基于Zigbee的路灯无线控制系统设计与分析

2020-09-07曾晓敏

通信电源技术 2020年11期

曾晓敏

（武汉船舶职业技术学院，湖北武汉 430000）

0 引言

传统的路灯控制系统是通过电子线路实现相关指令的下达，令主系统对整个区域内的路灯实现协调性控制。但是，有线传输的形式对于系统资源消耗来讲，将占据一定的空间资源，且现场施工受地理环境、城市规划布局等影响因素较大，间接加大了成本耗用量。以Zigbee协议为基础的路灯控制系统，可有效将路灯终端设备与网络系统进行链接，通过相关网络传输协议的设定，有效摆脱路灯有线操控的局限性。路灯在实现操控时只需要依据传感器设备与协议之间的对接，便可进行远程操控，一定程度上极大地节省了电力成本的消耗，且通过网络建构信息高效传输环境，可提高路灯设备的实际运行质量。

1 Zigbee协议特性

Zigbee协议在短距离范围内具有传输效率高、能源耗用率低、传输可靠性高的优势，且可依据网络本身的节点设定实现资源对接的有效拓展，以此实现对网络内各项设备终端进行协调化操控。Zigbee作为当前无线通信的一类新型技术，在大数量的微型传感器之间完成协议的交互传输，且可在区域内依托无线通信完成自动化和智能化控制[1]。此过程的实现只需要设备终端与系统之间存在网络链接便可，无须经由复杂的线路布局，进而可有效提高整体的运行效率。

Zigbee通过无线网络的支持，可进行小范围内的设备无线连接，同时内部具有拓展性功能，可增强网络范围内各项设备节点的数量。通过无线网络内各项节点的建设，内部呈现出网络对接机制，可有效避免不同设备信息传输过程中造成的数据冗余问题，降低信号碰撞几率的产生，令整体系统与设备更好地融合在一起。此外，Zigbee协议的响应时间较短，当接收到信息后，可通过传输数据资源达到能源节约的效用，对于路灯无线控制系统建设具有较高的使用价值。

2 基于Zigbee的路灯无线控制系统硬件设计与实现

2.1 无线芯片

无线芯片以网络通信技术为实现载体，可作为有线接入的一类补充。随着近年来无线通信技术的高速发展，无线芯片产品的制造体系逐渐趋于完善成熟。从Zigbee技术实现角度来看，要想最大限度地提高系统的应用能力，芯片本身必须具备一定的集成性能，将微型控制器与射频控制器集中到一起，通过芯片简化不同控制器之间的电路结构，并通过芯片的集成控制功能降低空间资源的消耗，以进一步提高实际应用质量。

本文无线芯片的选型以CC2530为主，与传统的JN-5241、MC1435X、EM310芯片相比，具有更强大的系统开发功能。内部各项网络节点的建设可与终端系统本身实现精准对接，且可对各类路由器、终端设备进行高效率控制。CC2530芯片基本上可满足路灯无线控制系统的功能实现需求，同时可有效解决低成本、低消耗问题。CC2530芯片内部采用8位内核，且程序存储器、内存空间等均可满足系统控制需求。CC2530芯片的21个数据接口可完美支持路灯各类操控形式，如数字转换功能、模拟功能、定时功能以及系统自检功能等。从技术实现角度来看，CC2530芯片的通信功能可针对网络结构内的通信进行同步、异步转换，并通过协调设备将信息及时反馈到终端系统中，以保证上位机设备可及时下达相关指令，满足系统调试需求。CC2530的8位内核处理系统可有效实现数据信息的定向采集，四模块的存储空间可将外部信息、内部信息以及各类代码信息进行分类存储，以保证数据信息的实时响应。在无线收发模块中，通过射频模块的调制，可同步对传输信号进行序列排位，保证交频信号、低频信号等在传输中同步转换为系统所能接受的运行基准[2]。

2.2 串口通信电路

图1为串口通信原理图，设计基准是以二进制串行接口实现的。为保证承接路灯无线控制系统的上位调节器可实现数据对接，应先将CC2530芯片的USART0串行接口转变为异步信息接收形式，并将芯片的其他引脚与路灯控制器设备进行一一对接。

