一款基于ZigBee的智能路灯控制系统设计

0 引言

随着中国城市和经济的迅速发展，城市路灯照明已经成为展示城市魅力的名片和窗口，但是照明在带来绚丽和方便的同时，也遇到了诸多问题。据调查，我国小型城市在夜晚9点后，大中城市在午夜12点后，道路上行人非常稀少，即便是北京、上海、广州这样的繁华都市，凌晨2点以后，道路上也罕见行人、车辆。这时如果保持“恒照度”会造成资源的大量浪费;另外后半夜是用电的低谷期，电力系统的电压升高，路灯反而会更亮，而我国现行70%的道路照明使用的高压钠灯，此类电网电压的波动致使灯泡的实际使用寿命不超过1年，带来了高额的维修费和材料费，并且系统难以及时反馈路灯运行的故障信息，无法进行远程控制和处理，只能采取人工巡查方式。

路灯控制系统从最初的开关控制功能，逐渐演化到监控节能控制功能，各种新技术被用于路灯监控系统中。路灯控制方法有PLC控制，电力载波控制和无线网络控制等。从路灯控制系统的成本、可靠性、信息化、应用前景等方面考虑，本方案采用ZigBee无线自组网网络技术实现LED路灯节能控制的目的。

1方案系统设计

按照系统要求，本设计主要完成支路控制器和路灯及二者之间的通信网络设计，其中支路控制器完成时间、光照信息的测量，路灯终端完成故障诊断和移动物体的检测，利用ZigBee无线网络技术实现支路控制器和路灯终端之间的通信。因此系统主要包括以下分系统：

电源稳压系统、支路控制系统、ZigBee协调器系统、Zig-Bee 路由和终端系统。其中电源稳压包括5 V 稳压和3.3 V稳压;支路控制系统包括时间模块、键盘模块、显示模块和光照采集模块;ZigBee协调器包括显示模块和键盘模块;ZigBee路由和终端包括微波雷达检测模块、故障检测模块和路灯控制模块。系统结构框图如图1所示。

ZigBee技术是一种新兴的短距离无线通信技术，在近距离无线网络领域得到广泛应用。ZigBee技术采用自组网络，其网络拓扑机构可以随意变动，这一特点对实现路灯智能监控系统的智能化、高可靠性、低成本起到很好的作用。ZigBee的网络拓扑结构可分为：网状结构、星型结构和树状结构，考虑到树状结构能够提高通信网络的可靠性，因此本设计中无线系统的网络拓扑采用树状结构，使用路由功能传输。无线系统由一个ZigBee协调器、若干个路由控制器和若干个路灯终端所组成，网络示意图如图2所示。

根据ZigBee通信组网技术的特点，将ZigBee 技术与传统的路灯控制模式相结合，根据不同路段及时间，对协调器设置不同的检测与控制方式，能及时对路灯进行相应的控制并发现路灯损坏情况和它的具体位置，方便维修管理，实现按需节能、智能化管理，达到城市照明系统节能减排的目标。

2 系统硬件设计

2.1 支路控制器设计

根据系统功能，支路控制器主要包括时空电路、光控电路、键盘及显示等，电路如图3所示。

时间控制芯片采用的是DS12887芯片，其内部自带锂电池，外部掉电时，还可准确走10年之久，有12小时制和24小时制，数据可分二进制或BCD 码传送，使用非常方便。环境光检测部分采用的是光敏电阻加LM339电压比较器的测量方案。电阻RV2,R5,R9 及光敏电阻共同构成了惠斯顿电桥的两个桥臂。在光线相对较强时，电路输出端输出低电平;当光线强度相对较暗时，电路输出端输出高电平。统共设置5个按键，采用独立式键盘，包括时间调节键，模式选择键及季节设置键。时间调节键三个，设置键、上调键和下调键，按下设置键开光标，上下调节键用来调节时间。模式选择键，采用自锁式按键，进行繁华和偏僻模式转换。季节设置键，也采用自锁式按键，进行夏季和冬季转换。

2.2 ZigBee协调器设计

ZigBee协调器负责组建网络与信息的收发处理工作。协调器不断采集主机发来的开关路灯与开关雷达指令，通过发送不同的字符给终端使其作相应的操作。

同时能够显示故障地址，并能对故障信息进行清除。当接收到终端和路由发来的故障地址时，将地址显示在LCD上。由于CC2530的IO口资源较为紧缺，所以设计时选择串口驱动方式。故障维修人员记录检查故障信息，维修员维修之后，需要将原有的故障信息清除，此时只要按下故障清除按键即可。ZigBee协调器接口电路如图4所示。

2.3 ZigBee路由和终端系统

ZigBee路由和终端系统接收来至协调器开关灯与开关雷达的指令，某个路灯出现故障时发送本路灯的地址给协调器。因此ZigBee路由和终端系统由微波雷达检测模块、故障检测模块及LED路灯控制模块组成。

2.3.1 微波雷达检测模块

微波雷达传感器受气流、温度、尘埃的影响较小，因此设计中选用标准