基于Zigbee的无线网络风光互补LED路灯监控系统设计

王少用 杨金明

华南理工大学电力学院，广东省 广州市 510640

基于Zigbee的无线网络风光互补LED路灯监控系统设计

王少用 杨金明

华南理工大学电力学院，广东省 广州市 510640

本文介绍了一种基于ZigBee技术的风光互补LED路灯的监控系统。它能及时、准确的检测到蓄电池电压、电流、太阳能电池板等路灯的各项参数，并通过GPRS上传至监控中心，又能对路灯的开关及亮度等进行控制，方便管理和维护，具有巨大的市场应用价值。

Zigbee；无线监控系统；LED路灯

引言

随着风光互补LED路灯系统的普及和推广，如何保证路灯的安全、稳定、可靠运行将成为新的问题和难点。完全依赖光电控制或值班人员进行手动控制传统的路灯的控制方式由于控制的不稳定，可靠性差等因素肯定是行不通的。近年来随着Zigbe技术的应用和快速发展，于是提出了将Zigbee技术应用于风光互补路灯的控制系统，并与GPRS相结合实现路灯的远程监控，它具有自动化程度高、运行可靠、高效节能、维护方便、便于控制等显著特点，本文将研究其具体的实现方法。

1 Zigbee 技术

Zigbee技术是近几年兴起的一种短距离无线通信技术，其工作于免费的ISM频段（2.4GHz），它主要用于低成本、低功耗、低复杂度、低数据速率、近距离、高容量、高可靠性的多设备联网应用。它是基于IEEE 802.15.4无线标准研发而成的，IEEE 802.15.4仅处理MAC层和物理层协议，Zigbee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。

根据功能的不同，IEEE 802.15.4把网络中的设备分为全功能设备（FFD）和半功能设备（RFD）。FFD实现了IEEE 802.15.4协议全部功能，而RFD则根据特定应用需要只实现了协议中一部分功能。Zigbee协议定义了三种类型的设备，即PAN协调器、路由器和终端设备。协调器为网络的总控制器，一个网络中只有一个。网络协调器和路由器必须是FFD。一个FFD可以和RFD通信，也可以和其他的FFD通信，而RFD之间不能直接通信，而只能与FFD设备通信。RFD在网络中只能作为终端设备，仅需简单的8为微处理器和4K的系统资源就能满足其协议功能。

网络协调器负责网络的建立和维护，以及管理网络密室；路由器除了实现应用功能外，还具有扩大网络覆盖、建立可靠数据路由路径等功能；终端设备只实现应用功能，其数据由路由器接收和发送。

Zigbee技术具备强大的自组网能力，支持三种主要的自组织无线网络类型，即星型结构、网状结构和簇状结构。本文结合Zigbee技术、成本、可靠性和其他实际情况，设计了基于簇状结构的Zigbee网络的路灯控制系统，取得了很好的效果。

2 网络结构

路灯监控系统采用了Zigbee技术与GPRS技术相结合的无线簇状网络架构作为数据传输媒介。其网络示意图如图1所示。

每盏LED路灯配备一个Zigbee通信芯片，网关节点、路由节点、终端节点组成以网关节点为根节点的树状网的LED路灯子网。网关节点通过GPRS技术接入互联网，从而与控制中心建立联系。路由节点、终端节点选择附近层数（离网关节点的跳数）最小、强度最强的节点作为自己的父节点。Zigbee网络协调器负责建立网络和管理网络，从而形成一个Zigbee子网，远程控制中心通过GPRS网络与各个Zigbee子网通信，形成整个城市的大区域远程监控网络。

图1 网络示意图

网关节点无线通信模块选择合适的频道作为本子网的频道。然后定期发送信标消息，表明自己的存在。

路由节点启动时，搜索各频道，根据网关节点/上级路由节点的信标消息选择层数最小、强度最强的节点，发送加入请求信令，提交本节点物理地址（用于节点唯一标识）、类型等信息。网关节点/上级路由节点为新节点分配网络地址（用于路由），返回加入响应信令。加入网络后的路由节点定期发送信标消息，内容包括节点网络地址、类型、层次。路由节点定期向上级节点上报自身状态信息以及下级节点的汇总信息。

终端节点启动时，搜索各频道，根据上级路由节点的信标消息选择层数最小、强度最强的节点，发送加入请求信令，提交本节点物理地址、类型等信息。上级路由节点为新节点分配网络，返回加入响应信令。终端节点定期向上级路由节点发送状态信息。路由节点维持下级节点地址及状态列表。路由节点需有机制告知终端节点已收到其状态信息。

当上级路由节点故障时，子节点重启加入程序，重新搜索上级节点，以致不影响整个网络的运行。

3 风光互补LED路灯节点的设计

本系统采用的无线收发器是CC2430，产自TI公司，是符合IEEE.802.15.4标准的片上Zigbee产品。它在单个芯片上整合了Zigbee射频（RF）前端、内存和工业级增强型8051微控制器。CC2430只需极少的外围器件就可工作。节点系统图如图2所示。

风能和太阳能经电力变换向蓄电池充电储存能量，控制器通过电压电流检测模块采样蓄电池充电电流电压，太阳能电池板的电流电压和风机输出的电压电流，经过控制算法，输出PWM信号驱动AC/DC,DC/DC 电路，实现最大功率跟踪及最大风能捕捉，并根据电压电流大小实现一定的保护功

图2 节点系统框图

能，CC2430和控制器经SPI接口通信，将电路运行的各种参数和故障及时的发送至网关，再整合处理发送至监控中心，并将控制中心下达的命令数据传送至控制器，CC2430根据情况控制LED路灯的开关和照度。

4 节点软件设计

本设计采用TI公司发布的Zigbee协议栈，这样能大大地简化软件部分的设计。Zigbee协议栈的开发主要是应用框架层（AF）和应用支持子层（APS）的修改并添加自己的驱动程序，网络层是以库的形式提供，通过调用接口函数可以加入网络和查询网络的状态，MAC层和物理层也不用去改动。由于在Zigbee协议栈中自带操作系统层（OSAL），除了初始化一些必要的变量，整个Zigbee的启动都以任务的方式完成启动。

Zigbee无线数据通信任务函数和LED路灯控制任务都运行在操作系统上，OSAL对任务时间进行触发来实现任务调度。每个任务包含若干事件，当一个事件产生时，对应任务的事件变量就被设置卫星应的事件号，这样事件调度程序就会调用相应的任务处理程序。其主程序流程图如图3所示。

5 结束语

将Zigbee无线技术应用于风光互补LED路灯的管理上，解决了以往路灯控制的诸多不足。在远程监控界面上能过观看每个路灯的运行情况及以往的运行操作记录，还能具体到控制每一盏灯的运行,能够实现智能化控制。Zigbee、风能、太阳能和LED路灯相结合，使系统具有综合成本低、可靠性高、功耗小、维护方便、智能化程度高等优点，具有良好的市场应用价值。

[1] 东莞勤.上光电股份有限公司.基于Zigbee+GPRS的LED路灯远程无线监控系统[J].照明工程学报.2009(8):103-105

[2] 关耀宗，胥布工.基于Zigbee网络的道路照明监控及节能系统.自动化与信息工程.2007，（4）

[3] 林方键，胥布工.基于Zigbee网络的路灯节能控制系统.控制工程.2009(5):324-326

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.061