基于Zigbee的路燈無線控制系統(tǒng)設計與分析

曾曉敏

（武漢船舶職業(yè)技術學院，湖北 武漢 430000）

0 引 言

傳統(tǒng)的路燈控制系統(tǒng)是通過電子線路實現(xiàn)相關指令的下達，令主系統(tǒng)對整個區(qū)域內(nèi)的路燈實現(xiàn)協(xié)調(diào)性控制。但是，有線傳輸?shù)男问綄τ谙到y(tǒng)資源消耗來講，將占據(jù)一定的空間資源，且現(xiàn)場施工受地理環(huán)境、城市規(guī)劃布局等影響因素較大，間接加大了成本耗用量。以Zigbee協(xié)議為基礎的路燈控制系統(tǒng)，可有效將路燈終端設備與網(wǎng)絡系統(tǒng)進行鏈接，通過相關網(wǎng)絡傳輸協(xié)議的設定，有效擺脫路燈有線操控的局限性。路燈在實現(xiàn)操控時只需要依據(jù)傳感器設備與協(xié)議之間的對接，便可進行遠程操控，一定程度上極大地節(jié)省了電力成本的消耗，且通過網(wǎng)絡建構信息高效傳輸環(huán)境，可提高路燈設備的實際運行質(zhì)量。

1 Zigbee協(xié)議特性

Zigbee協(xié)議在短距離范圍內(nèi)具有傳輸效率高、能源耗用率低、傳輸可靠性高的優(yōu)勢，且可依據(jù)網(wǎng)絡本身的節(jié)點設定實現(xiàn)資源對接的有效拓展，以此實現(xiàn)對網(wǎng)絡內(nèi)各項設備終端進行協(xié)調(diào)化操控。Zigbee作為當前無線通信的一類新型技術，在大數(shù)量的微型傳感器之間完成協(xié)議的交互傳輸，且可在區(qū)域內(nèi)依托無線通信完成自動化和智能化控制[1]。此過程的實現(xiàn)只需要設備終端與系統(tǒng)之間存在網(wǎng)絡鏈接便可，無須經(jīng)由復雜的線路布局，進而可有效提高整體的運行效率。

Zigbee通過無線網(wǎng)絡的支持，可進行小范圍內(nèi)的設備無線連接，同時內(nèi)部具有拓展性功能，可增強網(wǎng)絡范圍內(nèi)各項設備節(jié)點的數(shù)量。通過無線網(wǎng)絡內(nèi)各項節(jié)點的建設，內(nèi)部呈現(xiàn)出網(wǎng)絡對接機制，可有效避免不同設備信息傳輸過程中造成的數(shù)據(jù)冗余問題，降低信號碰撞幾率的產(chǎn)生，令整體系統(tǒng)與設備更好地融合在一起。此外，Zigbee協(xié)議的響應時間較短，當接收到信息后，可通過傳輸數(shù)據(jù)資源達到能源節(jié)約的效用，對于路燈無線控制系統(tǒng)建設具有較高的使用價值。

2 基于Zigbee的路燈無線控制系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)

2.1 無線芯片

無線芯片以網(wǎng)絡通信技術為實現(xiàn)載體，可作為有線接入的一類補充。隨著近年來無線通信技術的高速發(fā)展，無線芯片產(chǎn)品的制造體系逐漸趨于完善成熟。從Zigbee技術實現(xiàn)角度來看，要想最大限度地提高系統(tǒng)的應用能力，芯片本身必須具備一定的集成性能，將微型控制器與射頻控制器集中到一起，通過芯片簡化不同控制器之間的電路結構，并通過芯片的集成控制功能降低空間資源的消耗，以進一步提高實際應用質(zhì)量。

