基于ZigBee技术的某工厂智能路灯改造研究

邢焱哲，肖文欢，冯 桂，吴家奎

（中海福陆重工有限公司，广东 珠海 519000）

1 系统方案设计

1.1 工厂路灯系统现状

该工厂现场地中已投入使用的122盏路灯均为150 W LED路灯。路灯控制中心位于二号门保安室内，共有四段线路，分别对应现场四个线路区域的路灯，并通过分合闸的方式开启或关闭路灯。该工厂目前使用的LED路灯控制方式为：手动、自动切换控制，在自动模式下，路灯会根据预设时间点自动点亮和关闭路灯；手动模式下，则需要人为地开合闸来点亮和关闭路灯。该工厂在工程赶进度期间，夜间厂区内常有作业车辆行驶和工人行走，需要路灯提供正常照明。而在正常作业期间，夜间厂区行驶车辆较少，这时若仍用额定功率进行照明便会造成电能浪费[1-5]。由此可知，目前路灯系统主要有如下特点：控制方式老旧、节能效果差、无故障监测。

1.2 智能路灯方案设计

已知该工厂路灯基建已完成，故在建造路灯时引入有线通信控制的方式已无法实现，无线通信控制成为必然选择。ZigBee无线通信有成本低、无需布线、功耗低的优势，十分适合用于无线通信控制。

基于ZigBee无线通信技术设计出如图1所示的由路灯管理中心、网络协调器、路由节点和路灯控制终端组成的智能路灯系统。

路灯管理中心下达指令，由RS485总线经网络协调器通过ZigBee无线网络将指令传递给路由节点，路由节点再将指令传达给子网内的路灯控制终端。反过来，系统中各节点搜集各个路灯电压、电流、行人及作业车辆、外界光照度等信息，通过ZigBee无线网络经路由节点和网络协调器，最终反馈到管理中心并进行分析。整个系统最终实现自动识别日照条件并作出开关灯的动作；检测各路灯回路、各路灯电压电流情况，实时反馈故障情况；没有夜间作业时，自动调低亮度实现节约电能；有车辆夜间作业时，自动识别作业车辆，退出节能模式进行正常照明。

2 系统硬件设计

出于减少改造的难度和降低硬件成本考虑，数量最多的路灯控制终端硬件应尽量简化，功能上集成开关灯的执行器、车辆传感器以及通信模块即可。这也决定了路灯控制终端将使用简化功能节点RFD（Reduced Function Device）。RFD节点仅可以与FFD进行通信。

图1 智能路灯系统结构

路由节点与路灯控制终端基本功能一样，亦能对路灯进行控制和监测车辆。不同的是，路由作为全功能节点FFD（Full Function Device），可以与其他FFD节点即其他路由和网络协调器进行通信。也就是说路由节点既是执行机构亦是连接路灯控制终端和网络协调器的信使。

网络协调器硬件除了基本的通信模块用于建立和维护Zigbee无线通信网络，为了可以监测外界光照度提供光照值给路灯控制中心判断是否需要开灯，还应集成光照传感器及其通信模块。下面对部分设备硬件组成模块进行介绍。

2.1 无线通信模块

作为除上位机之外各设备的基本硬件模块，无线通信模块采用CC2530模块，由美国德州仪器公司（TI）生产的真正CMOS系统芯片具有很好的稳定性。CC2530芯片是低成本、低功耗的2.4 GHz波频ZigBee应用代表。使用极低成本就可以搭建强大且稳定的通信网络。

2.2 LED调光电路

LED路灯需要可以起到恒定电流、稳定电压作用的LED驱动器作为开关电源，以驱动LED路灯灯珠。PT2407驱动芯片是非常合适的调光电路芯片，其良好的散热性能亦非常适合路灯灯柱封闭的环境中。PT2407通过控制流过LED路灯的有效电流时间可以实现对LED路灯亮度的控制。

2.3 光照度检测模块

光照度传感器其原理即为光敏原件，将光照强度转换为电信号供芯片处理。市场上封装成型的光照度传感器便可满足需求。考虑工厂厂区内的光照度差异不大，可只在网络协调器节点的硬件中集成光照度传感器，实现对区域光照度监测的同时节约了硬件成本。

