文獻標識碼： B
文章編號： 0258-7998(2012)10-0077-04
“節能減排”已成為當前我國經濟社會可持續發展的一項重要任務，城市路燈照明作為日常公用設施還有較大的節能空間。長久以來，路燈控制都是由人工對路燈線路進行開關來實現，或在總開關處安裝定時器，在預定時間對路燈進行開關操作。這種方式存在操作不變、維修實時性差、控制線路成本高和能源浪費等諸多缺點。
基于ZigBee芯片CC2530的路燈控制系統可以很好地解決這些問題。通過ZigBee無線自組織網絡將區域內的路燈都組成一個ZigBee子網，若干個ZigBee子網通過GPRS網關組成大型路燈網絡,在監控中心可以實現對各個ZigBee子網中的每個路燈進行無線開關控制和損壞檢測，不僅可以根據不同季節及時調整開關燈的時間以節省能源，而且可以及時發現路燈的損壞情況，及時維修保證道路安全。本文主要闡述了ZigBee路燈控制系統中網關和節點的軟硬件設計方案。
1 系統架構
ZigBee路燈控制系統通過ZigBee網絡和GPRS網絡的連通實現遠程監控，本系統可分為監控中心、網關和ZigBee子網三部分。系統架構圖如圖1所示。
各網關上的ZigBee協調器建網成功后，路燈上安裝的ZigBee節點按照通信協議加入網絡，構成ZigBee子網；路燈節點的信息匯總至網關上的協調器，經網關傳輸至GPRS網絡；之后經因特網傳輸至后臺監控中心。系統的雙向通信鏈路就此形成，監控中心可以發送控制或檢測指令至ZigBee子網對單個路燈進行控制和檢測，同時ZigBee子網中的網絡和節點故障信息也會發送至監控中心。
2 系統硬件設計
2.1 ZigBee節點硬件設計
ZigBee節點的主控芯片使用TI公司的CC2530[1]，該芯片是使用ZigBee標準的一個片上系統解決方案，內部集成了8051內核的微處理器和高性能的射頻收發器。本芯片采用了低電壓和低功耗設計，內置最大256 KB的系統可編程Flash、8通道12位A/D轉換器、看門狗定時器和睡眠定時器等功能。CC2530的最小系統電路圖如圖2所示。
經實際測試，CC2530模塊外接5 dB的天線時空曠環境通信距離可以達到500 m左右，完全滿足路燈系統的要求。CC2530的UART0引腳是P0_2、P0_3，用于和外部芯片（網關中的主控芯片）進行通信。
2.2 網關硬件設計
網關的功能是實現ZigBee網絡與GPRS網絡的通信，主要包括GPRS模塊、ZigBee協調器和主控芯片。網關電路框圖如圖3所示。
其中GPRS模塊使用華為公司的EM310模塊；ZigBee協調器芯片使用TI公司的CC2530,本射頻芯片電路由官方提供，經實際測試穩定可靠；主控芯片使用NXP公司的LPC1227[2]，該芯片是基于Cortex-M0內核的微控制器，具有兩個UART接口,可實現ZigBee協調器與GPRS模塊的串口通信。
2.3 路燈節點硬件設計
路燈節點的功能是實現ZigBee組網、控制路燈的開關并監控路燈的損壞狀況，主要包括ZigBee節點、存儲模塊、開關模塊和檢測模塊。路燈節點的電路框圖如圖4所示。
ZigBee節點模塊和網關上的ZigBee模塊電路一致，只是節點類型設置不同，根據現場環境，設置ZigBee節點為路由或者終端；存儲模塊使用Flash芯片MX25L1605，用來存儲節點的網絡信息和路燈狀態等信息；檢測模塊使用電流型互感器，通過判斷路燈火線上的電流大小來檢測路燈是否損壞；開關模塊使用光耦芯片MOC3061加上可控硅BTA06，利用光耦隔離實現弱電控制強電開關，開關模塊的電路如圖5所示。
MOC3061是過零觸發雙硅輸出光耦，1、2腳為輸入端，4、6腳為輸出端，單片機通過控制2腳的高低電平可實現對輸出兩端的通斷控制，通斷控制引腳2連接至CC2530的P0_3進行控制。
3 系統軟件設計
3.1 網關軟件設計
