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摘 要：为了降低路灯系统的能耗，提出一种基于ZigBee的路灯节能系统解决方案，该方案将ZigBee技术与传统路灯控制模块相结合，可实现路灯的定时开与关，根据光照与环境自动调节亮度，能自动检测并定位故障发生点等功能。通过试验，该系统具有成本低，能耗低，易维护等优点。
关键词：ZigBee；节能；定时开关；亮度调节；故障检测
1 引 言
随着经济的快速发展，路灯系统越来越多地出现在城市的道路及小区中。传统路灯采用“全夜灯恒照度”方式照明，控制方式仍然是简单的光控、时控等非智能模式。传统路灯系统存在着电能消耗大，使用寿命短，人工操控，故障巡查难度大，维修效率低下等缺点。由于对节能以及可持续发展的需求越来越高，需要应用一些新技术去改良传统的路灯系统[3-4]。
从路灯节能系统的成本、可靠性、信息化、应用前景等方面考虑，使用新兴的无线网络技术——ZigBee技术，具有低功耗、低复杂度、短延时、低成本的特点[1，7]。而LED有能效高、寿命长、体积小、响应速度快的特点，与普通白炽灯和荧光灯相比，在节能环保方面具有明显优势。采用ZigBee无线技术结合LED节能路灯将可以更好地实现路灯节能系统的人性化、可靠性高、低成本的目标[5]。本设计是基于CC2530的ZigBee无线小区路灯节能的模拟系统方案，它的主要功能包括：定时提供光照、按需调节路灯光强，可根据外界的条件对路灯实现智能化控制，可实施智能检修，定位故障点，从而达到人性化节能效果，并为路灯管理提供便利。
2 系统总体结构
2.1系统的结构
2.2系统的功能
（1）路灯节点设备模块：路灯节点设备模块由LED控制电路和ZigBee终端节点（或ZigBee路由节点）两部分组成，其中LED控制电路连接模拟路灯使用的高亮LED灯，而ZigBee终端节点（或ZigBee路由节点）上带有ZigBee无线模块，采用的是片上系统CC2530作为微控制器。
（2）路灯控制中心模块：路灯控制中心模块包括PC上位机的系统控制界面和ZigBee协调器两部分，两者之间使用串口通信。当系统开始运行时，ZigBee协调器与全部ZigBee终端节点（或ZigBee路由节点）形成无线通信网络并且将所有节点信息通过串口发送到PC上位机，该信息由PC上位机的系统控制界面显示，在该控制界面下可显示与ZigBee协调器组成网络的所有节点设备，并且可通过控制界面对相应节点进行控制操作，如：节能定时、单/多个LED等控制等。ZigBee协调器接收到来自控制界面发送过来的命令信息又通过无线通信网络传达到相应的节点设备。
3 硬件设计
本系统采用TI公司开发的2.4GHz ZigBee片上系统解决方案CC2530的无线单片机方案。TI公司免费提供了ZigBee联盟认证的全面兼容IEEE802.15.4与ZigBee2007协议规范的协议栈代码和开发文档，并为提供了丰富的开发调试工具[2]。
4 软件设计
小区路灯的范围比较大，考虑到它的距离以及传输延迟，采用网状结构进行组网，使用多跳路由的方法构建小区路灯节能系统，能够带来减少传输延迟以及提高系统的可靠性等两方面优点。小区路灯节能系统由协调器、若干的路灯路由器、若干路灯终端节点所构成，管理员通过与协调器相连的中心管理控制界面对各个路灯节点进行控制，能实现开关、定时开关等功能。系统采用了ZigBee技术与传统的路灯控制方法相结合的方法进行控制，终端节点上的检测电路会检测节点是否能正常工作，如果发生故障，会发送相关的故障提示信息及位置信息到中心控制界面，提示管理员检修。如果终端节点是正常的情况下，路灯控制电路会根据实时的环境如人流及车流来进行有效地控制路灯的亮度以及亮的时间来进行节能，从而使得路灯的控制与检修实现了智能化，节能环保，提高效率。
