基于ZLL技术的智慧路灯互联系统设计*

蔡彬彬

(江苏工程职业技术学院 建筑工程学院， 南通 226300)

基于ZLL技术的智慧路灯互联系统设计*

蔡彬彬

(江苏工程职业技术学院 建筑工程学院， 南通 226300)

本文深入研究了ZigBee Light Link(简称ZLL)技术的实现机理，提出了一种基于ZLL技术的智慧路灯互联系统的解决方案，给出了路灯互联拓扑结构图，设计了LED灯联网路灯节点装置。该装置包括路灯节点和ZLL网关，分析了路灯节点和ZLL网关的工作主要流程。通过该方案可构建LED智慧照明控制系统，实现了对照明系统的远程控制并可通过PWM进行路灯亮度调节，以达到使照明系统更加智能和节能的目的。

ZLL技术；路灯；LED

引 言

目前，智慧城市和智能建筑开始受到广泛的关注，而智慧照明是实现智慧城市建设体系中非常重要的一环，实现智慧照明，需解决好两个关键问题：

① 实现绿色照明，即照明节能技术。使用LED照明比传统钠灯节能近60%，随着技术的不断完善、行业的不断规范以及认知度的不断提高，国内户外照明中采用LED光源的越来越多，原有的户外照明将光源纷纷替换成LED，兴建道路及工程则大分部都使用LED光源。LED成为道路照明领域最为合适的电光源这一论断已被认可。

② 对照明的智能控制。随着物联网技术的发展，基于物联网的智慧照明系统成为可能，通过对城市的所有照明设施和景观设施安装智能控制器，各单灯智能控制通过现有的电力线进行通信连接，实现数据的传输。可将数据汇总到集中控制器，与监控中心进行远程通信，实现远程照明监测与控制。

ZigBee是一种结构简单、低功耗、低速率、低复杂度、低成本和可靠的无线网络通信技术，现在已广泛地用于工业控制、汽车自动化等领域。为深化ZigBee无线技术在智能照明领域的推广和发展，ZigBee联盟发布ZigBee Light Link标准(以下简称ZLL)[1-2]，为用户提供高效、灵活、易用的照明解决方案。

1 路灯控制总体结构设计

图1 基于ZLL的路灯互联系统总体架构图

基于ZLL技术的智慧路灯互联系统总体结构示意图如图1所示，包括计算机主机、ZLL路灯网关和ZLL路灯节点模块。ZLL网关负责ZigBee Light Link 协议与TCP/IP协议之间的转换，ZLL网关与ZLL路灯节点通过如图1所示的树型拓扑结构进行自组织网络连接，不同于传统ZigBee网络中网关充当协调器节点，在ZigBee Light Link协议中，ZLL路灯网关与ZLL路灯节点全部充当路由节点，所以，这种连接模式非常适合应用在路灯互联系统中。

2 基于ZLL硬件节点设计

路灯节点结构图如图2所示，本LED灯联网路灯节点主要包括DC电源和LDO稳压模块、CC2530片上系统、环境亮度监测模块、LED开关电源和LED路灯模组。

图2 路灯节点结构图

电源和稳压模块由DC电源和LDO稳压芯片构成，DC电源将220 V交流转变为5 V直流，LDO稳压模块由5 V供电，输出3.3 V直流电压，为主控制器模块进行供电，LDO稳压模块可采用REG1117-3.3芯片。

主控制器模块采用CC2530片上系统，具体型号为CC2530F256，支持ZigBee无线通信方式和ZigBee Light Link协议，以工业级8051微控制器为内核。

环境亮度监测模块选用照度传感器，与CC2530自带的12位A/D模数转换器进行连接，提供实时环境的亮度，根据亮度值改变PWM输出，直接利用CC2530自带的16位定时器生成PWM波形，再通过调整高电平和低电平的占空比，来调整LED路灯模组的亮度。

LED路灯模组包括驱动芯片NCP5106和Buck型LED开关电源，通过NCP5106芯片可改变Buck型LED开关电源的输出电压，从而改变LED路灯模组的亮度。

如图3所示，LED路灯模组采用四模组集成方式，单模组集成36颗LED灯珠，按特定方式进行排列组合以提高照度均匀性[3-5]。

图3 LED路灯模组结构

3 路灯网关设计

如图4所示，本LED灯联网路灯网关主要包括电源和稳压模块、主控模块和以太网模块。

图4 灯联网路灯网关结构图

电源和稳压模块由DC电源和LDO稳压芯片构成，DC电源将220 V交流转变为5 V直流，LDO稳压模块5 V供电，输出3.3 V直流，为主控制器模块进行供电。主控制器模块采用CC2530片上系统，支持ZigBee无线通信方式和ZigBee Light Link协议。以太网模块采用以太网接口芯片W5500，控制信号和数据通过W5500以太网接口芯片上传到上位控制主机。

4 嵌入式软件设计[6-7]

采用TI公司的Z-Stack协议栈，具体版本是Z-Stack Lghting1.0.2协议栈，该协议栈是针对ZLL应用开发的专用协议栈。软件开发平台选用IAR Eembedded Workbench，嵌入式软件设计包括路灯网关和路灯节点两个部分。