網關主要解決ZigBee網絡和GPRS網絡的通信問題，由主控芯片LPC1227實現對GPRS模塊和ZigBee模塊的通信和控制。其中GPRS無線通信模塊EM310通過AT指令進行相應的控制，如發送和接收短信、連接GPRS網絡等功能。對ZigBee模塊的控制則主要通過傳輸串口指令，實現對ZigBee網絡的建網、信息采集和控制等功能。
網關軟件設計主要包括模塊初始化、GPRS數據處理和ZigBee網絡數據處理等。程序主流程圖如圖6所示。
ZigBee模塊的初始化過程也是ZigBee網絡的建網和組網過程[3]，網關上的ZigBee模塊是協調器，協調器建網成功后，一直處于等待節點入網的狀態，當來自同一信道和PANID的路由或終端申請入網時，協調器會同意節點入網并保存來自節點的各種狀態信息；協調器在接收到來自監控中心的掃描網絡、控制節點開關等命令時，會將這些命令發送到ZigBee網絡中。ZigBee模塊即協調器的程序流程圖如圖7所示。
3.2 路燈節點軟件設計
路燈節點軟件設計主要包含ZigBee節點入網、處理接收到的指令和自啟動工作設計。路燈節點根據實際環境位置設置為路由或者終端節點，在上電啟動后尋找具有相同信道和PANID的ZigBee網絡并加入網絡[4]，入網后將本節點的網絡信息發送至協調器并通過網關傳輸至監控中心，節點在接收到來自協調器的空中指令后進行對應處理；節點在未能入網或掉網的情況下，會根據CC2530內部的RTC時鐘保證路燈在指定的時間段內進行開關，監控中心會自動報警，方便及時進行維修處理。路燈節點的程序流程圖如圖8所示。
3.3 節能控制軟件設計
根據實際路燈的運行情況，從節省能源的角度出發，當道路上的車輛和行人較少時可以關閉部分路燈，較多時則可開啟全部路燈，因此可根據不同時段對路燈進行有區別的控制。首先，根據時間段劃分為白天(7:00-19:00)、夜晚(19:00-01:00）和凌晨（01:00—07:00）；其次，根據節點編號劃分為奇數號路燈工作模式、偶數號路燈工作模式和全部路燈工作模式；最后，根據不同時間段或不同路段對路燈進行區別控制以達到保證道路安全和節省能源的效果。本系統路燈節點的工作模式如表1所示。
4 系統測試
監控中心[5]的控制界面采用網頁形式訪問，界面嵌入百度地圖，可實時反映ZigBee節點位置與狀態信息。 在重慶郵電大學校園內安裝了50個ZigBee路燈節點、2個網關，對節點和網關分配2組不同的網絡密鑰，組成互不干擾的2個ZigBee子網。監控中心的控制界面可通過地圖清楚顯示每個路燈節點的地理位置和當前的狀態，并可以進行實時的控制與檢測。經過實際運行，50個路燈節點能夠迅速組網并返回節點信息，路燈節點收到指令后能快速處理并及時反饋故障信息，各時間段的工作模式均正常， 整個系統經過長時間測試運行穩定。
本系統通過ZigBee無線通信技術，能夠對區域內的路燈進行無線控制與檢測，通過對現有的路燈安裝ZigBee控制節點即可實現有線控制向無線控制的轉變。此外，本系統的節能效果顯著，且成本較低，可靠性好，有較好的應用前景。
參考文獻
[1] TI. CC253x User′s Guide[M].2010,9.
[2] 楊校權，張毅，馬俊元. LPC1227的遠距離ZigBee無線網關設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2011(11)：33-36.
[3] 高守瑋、吳燦陽. ZigBee技術實踐教程[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2008.
[4] FARAHANI S. ZigBee wireless networks and transceivers[M]. Newnes,2008.
[5] 儲昭兵. 基于GPRS城市照明無線監控系統[D]. 上海：上海交通大學，2009.