基于ZigBee的智能小區LED路燈控制系統設計

? ? ? ? 隨著我國城市化建設的深入，大中型城市中智能化管理的高檔小區、花園別墅、綜合設施等( 以下統稱“智能小區”) 需要有與其配套的高效環保的智能化照明控制系統，要求在對照明設備信息的獲取和控制方式上做到遠程化、智能化、個性化?，F代智能小區的照明設計已不僅是小區道路和庭院的照明設計，往往還包括一些景觀照明設計。小區主干道照明、支路照明、綠化景觀照明可分別采用單獨回路供電，這樣可以根據不同需要，對各處的照明實行單獨控制，節約電能。

　　　1 ZigBee 協議應用于智能小區照明的優勢

　　ZigBee 技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適合于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入到各種設備中，同時支持地理定位功能。ZigBee 技術的較低數據速率以及較小通信范圍的特點決定其適合于承載數據流量較小的業務。

　　IEEE802. 15. 4 協議定義了兩個物理層標準，分別是2. 4GHz 物理層和868 /915MHz 物理層。2. 4GHz 波段為全球統一無需申請的ISM 頻段，有助于ZigBee 設備的推廣和生產成本的降低;為了避免干擾，除了2. 4GISM 頻段外，歐洲還采用868MHz 頻段，美國采用915MHz 頻段作為ZigBee 的工作頻段。這些頻段都比較近，對信號合成器的程序稍微改動，就可以使用相似的硬件，從而降低生產成本。

　　由于這兩個頻段上無線信號傳播損耗較小，可以降低對接收機靈敏度的要求，獲得較遠的有效通信距離，從而可以用較少的設備覆蓋較大的區域。ZigBee 網絡含3 種類型的節點，即協調器、路由器和終端設備，支持星狀、樹狀和網狀3 種網絡拓撲結構。

　　從ZigBee 協議特點可以看出，將ZigBee 無線傳感網絡用于智能小區路燈控制系統具有以下特點：短距離、小范圍傳輸，具有成本優勢;頻率范圍在小區內具有較強的抗干擾性，可以利用小區的地域特點選擇合適的網絡拓撲結構，并且組網簡單可靠;經過合理布局，在一個小區內能做到無任何通訊盲區，利用其地理定位的功能，便于對LED 路燈在小區分布區域進行管理。

　　2系統設計方案

　　如圖1 所示，整個系統由小區路燈監控與管理系統、無線傳感網絡、LED 路燈支路控制器、LED 路燈及驅動電路、ZigBee 終端支路控制節點和ZigBee 終端環境參數檢測節點組成。整個系統設計成依據小區環境參數( 如亮度、溫度、濕度) 自動運行，無需人工干預，并能及時檢測社區各路燈的工作狀態，及時跟蹤維護。智能小區信息管理中心( PC 監控臺) 負責監視整個社區路燈的運行情況，并能根據控制臺命令人工控制各路燈的開關、亮度，其用RS232 串口與ZigBee 網絡通訊;無線傳感網絡負責傳送監控臺的命令并搜集ZigBee 終端節點的狀態信息;終端節點負責LED 路燈的控制與驅動;ZigBee 終端支路電壓電流檢測電路用于檢測整個支路的電壓電流狀態;ZigBee 終端環境參數檢測電路用于檢測整個小區的環境參數，包括光線強度、溫度、濕度，以之作為ZigBee 終端控制的依據。

　　
圖1 系統組成方框圖

　? ? 2.1 ZigBee 組網設計

　　2. 1. 1 ZigBee 網絡開發工具的選擇

　　ZigBee 無線傳感網絡使用成都無線龍C51RF -3系統。其處理器采用TI 公司的CC2430，單個芯片上整合了ZigBee 射頻( RF) 電路和微控制器，它使用1個8 位MCU(8051) ，具有128kB 可編程閃存和8kB的RAM，還包含模擬- 數字轉換器( ADC)、定時器( Timer) 和AES128 協同處理器[4]。C51RF - 3 系統支持ZigBee2006 協議，是一款經濟、高效、方便、快捷、可重復使用的開發工具套裝，完全滿足IEEE802. 15. 4 標準和ZigBee 技術標準的無線網絡技術設計開發。在組網方面，C51RF - 3 系統能實現組建串狀網絡和星狀網絡。ZigBee2006 協議中默認參數為：最大路由深度MAX_DEPTH = 5，最多子節點數MAX_CHILDREN = 20，最多路由子節點數MAX_ROUTERS = 6，這三個重要的網絡參數決定了在默認情況下無線傳感網絡的大小[3]。在C51RF - 3 系統中，ZigBee 設備的無障礙無線傳輸距離可達到100m;在有障礙物的情況下，可靠傳輸距離超過30m，因此在小區內能方便地實現布網。對于一些大型社區，可通過修改網絡的最大路由深度和最多路由節點數來擴展其傳輸距離。在本系統的設計中采用星形網絡，如圖2 所示。