图5 路灯网关工作流程图

路灯网关工作流程图如图5所示，在传统的ZigBee方式中，网关通常作为协调器节点来组建ZigBee网络，而在ZigBee Light Link协议中，由于没有协调器节点的概念，网关作为路由器节点，承担组建ZLL网络的任务。网关上电复位后，首先进行系统初始化，包括硬件初始化和协议栈初始化；通过ZMain文件夹中的ZMain.C的ZSEG int main()函数来实现，程序如下：

HAL_BOARD_INIT(); //初始化硬件

zmain_vdd_check(); //电压检测

InitBoard(OB_COLD); //初始化I/O口线

HalDriverInit(); //初始化HAL层驱动

ZMacInit(); //初始化MAC层

osal_init_system(); //操作系统初始化

osal_start_system(); //开始启动OSAL

接着网关进行广播，网关发出scan request inter-PAN command frames 的广播包，通过RSSI来查找待配对的路灯节点，只需将网关与路灯靠近，ZigBee网关可自动发现路灯，并获得LED灯具的详细信息。

一旦发现有配对路灯节点，网关节点对路灯节点进行设备标识，路灯被发现后，会给出应答信息。网关发送一个COMMAND_IDENTIFY命令，该命令带一个参数：SAMPLEREMOTE_CMD_IDENTIFY_TIME。路灯节点收到Identify命令后会给予响应，则设备标识成功。

接着建立ZLL网络，ZLL网关发送一个network start request inter-PAN命令，调用命令如下：

ZStatus_t zllInitiator_BridgeStartNetwork(void);

//建立ZLL网络

ZStatus_t zllInitiator_PermitJoin(uint8 duration);

//允许路灯节点设备加入

网关等待上位机发送控制指令，并将指令转发给路灯节点。

如图6所示，为路灯节点工作流程图。上电复位后，路灯节点首先进行系统初始化，通过调用ZMain文件夹中的ZMain.C的ZSEG int main()函数来实现包括硬件初始化和协议栈初始化；该过程与网关节点初始化流程相同，不再复述。接着等待网关启动设备发现，成功被发现后，路灯节点通过发送Scan Response来响应设备标识，在收到网关节点发送的Identify命令后通过zllTarget_RegisterIdentifyCB回调函数给予响应。此时路灯节点设备标识成功。接着，路灯节点通过调用ZStatus_t zllTarget_PermitJoin(uint8 duration)函数加入网关发起的ZLL网络，等待网关发送的控制指令，并根据指令要求调用HalLedOnOff函数对路灯进行开、关控制，通过调用定时器函数以PWM方式进行路灯亮度调节。

图6 路灯节点工作流程图

结 语

[1] 宿为民. ZigBee Light Link 技术及其密钥管理机制[J].信息技术与标准化, 2013(7):38-45．

[2] 聂佳，沈克镇，胡宪立. 基于ZigBee Light Link 的智能照明系统的研究与应用[J].现代建筑电气, 2013,4(10):33-37．

[3] 邹淅，黄建国，赵迪，等. 非均匀芯片布局的LED模组散热性能研究[J].半导体光电, 2014,35(4):654-658．

[4] 黄建国，邹淅. 高出光率LED模组基板结构研究[J].半导体光电, 2014,35(5):828-832．

[5] 张云翠，刘龙，汪广业，等. 新型大功率LED路灯设计与分析[J].光学技术, 2013,39(6):496-498．

[6] 范聪. 基于ZigBee的智能照明的研究与实现[D]. 成都：电子科技大学, 2015.

[7] 徐纯. 基于ZigBee无线通信的智能生活研究[D]. 上海：上海交通大学, 2013.

蔡彬彬(讲师)，主要研究方向为建筑智能化、LED灯联网。

Intelligent Street Lighting System Based on ZLL Technology

Cai Binbin

(Jiangsu College of Engineering and Technology,Nantong 226300,China)

In this paper,the realization mechanism of ZigBee Light Link(ZLL) technology is studied in depth.The intelligence street lamp solution of the interconnected system based on the ZLL technology is proposed.The street lamp interconnection topology structure diagram is given,and the LED lamp network street lamp nodes device is designed,which includes the street lamp nodes and the ZLL gateway.The main work process of the street lamp nodes and the ZLL gateway are analyzed.Through this scheme,the LED intelligent lighting control system can be constructed,which can realize the remote control of the lighting system and adjust the brightness of the street lamp through PWM,so as to achieve the goal of more intelligent and energy-saving lighting system.

ZLL technology;street lamp;LED

1. 2015年度江苏省建设系统科技项目及科技示范工程项目《基于统一技术平台的户外LED灯模组产品研究与开发》(项目编号：2015ZD19);2. 2016年度江苏高校“青蓝工程”培养对象资助项目;3. 2015年江苏工程职业技术学院优秀青年科技人才培养对象资助项目。

TN312.8

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�迪娜

2016-10-28)