图1 串口通信原理

2.3 信息采集电路

信息采集电路是路灯控制系统实现的基础，通过采集传感器路灯供电状态，并将信息及时回传到主操控系统，如光照强度、外部环境明亮度等[3]，通过调整光敏电阻参数值，以有效调节路灯光照强度。例如，在光照强度达到一定值时，内部电阻值比率相对较小，而如果外界光照强度较低时，系统将自动扩大调节电阻值，以此保证路灯的照射强度可与外界光照强度达成对等。本文中选用的光敏电阻元件特性VDC为150 V、功耗最大值100 mW、亮点阻值6～11 kΩ、暗点阻值0.6 MΩ、光谱峰值550 nm、灵敏度0.7 ms。通过光敏电阻与R21电阻组成的线路分压结构，令电压值同步传输到阻值比较器中，然后由各项接口的链接实现信息的结构化传输，同时保证与路灯相关的各项光照信息在系统内进行对接传输。

2.4 灯控电路

从区域内路灯工作形式来看，路灯信息的集成化控制与指令下达，是以继电器为载体进行数据的定向传输。继电器装置作为一类电控组件，在实际应用过程中需在元件的信号输入端设定相应的基准参数，以此作为信息额定值，然后在元件的另一个终端对接相应的电器设备，使得输入端与输出端形成一个闭合式信息交互系统。本文的继电器装置型号为SL-C，可支持250 V以内的交变电值。设备控制管脚共有5个，其中1管脚为常开点位，2管脚为常闭合点位，3管脚为动态整合的实现载体，4、5管脚作为线路连接点位。

2.5 Zigbee射频模块

Zigbee射频模块是在CC2530芯片上实现操作的。在建立基于无线控制的路灯系统时，考虑到系统本身对外界环境接收信号的功能，为最大限度保证地区内路灯开关形式可满足照明需求，应针对射频模块在实际工作过程中存在的风险问题进行相关分析，避免射频模块在实际应用过程中出现失效问题。在设计相关天线设备时，由于天线是整个系统维系无线通信的一个重要载体，通过对电磁波进行输入与输出之间的转变，以保证高射电频的电流值与电压值等数据可及时传输到天线系统，然后转变为电磁波，向接收机传递相应的信号。为保证信号传输不会受到外界环境因素的影响，必须将射频模块进行接地处理，且每一类管线布局必须严格遵循系统的实现参数。在靠近芯片管脚位置处应设定相应的滤波装置，保证线路在传输信息时可有效降低信号传输中耦合问题的产生几率。

3 基于Zigbee的路灯无线控制系统的软件设计与实现

3.1 软件设计方案

道路路灯控制体系中的软件系统起到信息协调的重要作用，设备端与控制端必须具备对接功能，保证信号指令的传输与下达可有独立的承接系统。软件系统中Zigbee协议的实现，可以看成是在网络传输结构内搭建相应的传输节点，然后由传输节点映射出路灯设备。当系统下达相关指令时，可直接作用于各类信息节点上，进而实现对终端路灯设备的指令调控。本次设计采用的是ZS协议栈，且在网络应用层内以电力系统的供应程序为基础，建立与协议栈相对应的数据库资源。这样设计人员可通过对数据库资源的读取实现底层数据功能，在一定程度上简化开发难度。

3.2 无线网络设计

以Zigbee协议为基础的串型网络，需通过协调器、路由器、终端设备等作为承接载体[4]，对路灯设备的网络控制系统建立相对接的控制体系。协调器的主要作用是对网络通信协议栈进行起始优化处理，然后通过相关参数的逐一核对，建立较为精准的信息传输机制。在建立路灯无线控制网络时，主要是从路灯控制网络本身的拓展性和对接性入手，保证系统在实际操作过程中可更精准地执行某一类指令，真正实现网络内节点信息采集与应用的对接性。不同线路的路灯在光照强度和空间环境具有一定的差异性，需通过多个协调器进行协同工作，才可有效实现系统的集成操控。协调器内的参数标识应为“0”，且依次为信息节点建立基于串行实现的标识序列，进而网络节点内路灯设备可以添加到既定的无线网络中。路由器则是针对设备节点正确界定出网络分配地址，通过对数据结构信息进行相关处理，然后将信息同步传输到上位协调器中。当协调器做出相应的指令时，路由器将把相关信息反馈到路灯设备中，以此保证路灯设备运行过程中信息采集的双向性，令系统可及时采集路灯设备的运行信息。路由器软件设计原理如图2所示。

设计控制网络时，考虑到ZigBee协议在网络中的传输机制，应针对网络协议本身的属性建立多信道网络接入体系，保证每一个路灯设备中的信息双向反馈可最大限度地发挥数据呈现价值，即不同地区内的路灯设备，在网络集成环境下可将具有一定差异性的工作频率进行同位转换，以提高数据结构内信息吞吐能力，令系统可对路灯设备进行远距离的精准操控。