小区路灯节能系统的主程序运行流程图如图4所示，协调器上电后，根据编译时指定的参数，选择适合当前通信环境的网络号以及信道来建立网状网，路由器与终端节点相继加入网络，协调会发出相应的控制命令。
5 中心控制界面
中心控制界面在PC机上进行实现，协调器与PC机通过串口进行控制。在界面启动时可以选择对应的串口通信参数，如串口号，波特率等。在界面上，会显示网络中的所有节点。点击对应的节点，即可以对亮点，开关，定时开关进行控制，同时会把灯的亮点通过一个实物图像来模拟亮度的变化。同时，在低优先级的终端节点可以根据实际环境对路灯进行控制，并把实时的亮灯回传用图像显示。具体的中心控制界面如图5所示。
6 结论
本文通过实现基于ZigBee的小区路灯节能系统，可以实现定时、开关，定位故障路灯的位置，终端节点根据实现车流与行人的情况对路灯的亮度以及工作时间进行控制，实现路灯控制系统的节能、智化检修、定时控制等功能。该系统具有低成本，结构简单，无人值守且能有效地节电能等优点，能够长时间稳定地工作，具有很高的应用价值。
参考文献：
[1] 王小强， 欧阳骏， 黄宁淋. ZigBee无线传感器网络设计与实现[M]. 北京：化学工业出版社， 2012-05.
[2] 李文促，段朝玉.ZigBee2007/PRO协议栈实验与实践[M].北京：北京航空航空大学出版社，2009.
[3] 贺一鸣. 智能路灯控制系统设计与应用研究[J]. 现代电子技术，2010.
[4] 周海. 智能路灯节能控制系统研究[D]. 武汉理工大学，2009.
[5] 汤镇辉，张正明. 基于CC2530的ZigBee无线路灯节能智能监控系统[J]. 应用奇葩，2011，30（19）
[6] 高守玮，吴灿阳. ZigBee技术实践教程[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2009-06.
[7] Shahin Farahani. ZigBee Wirless Networks and Transceivers[M]. 北京：北京航天航空大学出版社，2013-08.
关键词：ZigBee；节能；定时开关；亮度调节；故障检测
1 引 言
随着经济的快速发展，路灯系统越来越多地出现在城市的道路及小区中。传统路灯采用“全夜灯恒照度”方式照明，控制方式仍然是简单的光控、时控等非智能模式。传统路灯系统存在着电能消耗大，使用寿命短，人工操控，故障巡查难度大，维修效率低下等缺点。由于对节能以及可持续发展的需求越来越高，需要应用一些新技术去改良传统的路灯系统[3-4]。
从路灯节能系统的成本、可靠性、信息化、应用前景等方面考虑，使用新兴的无线网络技术——ZigBee技术，具有低功耗、低复杂度、短延时、低成本的特点[1，7]。而LED有能效高、寿命长、体积小、响应速度快的特点，与普通白炽灯和荧光灯相比，在节能环保方面具有明显优势。采用ZigBee无线技术结合LED节能路灯将可以更好地实现路灯节能系统的人性化、可靠性高、低成本的目标[5]。本设计是基于CC2530的ZigBee无线小区路灯节能的模拟系统方案，它的主要功能包括：定时提供光照、按需调节路灯光强，可根据外界的条件对路灯实现智能化控制，可实施智能检修，定位故障点，从而达到人性化节能效果，并为路灯管理提供便利。
2 系统总体结构
2.1系统的结构
2.2系统的功能
（1）路灯节点设备模块：路灯节点设备模块由LED控制电路和ZigBee终端节点（或ZigBee路由节点）两部分组成，其中LED控制电路连接模拟路灯使用的高亮LED灯，而ZigBee终端节点（或ZigBee路由节点）上带有ZigBee无线模块，采用的是片上系统CC2530作为微控制器。
