決方案。LED路燈節(jié)能控制系統(tǒng)就是通過(guò)采用ZigBee技術(shù)與各種新型傳感器、功率控制器結(jié)合,實(shí)現(xiàn)路燈的智能控制,節(jié)約了大量能源。
1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介
隨著數(shù)字通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,無(wú)線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化要求逐漸出現(xiàn)在人們面前,ZigBee技術(shù)便是其中之一。ZigBee技術(shù)是依據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),主要應(yīng)用在短距離范圍內(nèi)并且數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間,在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之問(wèn)相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。
ZigBee采用了2003年發(fā)布的IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)作為其物理層和媒體接入(MAC)層的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。2001年8月成立的ZigBee技術(shù)聯(lián)盟為不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備提供了統(tǒng)一的解決方案,解決其相互問(wèn)的兼容性問(wèn)題。ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)層由ZigBee技術(shù)聯(lián)盟制定,應(yīng)用層則由用戶根據(jù)自己的應(yīng)用需要對(duì)其開(kāi)發(fā)利用。
2傳統(tǒng)路燈的控制方式
傳統(tǒng)的路燈控制方式有人工控制,時(shí)控方式,電力載波控制,GSM短消息控制,CDPD(CellularDigital Packet Data)蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù)等。人工方式是工作人員根據(jù)開(kāi)關(guān)燈的時(shí)間表手動(dòng)進(jìn)行開(kāi)關(guān)燈的操作,時(shí)控方式是以時(shí)間作為開(kāi)關(guān)燈的唯一根據(jù),電力載波控制易受電力線強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾,GSM短消息控制必須通過(guò)手機(jī),費(fèi)用較高。上述五種傳統(tǒng)的路燈控制方式存在的問(wèn)題是:運(yùn)行操作結(jié)果不能集中監(jiān)視,記錄和統(tǒng)計(jì),達(dá)不到量化管理的要求,不適應(yīng)城市現(xiàn)代化的發(fā)展。
在路燈的控制方面,ZigBee技術(shù)結(jié)合傳感器技術(shù)組成的網(wǎng)絡(luò)同樣解決傳統(tǒng)控制中存在的問(wèn)題:1)選用特殊的亮度傳感器可以實(shí)時(shí)采集光亮強(qiáng)度,大大降低了特殊環(huán)境,特殊時(shí)間誤開(kāi)誤關(guān)的幾率,脫離了人工干預(yù)。2)ZigBee技術(shù)采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù),保證信號(hào)傳輸?shù)目煽啃裕苊馄渌盘?hào)的干擾。
3)CC2430芯片的低功耗,延時(shí)短,協(xié)議框架簡(jiǎn)單,安裝方便。
3 LED路燈照明與傳統(tǒng)的路燈照明的比較
我國(guó)"十一五"規(guī)劃明確提出了節(jié)能減排的主要目標(biāo),單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗比"十五"期末降低20%左右,主要污染物排放總量減少10%.全球每年照明用電要達(dá)到2 400億度以上,如果一半的傳統(tǒng)照明光源被I.ED照明光源取代可節(jié)省700億度電,相當(dāng)于700億元。在環(huán)保方面,中國(guó)每年至少要用30億個(gè)燈泡和日光燈管,產(chǎn)生30萬(wàn)t很難回收的玻璃垃圾,還有2萬(wàn)1Kg的劇毒汞,對(duì)環(huán)境造成巨大的污染。隨著LED行業(yè)技術(shù)發(fā)展的不斷成熟,加上國(guó)家政策的支持和導(dǎo)向,目前國(guó)內(nèi)外眾多傳統(tǒng)照明巨頭紛紛投入到半導(dǎo)體照明的開(kāi)發(fā)中,根據(jù)"十一五"規(guī)劃,未來(lái)我國(guó)將開(kāi)展十大節(jié)能工程,其中綠色照明,推廣高效節(jié)電照明系統(tǒng)將是一個(gè)重要內(nèi)容。
目前道路照明仍以高壓鈉燈或金鹵燈光源為主,LED照明主要采用LED作為發(fā)光光源。LED路燈尚處于示范推廣向大規(guī)模應(yīng)用的過(guò)渡階段。但是隨著產(chǎn)品穩(wěn)定性的提升和產(chǎn)品價(jià)格的下降,I.ED路燈具有非常強(qiáng)的成長(zhǎng)性。相對(duì)于傳統(tǒng)路燈,LED照明道路具有以下優(yōu)勢(shì):