本文無線芯片的選型以CC2530為主，與傳統(tǒng)的JN-5241、MC1435X、EM310芯片相比，具有更強大的系統(tǒng)開發(fā)功能。內(nèi)部各項網(wǎng)絡節(jié)點的建設可與終端系統(tǒng)本身實現(xiàn)精準對接，且可對各類路由器、終端設備進行高效率控制。CC2530芯片基本上可滿足路燈無線控制系統(tǒng)的功能實現(xiàn)需求，同時可有效解決低成本、低消耗問題。CC2530芯片內(nèi)部采用8位內(nèi)核，且程序存儲器、內(nèi)存空間等均可滿足系統(tǒng)控制需求。CC2530芯片的21個數(shù)據(jù)接口可完美支持路燈各類操控形式，如數(shù)字轉換功能、模擬功能、定時功能以及系統(tǒng)自檢功能等。從技術實現(xiàn)角度來看，CC2530芯片的通信功能可針對網(wǎng)絡結構內(nèi)的通信進行同步、異步轉換，并通過協(xié)調(diào)設備將信息及時反饋到終端系統(tǒng)中，以保證上位機設備可及時下達相關指令，滿足系統(tǒng)調(diào)試需求。CC2530的8位內(nèi)核處理系統(tǒng)可有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的定向采集，四模塊的存儲空間可將外部信息、內(nèi)部信息以及各類代碼信息進行分類存儲，以保證數(shù)據(jù)信息的實時響應。在無線收發(fā)模塊中，通過射頻模塊的調(diào)制，可同步對傳輸信號進行序列排位，保證交頻信號、低頻信號等在傳輸中同步轉換為系統(tǒng)所能接受的運行基準[2]。

2.2 串口通信電路

圖1為串口通信原理圖，設計基準是以二進制串行接口實現(xiàn)的。為保證承接路燈無線控制系統(tǒng)的上位調(diào)節(jié)器可實現(xiàn)數(shù)據(jù)對接，應先將CC2530芯片的USART0串行接口轉變?yōu)楫惒叫畔⒔邮招问?，并將芯片的其他引腳與路燈控制器設備進行一一對接。

圖1 串口通信原理

2.3 信息采集電路

信息采集電路是路燈控制系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎，通過采集傳感器路燈供電狀態(tài)，并將信息及時回傳到主操控系統(tǒng)，如光照強度、外部環(huán)境明亮度等[3]，通過調(diào)整光敏電阻參數(shù)值，以有效調(diào)節(jié)路燈光照強度。例如，在光照強度達到一定值時，內(nèi)部電阻值比率相對較小，而如果外界光照強度較低時，系統(tǒng)將自動擴大調(diào)節(jié)電阻值，以此保證路燈的照射強度可與外界光照強度達成對等。本文中選用的光敏電阻元件特性VDC為150 V、功耗最大值100 mW、亮點阻值6～11 kΩ、暗點阻值0.6 MΩ、光譜峰值550 nm、靈敏度0.7 ms。通過光敏電阻與R21電阻組成的線路分壓結構，令電壓值同步傳輸?shù)阶柚当容^器中，然后由各項接口的鏈接實現(xiàn)信息的結構化傳輸，同時保證與路燈相關的各項光照信息在系統(tǒng)內(nèi)進行對接傳輸。

2.4 燈控電路

從區(qū)域內(nèi)路燈工作形式來看，路燈信息的集成化控制與指令下達，是以繼電器為載體進行數(shù)據(jù)的定向傳輸。繼電器裝置作為一類電控組件，在實際應用過程中需在元件的信號輸入端設定相應的基準參數(shù)，以此作為信息額定值，然后在元件的另一個終端對接相應的電器設備，使得輸入端與輸出端形成一個閉合式信息交互系統(tǒng)。本文的繼電器裝置型號為SL-C，可支持250 V以內(nèi)的交變電值。設備控制管腳共有5個，其中1管腳為常開點位，2管腳為常閉合點位，3管腳為動態(tài)整合的實現(xiàn)載體，4、5管腳作為線路連接點位。

2.5 Zigbee射頻模塊

Zigbee射頻模塊是在CC2530芯片上實現(xiàn)操作的。在建立基于無線控制的路燈系統(tǒng)時，考慮到系統(tǒng)本身對外界環(huán)境接收信號的功能，為最大限度保證地區(qū)內(nèi)路燈開關形式可滿足照明需求，應針對射頻模塊在實際工作過程中存在的風險問題進行相關分析，避免射頻模塊在實際應用過程中出現(xiàn)失效問題。在設計相關天線設備時，由于天線是整個系統(tǒng)維系無線通信的一個重要載體，通過對電磁波進行輸入與輸出之間的轉變，以保證高射電頻的電流值與電壓值等數(shù)據(jù)可及時傳輸?shù)教炀€系統(tǒng)，然后轉變?yōu)殡姶挪?，向接收機傳遞相應的信號。為保證信號傳輸不會受到外界環(huán)境因素的影響，必須將射頻模塊進行接地處理，且每一類管線布局必須嚴格遵循系統(tǒng)的實現(xiàn)參數(shù)。在靠近芯片管腳位置處應設定相應的濾波裝置，保證線路在傳輸信息時可有效降低信號傳輸中耦合問題的產(chǎn)生幾率。