（2）路灯控制中心模块：路灯控制中心模块包括PC上位机的系统控制界面和ZigBee协调器两部分，两者之间使用串口通信。当系统开始运行时，ZigBee协调器与全部ZigBee终端节点（或ZigBee路由节点）形成无线通信网络并且将所有节点信息通过串口发送到PC上位机，该信息由PC上位机的系统控制界面显示，在该控制界面下可显示与ZigBee协调器组成网络的所有节点设备，并且可通过控制界面对相应节点进行控制操作，如：节能定时、单/多个LED等控制等。ZigBee协调器接收到来自控制界面发送过来的命令信息又通过无线通信网络传达到相应的节点设备。
3 硬件设计
本系统采用TI公司开发的2.4GHz ZigBee片上系统解决方案CC2530的无线单片机方案。TI公司免费提供了ZigBee联盟认证的全面兼容IEEE802.15.4与ZigBee2007协议规范的协议栈代码和开发文档，并为提供了丰富的开发调试工具[2]。
4 软件设计
小区路灯的范围比较大，考虑到它的距离以及传输延迟，采用网状结构进行组网，使用多跳路由的方法构建小区路灯节能系统，能够带来减少传输延迟以及提高系统的可靠性等两方面优点。小区路灯节能系统由协调器、若干的路灯路由器、若干路灯终端节点所构成，管理员通过与协调器相连的中心管理控制界面对各个路灯节点进行控制，能实现开关、定时开关等功能。系统采用了ZigBee技术与传统的路灯控制方法相结合的方法进行控制，终端节点上的检测电路会检测节点是否能正常工作，如果发生故障，会发送相关的故障提示信息及位置信息到中心控制界面，提示管理员检修。如果终端节点是正常的情况下，路灯控制电路会根据实时的环境如人流及车流来进行有效地控制路灯的亮度以及亮的时间来进行节能，从而使得路灯的控制与检修实现了智能化，节能环保，提高效率。
小区路灯节能系统的主程序运行流程图如图4所示，协调器上电后，根据编译时指定的参数，选择适合当前通信环境的网络号以及信道来建立网状网，路由器与终端节点相继加入网络，协调会发出相应的控制命令。
5 中心控制界面
中心控制界面在PC机上进行实现，协调器与PC机通过串口进行控制。在界面启动时可以选择对应的串口通信参数，如串口号，波特率等。在界面上，会显示网络中的所有节点。点击对应的节点，即可以对亮点，开关，定时开关进行控制，同时会把灯的亮点通过一个实物图像来模拟亮度的变化。同时，在低优先级的终端节点可以根据实际环境对路灯进行控制，并把实时的亮灯回传用图像显示。具体的中心控制界面如图5所示。
6 结论
本文通过实现基于ZigBee的小区路灯节能系统，可以实现定时、开关，定位故障路灯的位置，终端节点根据实现车流与行人的情况对路灯的亮度以及工作时间进行控制，实现路灯控制系统的节能、智化检修、定时控制等功能。该系统具有低成本，结构简单，无人值守且能有效地节电能等优点，能够长时间稳定地工作，具有很高的应用价值。
参考文献：
[1] 王小强， 欧阳骏， 黄宁淋. ZigBee无线传感器网络设计与实现[M]. 北京：化学工业出版社， 2012-05.
[2] 李文促，段朝玉.ZigBee2007/PRO协议栈实验与实践[M].北京：北京航空航空大学出版社，2009.
[3] 贺一鸣. 智能路灯控制系统设计与应用研究[J]. 现代电子技术，2010.
[4] 周海. 智能路灯节能控制系统研究[D]. 武汉理工大学，2009.
[5] 汤镇辉，张正明. 基于CC2530的ZigBee无线路灯节能智能监控系统[J]. 应用奇葩，2011，30（19）
[6] 高守玮，吴灿阳. ZigBee技术实践教程[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2009-06.
[7] Shahin Farahani. ZigBee Wirless Networks and Transceivers[M]. 北京：北京航天航空大学出版社，2013-08.