摘要：本文將當前LED路燈照明與傳統路燈照明進行了比較，將ZigBee技術應用于LED路燈照明系統，組建了Zig-Bee無線傳感器網絡。詳細設計了該系統的硬件電路及軟件。經對比，此系統比傳統系統在節省布線，降低成本方面有顯著的優勢。
隨著我國城市化步伐的加快，城市照明建設作為體現城市形象的作用日益受到重視，在城市照明系統中，如何節約能源，提高路燈能源的利用率已成為急需解決的問題。而ZigBee技術以其低功耗、通信可靠、網絡容量大等特點為路燈自動控制領域提供了較合適的解決方案。LED路燈節能控制系統就是通過采用ZigBee技術與各種新型傳感器、功率控制器結合，實現路燈的智能控制，節約了大量能源。
1 ZigBee技術簡介
隨著數字通信和計算機技術的發展，無線技術的網絡化、標準化要求逐漸出現在人們面前，ZigBee技術便是其中之一。ZigBee技術是依據IEEE802.15.4標準的一種短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術，主要應用在短距離范圍內并且數據傳輸速率不高的各種電子設備之間，在數千個微小的傳感器之問相互協調實現通信。
ZigBee采用了2003年發布的IEEE802.15.4協議標準作為其物理層和媒體接入（MAC）層的標準協議。2001年8月成立的ZigBee技術聯盟為不同廠家生產的設備提供了統一的解決方案，解決其相互問的兼容性問題。ZigBee技術的網絡層由ZigBee技術聯盟制定，應用層則由用戶根據自己的應用需要對其開發利用。
2傳統路燈的控制方式
傳統的路燈控制方式有人工控制，時控方式，電力載波控制，GSM短消息控制，CDPD（CellularDigital Packet Data）蜂窩數字分組數據等。人工方式是工作人員根據開關燈的時間表手動進行開關燈的操作，時控方式是以時間作為開關燈的唯一根據，電力載波控制易受電力線強磁場的干擾，GSM短消息控制必須通過手機，費用較高。上述五種傳統的路燈控制方式存在的問題是：運行操作結果不能集中監視，記錄和統計，達不到量化管理的要求，不適應城市現代化的發展。
在路燈的控制方面，ZigBee技術結合傳感器技術組成的網絡同樣解決傳統控制中存在的問題：1）選用特殊的亮度傳感器可以實時采集光亮強度，大大降低了特殊環境，特殊時間誤開誤關的幾率，脫離了人工干預。2）ZigBee技術采用直接序列擴頻技術，保證信號傳輸的可靠性，避免其他信號的干擾。3）CC2430芯片的低功耗，延時短，協議框架簡單，安裝方便。
3 LED路燈照明與傳統的路燈照明的比較
我國“十一五”規劃明確提出了節能減排的主要目標，單位國內生產總值能源消耗比“十五”期末降低20%左右，主要污染物排放總量減少10%.全球每年照明用電要達到2 400億度以上，如果一半的傳統照明光源被I.ED照明光源取代可節省700億度電，相當于700億元。在環保方面，中國每年至少要用30億個燈泡和日光燈管，產生30萬t很難回收的玻璃垃圾，還有2萬1Kg的劇毒汞，對環境造成巨大的污染。隨著LED行業技術發展的不斷成熟，加上國家政策的支持和導向，目前國內外眾多傳統照明巨頭紛紛投入到半導體照明的開發中，根據“十一五”規劃，未來我國將開展十大節能工程，其中綠色照明，推廣高效節電照明系統將是一個重要內容。
目前道路照明仍以高壓鈉燈或金鹵燈光源為主，LED照明主要采用LED作為發光光源。LED路燈尚處于示范推廣向大規模應用的過渡階段。但是隨著產品穩定性的提升和產品價格的下降，I.ED路燈具有非常強的成長性。相對于傳統路燈，LED照明道路具有以下優勢：
1）擴大了照明范圍，2）提高了照明均勻度，3）低能耗（相同照度下能耗僅為高壓鈉燈的40%，節能50%以上），4）長壽命（有效使用壽命長達70 000h），5）智能控制，免維護，環保無污染等。
4 LED照明控制系統的總體設計
照明控制的節能是全球普遍關注的問題，照明節能一般可以通過兩條途徑實現：一是使用高效的照明裝置（例如光源，燈具和鎮流器），二是智能感應的控制，在需要照明時使用，不需要照明時關斷，盡量減少不必要的開關燈時間，開關燈的數量和過高的照明亮度，這點就需要通過照明控制實現，即ZigBee技術。本文正是從這兩個方面為出發點設計了此系統。
