基于ZigBee 通信技术的单灯控制器设计

2021-03-11俞青松陈友忠

智能物联技术 2021年2期

俞青松，陈晨，陈友忠

（浙江意博高科技术有限公司，浙江杭州 311100）

0 引言

随着我国城镇化建设的推进，路灯作为城市公共照明的一部分，已成为人们生活中不可缺少的一部分。但路灯每年消耗的电能也是巨大的，因而对路灯进行高效管理，实现按需照明具有重要的意义。路灯控制管理系统使路灯能够被远程监测控制，提高了路灯应对突发天气的灵活性、故障上报的及时性以及节能控制方式的多样性。路灯控制管理系统一般由监控软件平台、远程通信网络、集中控制器、本地通信网络和单灯控制器组成。单灯控制器作为路灯的直接控制设备，其工作的可靠性和有效性会影响整个控制系统。本文设计了一种基于ZigBee 通信技术的单灯控制器，通过采用多种机制，在实现其功能完整性和有效性的前提下，保证了其工作的可靠性。

1 基于ZigBee 通信技术的单灯控制器应用方案

目前市面上单灯控制器，采用的通信方式有ZigBee，PLC，RS485，NB-IoT，LoRa 等。 ZigBee 采用免许可证频段2.4GHz （全球）、915MHz （美国）和868MHz（欧洲），数据传输率可达250kb/s，节点间通信距离100m，加AP 后可以达到1000m，支持大量网上节点，支持星状、片状和网状等多种网络拓扑，具有低复杂度、快速、可靠、安全的特点。

表1 列举了常见单灯控制器的通信方式及优缺点。采用ZigBee 通信的单灯控制器在安装便捷性、维护成本、网络可靠性、通信实时性、通信距离（扩展后）上具备优势。本设计通过采用ZigBee 通信、高精度计量芯片、多重故障判断方式、数据包重发机制等方式进行设计优化，在提高设备可靠性同时，提高了网络的安全性和可维护性，同时降低了网络设备的故障误报率。

表1 单灯控制器各通信方式对比Table 1 Comparison of communication methods of single lamp controller

如图1 所示为路灯控制管理系统框图。控制节点也即单灯控制器，安装在灯杆或灯头上，直接对路灯进行控制，并采集路灯状态信息，通过ZigBee通信技术与集中控制器进行数据交互。集中控制器通过4G 网络和远程服务器进行数据通信，接收远程服务器控制命令，通过单灯控制器对路灯进行开关、调光等控制，并上报单灯控制器采集的路灯状态信息。在远程服务器端以可视化界面展示整个控制系统的工作状况，以便工作人员及时了解路灯的工作情况，做出精确判断。

图1 路灯控制管理系统框图Figure 1 Block diagram of street lamp control and management system

2 硬件设计

2.1 硬件原理框图

单灯控制器硬件框图如图2 所示，包含ZigBee控制模块、开关模块、计量模块、调光模块、电源、RTC （Real Time Clock）、EEPROM （Electrically Erasable Programmable read only memory）、Watchdog 等部分。

图2 单灯控制器硬件框图Figure 2 Hardware block diagram of single lamp controller

2.2 硬件功能模块设计

硬件功能模块主要包括ZigBee 控制模块、开关模块、计量模块、调光模块以及RTC。

ZigBee 控制模块。 ZigBee 控制模块电路如图3所示，采用TI 的CC2530 作为主控芯片，外加RFX2401C 作为功放芯片，通过外接天线阻抗匹配，使ZigBee 模块的有效传输距离不低于300m。

图3 ZigBee 模块电路Figure 3 ZigBee module circuit

ZigBee 控制模块作为主控模块，采用TI 的ZStack 协议栈，是整个控制器的控制中心。整个ZStack 采用分层的软件结构，包括硬件抽象层、操作系统抽象层等。硬件抽象层提供各种硬件模块的驱动，包括定时器Timer、通用I/O 口GPIO、通用异步收发传输器UART、模数转换ADC 的应用程序接口API，提供各种服务的扩展集。操作系统抽象层实现了一个易用的操作系统平台，通过时间片轮转函数实现任务调度，提供多任务处理机制。通过调用操作系统抽象层提供的相关API 进行多任务编程，将应用程序作为一个独立的任务来实现。ZigBee 控制模块在Z-Stack 的基础上实现控制任务、接收控制命令和完成控制任务。其通过串口与计量模块进行数据通信，配置计量模块参数，读取保存计量数据，并检测计量模块的工作状态;通过I2C 接口与EEPROM 和RTC 进行通信，实现数据的存储读取和实时时钟的读取与配置；通过给调光模块提供PWM（Pulse Width Modulation）信号，实现调光0~10V 控制。

开关模块。采用超小型大功率继电器，实现对负载供电的控制，同时通过提供负载供电电压信号和电流信号给计量模块。

计量模块。计量模块电路如图4 所示，采用电能计量专用芯片RN8209，通过实时采集电压信号和电流信号，实现检测出负载电压、电流、功率、功率因数及能耗的值；底层控制软件会对检测数据进行分析、判断，获取灯的状态。数据精度优于1%，符合大部分场景应用。

图4 计量模块电路Figure 4 Metering module circuit

调光模块。通过CJ431 电压基准芯片及阻容滤波，把ZigBee 模块输出的PWM 信号转换为0~10V电平信号，同时采用射极跟随器进行阻抗调整，减小负载对电路输出的影响。

RTC 采用PCF8563，配合超级电容，实现掉电维持时钟的功能。

2.3 硬件可靠性设计

在整机硬件可靠性设计方面，进行了以下设计：在AC 输出加阻容吸收电路，减少感性负载对单灯控制器的影响；在调光输出加ESD（Electro-Static Discharge）芯片，进行ESD 保护；外置硬件看门狗，防止干扰引起死机；选用工业级芯片；在电路设计时考虑器件降额设计；选用电压范围比ZigBee模块更大的EEPROM 芯片，防止掉电时对EEPROM 数据的破坏。

3 软件设计

3.1 软件程序流程

单灯控制器程序流程如图5 所示。上电后，首先进行相应的初始化操作，接着开启60s 定时器和3s 定时器，然后进入任务循环处理。程序每隔60s进行失联计数加1 操作，一旦未收到命令超过5min，单灯控制器进入自动运行模式，比对RTC 时钟和记录的开关灯与调光时间是否一致。若一致则执行相应的动作，保证单灯控制器在ZigBee 网络异常时也能按照事先设置的策略运行。同时，程序每隔3s 读取一次负载的电参数，并和记录的报警阈值比较，若超过阈值，则进行报警处理。处理命令流程对接收的命令进行处理，包括开关、调光、数据上报、策略设置、参数设置等操作。

图5 单灯控制器程序流程图Figure 5 Program flow chart of single lamp controller

3.2 软件功能模块设计

3.2.1 ZigBee 组网

ZigBee 组网流程如图6 所示。一个区域的灯控有许多个ZigBee 网络组成，为了区分不同的控制网络，不同的网络需要选择不同PANID 和信道。在选择的信道上发送信标请求，扫描该信道上的网络信息，若接收到符合要求的信标，则发送连接请求，等待对方应答，再进行数据请求获取网络地址。在获取网络地址后，广播本身的地址信息，让处在网络上的节点知道有新的节点加入。