1)擴(kuò)大了照明范圍,2)提高了照明均勻度,3)低能耗(相同照度下能耗僅為高壓鈉燈的40%,節(jié)能50%以上),4)長(zhǎng)壽命(有效使用壽命長(zhǎng)達(dá)70 000h),5)智能控制,免維護(hù),環(huán)保無(wú)污染等。
4 LED照明控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
照明控制的節(jié)能是全球普遍關(guān)注的問(wèn)題,照明節(jié)能一般可以通過(guò)兩條途徑實(shí)現(xiàn):一是使用高效的照明裝置(例如光源,燈具和鎮(zhèn)流器),二是智能感應(yīng)的控制,在需要照明時(shí)使用,不需要照明時(shí)關(guān)斷,盡量減少不必要的開(kāi)關(guān)燈時(shí)間,開(kāi)關(guān)燈的數(shù)量和過(guò)高的照明亮度,這點(diǎn)就需要通過(guò)照明控制實(shí)現(xiàn),即ZigBee技術(shù)。本文正是從這兩個(gè)方面為出發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)了此系統(tǒng)。
通常,LED照明控制系統(tǒng)包括:傳感器單元、無(wú)線收發(fā)與處理器控制單元、LED驅(qū)動(dòng)電路與照明單元、控制中心路燈監(jiān)控與管理系統(tǒng)單元。本系統(tǒng)采用樹(shù)型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)路燈進(jìn)行多條路由控制,系統(tǒng)里控制中心的監(jiān)控系統(tǒng)作為整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器,若干個(gè)FFD設(shè)備作為路由節(jié)點(diǎn),RFD設(shè)備作為系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)路協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò),顯示相關(guān)的控制信息和當(dāng)前路燈自動(dòng)控制無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)狀況。FFD路由節(jié)點(diǎn)可以安裝在道路旁邊,連接成串狀作為無(wú)線節(jié)點(diǎn)的中繼控制器,可以轉(zhuǎn)發(fā)下一級(jí)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上傳的信息,達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。同時(shí)它可以作為燈桿上的微處理器,用來(lái)控制路燈的打開(kāi)和關(guān)閉。為了降低成本,RFD節(jié)點(diǎn)作為系統(tǒng)中的末端節(jié)點(diǎn)放置在路的盡頭。它按照接收到的無(wú)線信號(hào)指令控制自己的路燈狀態(tài)。
5 LED照明控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
無(wú)線智能照明系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)3種。其中,協(xié)調(diào)器的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1協(xié)調(diào)器的硬件框圖
協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)帶有4個(gè)獨(dú)立按鍵,用來(lái)設(shè)置整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)和發(fā)送控制命令,24×2字符(5×8點(diǎn)陣)是漢字字符點(diǎn)陣液晶模塊用于顯示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息。微控制器輸出開(kāi)關(guān)量直接完成對(duì)照明燈的開(kāi)關(guān)控制。另外,協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)還帶有亮度傳感器,用于感測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的亮度信息。當(dāng)亮度傳感器測(cè)得光線太亮,如晴朗的白天,即可自動(dòng)關(guān)閉路燈,當(dāng)亮度傳感器測(cè)得光線太暗,如夜晚或者陰雨天,即可調(diào)高路燈亮度。
系統(tǒng)只需在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上集成亮度傳感器,即可通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)向各個(gè)燈節(jié)點(diǎn)傳輸控制信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)照明系統(tǒng)的智能控制、成本低廉,也可以一個(gè)節(jié)點(diǎn)上增加多個(gè)傳感器備用。當(dāng)然也可以將亮度傳感器做成一個(gè)單獨(dú)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),用于感測(cè)現(xiàn)場(chǎng)不同位置的亮度信息。圖2是系統(tǒng)的硬件電路圖。
圖2系統(tǒng)的硬件電路圖