通常，LED照明控制系統包括：傳感器單元、無線收發與處理器控制單元、LED驅動電路與照明單元、控制中心路燈監控與管理系統單元。本系統采用樹型無線網絡拓撲結構對路燈進行多條路由控制，系統里控制中心的監控系統作為整個系統的協調器，若干個FFD設備作為路由節點，RFD設備作為系統的終端節點。網路協調器負責建立網絡和管理網絡，顯示相關的控制信息和當前路燈自動控制無線網絡系統狀況。FFD路由節點可以安裝在道路旁邊，連接成串狀作為無線節點的中繼控制器，可以轉發下一級的每個節點上傳的信息，達到遠程控制的目的。同時它可以作為燈桿上的微處理器，用來控制路燈的打開和關閉。為了降低成本，RFD節點作為系統中的末端節點放置在路的盡頭。它按照接收到的無線信號指令控制自己的路燈狀態。
5 LED照明控制系統的硬件設計
無線智能照明系統的網絡節點分為協調器、路由器和終端節點3種。其中，協調器的硬件結構框圖如圖1所示。
圖1協調器的硬件框圖
協調器節點帶有4個獨立按鍵，用來設置整個系統的參數和發送控制命令，24×2字符（5×8點陣）是漢字字符點陣液晶模塊用于顯示網絡狀態信息。微控制器輸出開關量直接完成對照明燈的開關控制。另外，協調器節點還帶有亮度傳感器，用于感測現場的亮度信息。當亮度傳感器測得光線太亮，如晴朗的白天，即可自動關閉路燈，當亮度傳感器測得光線太暗，如夜晚或者陰雨天，即可調高路燈亮度。
系統只需在一個節點上集成亮度傳感器，即可通過ZigBee網絡向各個燈節點傳輸控制信息，實現對整個照明系統的智能控制、成本低廉，也可以一個節點上增加多個傳感器備用。當然也可以將亮度傳感器做成一個單獨的ZigBee網絡節點，用于感測現場不同位置的亮度信息。圖2是系統的硬件電路圖。
圖2系統的硬件電路圖
本設計采用CC2430無線通信模塊，CC2430芯片是首款符合ZigBee技術標準的系統單芯片，片內集成增強的8051微控制器內核和符合IEEE802.15.4標準的2.4 GHz射頻收發器，具有優良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性能，處于休眠模式時整個芯片的電流消耗小于0.9uA，從硬件上支持CSMA/CA機制，還集成有ADC，AES安全協處理器和USART等片上外設及豐富的I/O口資源，只需添加晶振等少量的元器件即可完成ZigBee節點的設計。由于CC2430中帶有一個8位的8051微控制器，所以在硬件設計中可以省去了微控制器模塊，降低傳感器節點的成本，減小傳感器節點的體積。但是此設計中加入微控制器模塊，為了適應更高的性能要求。CC2430的射頻信號是采用差分方式，本設計采用50Ω單極子天線。
本設計采用LX1970可見光亮度傳感器。
LXl970是一種能實現人眼仿真的集成化的可見光亮度傳感器，峰值發光波長為520 nm，電流靈敏度為0.38uA/lx，暗電流為10 nA.非線性誤差小，重復性好。兩個互補輸出端的電流不對稱度僅為士0.5%，可任選一端作為輸出。外圍電路簡單，價格低廉，使用方便，微功耗，低壓供電。采用2~5.5V電源，電源電流可低至85肛A（典型值）。工作溫度范圍為一40~+85℃。其外形尺寸僅為2.95 mmX 3 mmX1 mm。
6 LED照明控制系統的軟件設計
軟件設計基于TI公司推出的跟CC2430芯片配套的Z-Stack協議棧和IAR集成開發環境。Z-Stack在業內處于領先水平，目前還在不斷完善和增強，其最新版本Z-Stack 1.4.2，通過ZigBee測試機構德國萊茵集團的ZigBee兼容性測試，符合Zig-Bee 2006 specification，已被全球眾多ZigBee應用開發廠家所采用，支持多種硬件平臺。
在智能型LED路燈控制無線網絡工作的過程中，網絡協調器會定時檢測有無按鍵按下，用以執行相應的電源開關命令。網絡協調器處于空閑狀態時，會監聽空中的無線信號，判斷有無新的節點要加入網絡，有則為其分配網絡地址。考慮到現場需要，協調器還可以控制某路段的燈亮，由其發送指令的目標地址所決定。FFD節點通常處于監控狀態，如果接收到電源開關的命令，則執行命令，并確定是否轉發，同時根據亮度傳感器的返回值確定路燈的開關，以到達智能化節能控制。RFD節點的功能更簡單，只需監聽，根據光線的強弱執行命令。下面圖3，圖4，圖5分別是3種節點的通信流程圖。
圖3 FFD路由節點流程圖
圖4 RFD末端節點流程圖
圖5協調器節點流程圖
7結論
隨著計算機技術、通信技術、控制技術的發展和人們物質生活水平的提高，家居、交通智能化正成為國內外的一個研究熱點。本項目根據實際需要完成了智能型LED路燈控制系統的硬件，軟件實現。系統充分利用了ZigBee低速率，低功耗和自配置的特點，降低了系統檢修的復雜性。同時降低了系統的成本。隨著技術水平的不斷完善，相關產品的價格會逐步降低，巨大的民用市場將是最終的發展方向。該系統在提高照明系統的信息化、智能化程度的同時，特大大降低了電能的浪費，符合國家節能減排的發展戰略，定會在智能交通和智能家居等領域得到廣泛應用。