基于ZigBee的路灯智能控制系统设计

张 虎

（北京亿来置业有限公司，北京101400）

0 引言

随着城市化进程的加快，城市路灯建设的速度和规模也相应增加，路灯正常照明所消耗的电能在整个交通系统中占据重要的比重，据某月相关资料统计，我国路灯耗电高达135亿kW·h［1］。为更好地适应公路建设需求，交通部门确定了以“智能交通”为核心的建设项目，而对于路灯的控制，一方面要求更加灵活，便于实现远程控制，另一方面也需要考虑在满足照明需求的前提下尽可能地节省电能。在这个基础上，本文确定了以ZigBee为核心的路灯智能控制方案，路灯节点利用组网简单、性价比高的无线单片机，利用无线单片机控制路灯的开关，通过中心节点的连接，使用GPRS通信将路灯与远程监控中心相联系，实现路灯的远程、智能化监控。

1 路灯智能控制方案

1．1 ZigBee协议栈框架

协议栈是网络数据交换所遵循的规则结合，例如两个系统交互时，一个系统的应用层与另一个系统的应用层之间信息交互要通过各层协议来实现。ZigBee协议栈主要包括物理层（PHY）、介质访问控制层（MAC）、网络层、应用层（APL）及安全服务提供层5部分。其中，PHY和MAC的协议标准参考国际电联的IEEE802．15．4，剩余各层的协议规范由ZigBee联盟给出。

1．2 ZigBee路灯设计的一般原则

对于ZigBee路灯设计，一般遵循以下几个原则：（1）路灯控制节点应该具有体积小、安装方便等特点。（2）路灯节点的硬件部件应便于扩展和日后维护。（3）路灯节点应具有一定的稳定性和可靠性。主要表现为，硬件方面有较高的适应环境能力，保证在高温、潮湿等环境下可靠运行，在软件方面可操作性和移植性好。（4）设计的系统具有可观的性价比。

1．3 ZigBee智能路灯控制方案

对于ZigBee智能路灯的控制，在遵循基本设计原则的前提下，确定了以微处理器为核心的节点收发控制方案，如图1所示。

图1 ZigBee智能路灯控制方案

路灯1、2、…、n通过各自的微处理器控制，利用微处理器所连接的无线模块，通过ZigBee协议实现微处理器与中心节点的信息交互，即实现路灯节点与中心节点的交互，中心节点把所收集到的路况信息，由GPRS通信传给远程中心，远程中心根据控制算法发出控制指令，由GPRS传给中心节点，再通过ZigBee协议将控制命令传给对应路况的路灯节点。其关键的技术表现为：（1）传感器对路况信息的采集与判断。利用光强传感器，对路况光照强度进行采集，经放大、滤波，信号在路况中心节点的微处理器上进行分析，如果光照强度小于给定，那么中心节点一方面通过GPRS与远程计算机交互，发出待“开灯”指令，另一方面通过ZigBee控制中心节点所对应的几个路灯做出相应的动作。（2）路灯的节能管理与控制。利用振动传感器，采集路上行人、车辆的信息，按上述控制机理，在采集的振动信息高于最低人行振动时，路灯开启，否则，路灯自动关闭，实现路灯的节能控制［2］。（3）网络的构建与实现。ZigBee网络由局部路段中心节点和对应路段路灯节点组网，GPRS网络由各中心节点与远程控制计算机组网。

2 ZigBee路灯节点的硬件设计

ZigBee路灯节点的组成如图2所示，微处理器是路灯节点的主要组成部分，其功能包括采集路况信息、电压电流信息，接收来自控制中心的指令，发送路况与监测数据等。传感器模块主要完成路面振动、光强等信息的采集，经运算放大器、滤波、A／D转换传给微处理器；ZigBee模块主要是实现路灯节点与中心节点的信息交互，便于实现采集信息和待执行指令之间的信息交互；路灯控制模块主要控制路灯的照射亮度、开关等，可根据路面振动、光照等，结合采集的电压、电流，对路灯光照亮度进行调节。

图2 路灯节点的组成

3 ZigBee路灯节点的软件设计

3．1 ZigBee路灯节点的协议栈软件构建

根据相关的国际标准，ITU与ZigBee联盟规定的ZigBee协议栈，其操作和信号传输需要在一个协议规则的帮助下，使用IEEE802．15．4。对于协议规定的ZigBee通信，一般采用原语来实现，ITU和ZigBee联盟相关标准定义了多种原语规则，要想真正实现原语的相互交互，完成数据信息的通信，在很大程度上还需要借助于软件编译，即通过软件算法，将原语和控制算法、数据信息相匹配，完成通信规则［3］。

在ZigBee协议栈软件中加入基于轮转查询式的应答模式，例如路灯节点需求“打开”，这样就会通过应答，将该路灯节点加入无线网络，与协调器进行交互，完成数据通信。应答方式的操作主要是基于多种事物共同作用的结果，对于一个无线节点的加入，往往需要探寻多个目标，完成信息的收发，而为了方便，可使所有的探寻过程在同一个程序目录下实现，然后根据路灯的实际位置和路灯控制的具体要求来调用某个路灯对应的事件处理函数，进入该任务的事件处理函数之后，再根据路灯信号来判别是该任务的哪一种事件发生，进而执行相应的事件处理。

3．2 路灯的软件控制

在中心节点网络协调器，首先初始化微处理器，然后程序开始初始化协议栈和开中断，并在此基础上建立一个新的网络。如果只需要一段路灯亮，可以修改地址，只让靠近网络协调器一段的路灯亮。也就是第几个路由器，就以该路由器的物理地址发送开关命令，这样路灯就只会从网络协调器亮到该路由器，此路由器后面的路灯就不会亮了。

4 结语

利用ZigBee和GPRS相结合的手段实现路灯的智能化控制是路灯照明发展的重要方向之一，随着无线技术的进一步发展，与有线传输相比，其通信质量、通信效率都得到较大的提升。本文针对路灯的智能控制，分析并确定了路灯控制的基本方案：利用微处理器所连接的无线模块，通过ZigBee协议实现微处理器与中心节点的信息交互，中心节点把所收集到的路况信息，由GPRS通信传给远程中心，远程中心根据控制算法发出控制指令，由GPRS传给中心节点，再通过ZigBee协议将控制命令传给对应路况的路灯节点，可实现路灯的远程、智能控制。

［1］Akyildiz I F，Su W．Wireless Sensor Networks：A Survey［J］．Computer Networks，2002（4）

［2］张伟，王宏刚，程培温．基于GPRS的智能路灯远程监控系统的研究［J］．计算机测量与控制，2010（9）

［3］网蜂团队．ZigBee实战演练［Z］