3 基于Zigbee的路燈無線控制系統(tǒng)的軟件設計與實現(xiàn)

3.1 軟件設計方案

道路路燈控制體系中的軟件系統(tǒng)起到信息協(xié)調(diào)的重要作用，設備端與控制端必須具備對接功能，保證信號指令的傳輸與下達可有獨立的承接系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)中Zigbee協(xié)議的實現(xiàn)，可以看成是在網(wǎng)絡傳輸結構內(nèi)搭建相應的傳輸節(jié)點，然后由傳輸節(jié)點映射出路燈設備。當系統(tǒng)下達相關指令時，可直接作用于各類信息節(jié)點上，進而實現(xiàn)對終端路燈設備的指令調(diào)控。本次設計采用的是ZS協(xié)議棧，且在網(wǎng)絡應用層內(nèi)以電力系統(tǒng)的供應程序為基礎，建立與協(xié)議棧相對應的數(shù)據(jù)庫資源。這樣設計人員可通過對數(shù)據(jù)庫資源的讀取實現(xiàn)底層數(shù)據(jù)功能，在一定程度上簡化開發(fā)難度。

3.2 無線網(wǎng)絡設計

以Zigbee協(xié)議為基礎的串型網(wǎng)絡，需通過協(xié)調(diào)器、路由器、終端設備等作為承接載體[4]，對路燈設備的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)建立相對接的控制體系。協(xié)調(diào)器的主要作用是對網(wǎng)絡通信協(xié)議棧進行起始優(yōu)化處理，然后通過相關參數(shù)的逐一核對，建立較為精準的信息傳輸機制。在建立路燈無線控制網(wǎng)絡時，主要是從路燈控制網(wǎng)絡本身的拓展性和對接性入手，保證系統(tǒng)在實際操作過程中可更精準地執(zhí)行某一類指令，真正實現(xiàn)網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點信息采集與應用的對接性。不同線路的路燈在光照強度和空間環(huán)境具有一定的差異性，需通過多個協(xié)調(diào)器進行協(xié)同工作，才可有效實現(xiàn)系統(tǒng)的集成操控。協(xié)調(diào)器內(nèi)的參數(shù)標識應為“0”，且依次為信息節(jié)點建立基于串行實現(xiàn)的標識序列，進而網(wǎng)絡節(jié)點內(nèi)路燈設備可以添加到既定的無線網(wǎng)絡中。路由器則是針對設備節(jié)點正確界定出網(wǎng)絡分配地址，通過對數(shù)據(jù)結構信息進行相關處理，然后將信息同步傳輸?shù)缴衔粎f(xié)調(diào)器中。當協(xié)調(diào)器做出相應的指令時，路由器將把相關信息反饋到路燈設備中，以此保證路燈設備運行過程中信息采集的雙向性，令系統(tǒng)可及時采集路燈設備的運行信息。路由器軟件設計原理如圖2所示。

設計控制網(wǎng)絡時，考慮到ZigBee協(xié)議在網(wǎng)絡中的傳輸機制，應針對網(wǎng)絡協(xié)議本身的屬性建立多信道網(wǎng)絡接入體系，保證每一個路燈設備中的信息雙向反饋可最大限度地發(fā)揮數(shù)據(jù)呈現(xiàn)價值，即不同地區(qū)內(nèi)的路燈設備，在網(wǎng)絡集成環(huán)境下可將具有一定差異性的工作頻率進行同位轉換，以提高數(shù)據(jù)結構內(nèi)信息吞吐能力，令系統(tǒng)可對路燈設備進行遠距離的精準操控。

圖2 路由器設計流程

4 結 論

綜上所述，通過ZigBee實現(xiàn)路燈控制系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)信息的有效整合下，可最大限度地提高無線網(wǎng)絡內(nèi)信息傳輸質(zhì)量，可擺脫傳統(tǒng)路燈有線控制的約束，以達到空間優(yōu)化布局的建設目標，進一步提高路燈遠程操控的精準性。