本設(shè)計(jì)采用CC2430無(wú)線通信模塊,CC2430芯片是首款符合ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)單芯片,片內(nèi)集成增強(qiáng)的8051微控制器內(nèi)核和符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz射頻收發(fā)器,具有優(yōu)良的無(wú)線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性能,處于休眠模式時(shí)整個(gè)芯片的電流消耗小于0.9uA,從硬件上支持CSMA/CA機(jī)制,還集成有ADC,AES安全協(xié)處理器和USART等片上外設(shè)及豐富的I/O口資源,只需添加晶振等少量的元器件即可完成ZigBee節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。由于CC2430中帶有一個(gè)8位的8051微控制器,所以在硬件設(shè)計(jì)中可以省去了微控制器模塊,降低傳感器節(jié)點(diǎn)的成本,減小傳感器節(jié)點(diǎn)的體積。但是此設(shè)計(jì)中加入微控制器模塊,為了適應(yīng)更高的性能要求。CC2430的射頻信號(hào)是采用差分方式,本設(shè)計(jì)采用50Ω單極子天線。[!--empirenews.page--]
本設(shè)計(jì)采用LX1970可見(jiàn)光亮度傳感器。
LXl970是一種能實(shí)現(xiàn)人眼仿真的集成化的可見(jiàn)光亮度傳感器,峰值發(fā)光波長(zhǎng)為520 nm,電流靈敏度為0.38uA/lx,暗電流為10 nA.非線性誤差小,重復(fù)性好。兩個(gè)互補(bǔ)輸出端的電流不對(duì)稱度僅為士0.5%,可任選一端作為輸出。外圍電路簡(jiǎn)單,價(jià)格低廉,使用方便,微功耗,低壓供電。采用2~5.5V電源,電源電流可低至85肛A(典型值)。工作溫度范圍為一40~+85℃。其外形尺寸僅為2.95 mmX 3 mmX1 mm。
6 LED照明控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)基于TI公司推出的跟CC2430芯片配套的Z-Stack協(xié)議棧和IAR集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。Z-Stack在業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先水平,目前還在不斷完善和增強(qiáng),其最新版本Z-Stack 1.4.2,通過(guò)ZigBee測(cè)試機(jī)構(gòu)德國(guó)萊茵集團(tuán)的ZigBee兼容性測(cè)試,符合Zig-Bee 2006 specification,已被全球眾多ZigBee應(yīng)用開(kāi)發(fā)廠家所采用,支持多種硬件平臺(tái)。
在智能型LED路燈控制無(wú)線網(wǎng)絡(luò)工作的過(guò)程中,網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器會(huì)定時(shí)檢測(cè)有無(wú)按鍵按下,用以執(zhí)行相應(yīng)的電源開(kāi)關(guān)命令。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器處于空閑狀態(tài)時(shí),會(huì)監(jiān)聽(tīng)空中的無(wú)線信號(hào),判斷有無(wú)新的節(jié)點(diǎn)要加入網(wǎng)絡(luò),有則為其分配網(wǎng)絡(luò)地址。考慮到現(xiàn)場(chǎng)需要,協(xié)調(diào)器還可以控制某路段的燈亮,由其發(fā)送指令的目標(biāo)地址所決定。FFD節(jié)點(diǎn)通常處于監(jiān)控狀態(tài),如果接收到電源開(kāi)關(guān)的命令,則執(zhí)行命令,并確定是否轉(zhuǎn)發(fā),同時(shí)根據(jù)亮度傳感器的返回值確定路燈的開(kāi)關(guān),以到達(dá)智能化節(jié)能控制。RFD節(jié)點(diǎn)的功能更簡(jiǎn)單,只需監(jiān)聽(tīng),根據(jù)光線的強(qiáng)弱執(zhí)行命令。下面圖3,圖4,圖5分別是3種節(jié)點(diǎn)的通信流程圖。
圖3 FFD路由節(jié)點(diǎn)流程圖
圖4 RFD末端節(jié)點(diǎn)流程圖
圖5協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)流程圖
7結(jié)論
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展和人們物質(zhì)生活水平的提高,家居、交通智能化正成為國(guó)內(nèi)外的一個(gè)研究熱點(diǎn)。本項(xiàng)目根據(jù)實(shí)際需要完成了智能型LED路燈控制系統(tǒng)的硬件,軟件實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)充分利用了ZigBee低速率,低功耗和自配置的特點(diǎn),降低了系統(tǒng)檢修的復(fù)雜性。同時(shí)降低了系統(tǒng)的成本。隨著技術(shù)水平的不斷完善,相關(guān)產(chǎn)品的價(jià)格會(huì)逐步降低,巨大的民用市場(chǎng)將是最終的發(fā)展方向。該系統(tǒng)在提高照明系統(tǒng)的信息化、智能化程度的同時(shí),特大大降低了電能的浪費(fèi),符合國(guó)家節(jié)能減排的發(fā)展戰(zhàn)略,定會(huì)在智能交通和智能家居等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。