　　
圖2 系統的組網設計

　ZigBee 無線網絡開發平臺C51RF - 3 - PK 軟件開發平臺IAR Embedded Workbench( 簡稱EW) 對不同的微處理器提供一樣的直觀用戶界面[5]。在這個開發系統的Demo Code 中定義了3 種設備，分別是協調器(COORDINATOR)、路由器(ROUTER) 和終端節點( ENDDEVICE)。用戶在開發自己的應用程序時可通過改變編譯配置項，輕松開發出組建ZigBee 無線傳感網絡的各個設備，并且在其ZigBee 協議棧內嵌入了操作系統OS，具有任務的消息通信、超時反饋機制，用戶能很容易地擴充自己的應用程序。

　　ZigBee 網絡的節點尋址原理：ZigBee 網絡在初始化時，協調器依據網絡中每個終端的MAC 地址給每個節點分配一個16 位短地址，此地址在網絡中是唯一的，在協調器中建一個二維表，包括每個節點的MAC 地址及16 位短地址，依據此表，小區信息管理平臺能夠尋址到每一個節點，可以方便地實現對單盞燈的操作，也可通過廣播信息實現對ZigBee 網絡所有節點的控制。信息的轉發與路由則由網絡自動完成，不需要應用程序干預。

　　
圖3 智能小區網絡管理流程圖

　　2. 1. 2 ZigBee 網絡管理流程的設計

　　所有的ZigBee 網絡設備通電以后，ZigBee 網絡是自動組網的，經過一段時間后( 系統中可設定) ，網絡協調器將整個網絡狀態信息通過RS232 串口傳輸給上位機的小區路燈監控系統，形成監控平臺，在其上顯示基于地域的路燈圖形顯示信息。整個智能小區的LED 路燈管理方案采用四級控制策略，如圖3所示，其中小區管理員在配置好系統后，只有在緊急情況或特別情況下，才需要干涉LED 路燈照明系統的運行，并且可以監控整個照明系統的運行;智能小區的路燈監控系統采用基于日期的控制策略，在不同日期( 如節假日) 可以采用不同的照明方案;ZigBee網絡協調器則可以根據環境參數，如光線強度，啟動整個網絡的照明，特別是在一些比較特殊的天氣，如陰天、雷雨天氣，能夠自動開啟照明系統;LED 路燈的最終照明是通過ZigBee 終端來控制實施的，正常情況下，可采用基于時間的控制策略來控制LED 路燈的開關。

　　2. 2 路燈節點控制設計

　　路燈節點的控制方式可設計成兩種。第一種是基于單盞燈的控制方式，系統能單獨控制每盞燈的開關、功率、光色( 采用R、G、B 三色LED，根據三基色原理控制) ，這樣能方便地根據環境參數，如光強度、濕度、溫度，及時間設定特定的燈光控制策略，如在節假日可顯示不同的色彩及亮度;第二種是基于支路的控制方式，它通過控制支路的電源來實現，依據支路的電壓、電流傳感器測得的支路電壓和電流值來確定支路的工作功率及工作狀態是否正常。

　　LED 路燈驅動芯片采用PT4115，其最大功率為36W，對功率要求較大的場合可采用多塊PT4115 芯片組合。PT4115 是一款連續電感電流導通模式的降壓恒流源，其輸入電壓范圍為8 ～ 30V，輸出電流可調，最大可達1. 2A，根據不同的輸入電壓和外部器件，PT4115 可以驅動高達數十瓦的LED;PT4115 內置功率開關，采用高端電流采樣設置LED 平均電流，并可通過DIM 引腳接受模擬調光和很寬范圍的PWM 調光，DIM 引腳直流電壓的有效調光范圍是0. 5 ～ 2. 5V，當直流電壓高于2. 5V，輸出LED 電流保持恒定，并由(0. 1 /RS) 設定，系統則通過CC2430 I /O 口模擬產生PWM 波形來控制路燈的亮度，當DIM腳的電壓低于0. 3V 時，功率開關關斷，PT4115進入極低工作電流的待機狀態; 其轉換效率高達97% ，輸出電流精度達± 5% ;芯片具有過溫、過壓、過流、LED 開路保護等多種功能;采用SOT89 - 5 封裝，有利于驅動芯片管芯的快速散熱;其應用電路簡單，周邊僅4 個元器件，應用成本低廉。如圖4 所示。

　　
圖4 終端節點的控制電路

　3 總結

　　通過對基于ZigBee 技術的智能小區LED 路燈控制系統的研究，探討了在智能小區中ZigBee 技術的應用優勢及LED 路燈的應用特點，給出了系統的實現方案，可根據實際需求，制定多種具體的小區照明方案。