2.4 电压电流测量电路

路灯状态监测通过由电压互感器、电流互感器等元件构成的电压电流测量电路实现。220 V电压市网电压通过微型电压互感器PT107以及微型电流互感器KCT103得到的二次侧电压、电流数值偏小，经过电压抬升电路即可满足CC2530芯片AD转换要求。

2.5 雷达检测电路设计

为了增加系统的稳定性和可靠性，可使用标准10.525 GHz的HB100微波模块。非工程建设高峰期时，夜里厂区内的行人和车辆较少，路灯亮度调节至50%。而工程建设高峰期内，即使在夜里，厂区内依然有行人和作业车辆，通过微波多普勒雷达探测行人和作业车辆信息，将行人和作业车辆所在的区域及临近区域路灯亮度调整为100%，并在行人和车辆远离后将亮度恢复成50%。

3 系统软件设计

3.1 网络协调器软件设计

首先对网络协调器的CC2530芯片进行初始化，建立一个新的ZigBee无线网络，然后进入无线监听状态接收其他设备数据，若有新节点申请加入网络则为其分配网络地址。若没有节点申请加入，则判断是否有来自路灯控制中心上位机或者下级路由节点的数据需要传输，并将相应数据传递给对应节点。因为网络协调器集成了光照度传感器模块，所以应定时将采集到的光照度信息通过RS485总线上传给路灯管理中心的上位机，供上位机判断是否需要开灯。

3.2 路由节点软件设计

首先对路由节点CC2530芯片进行初始化，搜索加入现有的ZigBee无线网络，成功加入后，接收上下级节点数据并传递给对应节点。路由节点联系着路灯控制终端和路灯管理中心，路由节点作为数据信息的中继点存在，在整个系统中起着重要作用。路由节点接收网络协调器传来的指令，通过路由节点灵活组网的特点将指令快捷高效地转发到路灯控制终端，为后者能高效、及时执行路灯管理中心的指令奠定基础。路由节点与路灯控制终端在硬件上并没有区别，只是在软件配置时分配了相应的功能，所以路由节点在充当路由的同时也可以起到路灯控制的功能[6]。

3.3 路灯控制终端软件设计

作为系统的执行器，路灯控制终端接收来自路由节点转发的指令，完成指令要求的操作，如开关路灯操作以及亮度调节。作为系统的传感器，路灯控制终端将采集到的路灯电流、电压、作业车辆信息通过ZigBee无线网络向上反馈。

路灯控制终端程序流程如下：首先对CC2530芯片进行初始化，搜索加入现有的ZigBee无线网络；成功加入后，扫描是否上级节点传来的数据，若有数据则按照数据中的指令进行开关灯操作；如果没有上级指令，则根据是否有车辆、行人向上反馈或定期向上反馈路灯状态信息。

3.4 路灯管理中心软件设计

路灯管理中心主要通过电脑上位机软件监控整个路灯控制系统，通过监控软件主界面可以实时查看系统中路灯运行状态，根据实时的路灯报警对路灯进行及时维护，有效保障厂区路灯照明安全。路灯管理中心上位机使用SQL Server数据库实现对路灯控制终端采集到的数据的存储，方便管理员获取路灯历史状态。

图2为路灯管理中心程序流程图，在硬件初始化完毕之后，首先根据来自网络协调器的外界光照度信息显示各路灯状态并判断当前光照度是否低于开启路灯预设光照值，如果判断为真，则下达路灯开灯并处于50%亮度命令。否则发送关灯命令。当路灯处于50%亮度状态下，根据路灯控制终端探测到的车辆行人信息，发送该区域及临近区域路灯100%亮度指令。

图2 路灯管理中心程序流程图

3 结 论

本文根据场地道路照明的结构和特点，提出了当前系统内存在的一些问题，并根据LED照明特性及其驱动方式，在ZigBee无线通信技术基础上，提出一套系统的改进方案。本方案可实现灵活控制路灯开启关闭、照度智能化调节、电参数测量、行人车辆智能监控等功能，利用上位机对数据进行分析、做出判断、发送指令，并创建SQL数据库进行数据存储。方案软硬件理论基础扎实，具有良好工程可行性。