1、基于 ZigBee 网络的路灯节能控制系统摘要：随着城市化进程的加快和城市规模和数量的扩大，照明设备对我们的生活生产起着无可替代的作用。当前中国很多大城市的照明中的能源需求和消耗也在不断增大，能够设计一种可靠性好、智能化程度高的路灯控制系统成为城市发展的迫切需要，针对传统路灯存在的问题，ZigBee 技术在路灯节能控制系统的应用开发方法,取得了明显的节能控制成效。 关键词：Zigbee 技术；路灯控制器；节能控制 中图分类号：TE08 文献标识码：A 引言 我们的生产生活离不开照明设备，而照明设备的控制系统也是照明系统和建筑控制系统中一个相当重要的组成部分。但是传统的路灯节能系统存在着智能化程
2、度低、通讯稳定程度差、路面照度分布不均等问题。这些问题使得部分人们出行不便，而城市路灯能源的利用率也被拉低。从路灯节能控制系统的成本、可靠性、信息化、应用前景等方面考虑，采用 ZigBee 无线自组织无线网络技术无疑可以实现路灯节能控制系统的智能化、信息化、可靠性高、低成本的目标。 一、 Zigbee 技术及系统方案 1、ZigBee 技术 ZigBee 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。现今，它已被大量用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输。它具有低功耗、低成本、安全、可靠、时延
3、短、网络容量大、可靠、安全等特点。ZigBee 技术的建立是以 IEEE 80211514 标准定义了 MAC 层和 PHY 层的为基础的规范。ZigBee 联盟在此基础上定义了网络层和应用层规范。它的设备联网功能十分优越，可以支持三种自组织无线网络。即簇状结构、网状结构和星型结构，尤其其中的网状结构更是拥有很强的安全、可靠、平衡负载、健壮性、自行建网功能等优点。 2、系统方案 路灯节能控制系统采用 ZigBee 和 GPRS 两层无线网络作为数据传输媒介，为了达到控制路灯节约能源，并且为其他无线节点进行信息中继的目的，ZigBee 路由节点安装在路灯灯杆上，另外，本系统还采用ZigBee 的
4、网状拓扑结构，针对道路照明系统特殊的“长链型”本系统网络采用拓扑结构,结合道路照明系统的特殊性以及考虑到系统的健壮性和可靠性,以确保 ZigBee 子网中有足够的内置，这样就可以在网络中有节点离开网络，没有办法正常运行时，自行把节点的数据转接到另一个节点上，即其长链型的网络拓扑结构。ZZigBee 网络协调器负责建立网络和管理网络，形成一个 ZigBee 子站，通过 GPRS 无线网络，各 ZigBee 子网都能够实现与远程控制中心的相连以组成大区域的控制网络。 二、系统控制器节点设计 本路灯节能控制系统的关键及难点都在于节点的设计。路灯控制器节点由电流电压测量模块、保护模块、电源模块、功率自
5、动调节模块组成。ZigBee 无线控制网络的一个单元就是一个节点，网络系统的通讯靠它承载，它是整个系统的基础，无线控制网络就是由许多个节点间相互协调分工组成的。路灯的控制节点主要起着采集信息、执行控制及无线通讯的作用，而节点设计主要就是硬件设计以及软件设计。 1、控制器节点硬件设计 由电流电压互感器组成的电流电压测量模块是由电压电流互感器组成,用于采集电路中的电力参数。设置过温与过电流保护模块的目的是保护控制器节点安全，它可以到跳闸、供电故障和控制异常等突发事件,并及时将报警数据上传到控制中心。功率自动调节模块是个执行器,由 IR电子整流器组成，根据由微控制器发出的信号，它可以经由控制继电器开
6、关来改变接入电路中的节能电感量，从而实现功率的闭环调节目的。 2、控制器节点软件设计 根据 ZigBee 协议的 mesh 网络自组织自愈合的特点，控制节点间能够根据安装情况自行形成网络。为了达到简化软件设计部分的目标，本系统在 ZigBee 无线通讯这一部分采用 TI 公司发布的 ZigBee 协议栈。针对 ZigBee 协议栈的应用相关性的特点，在配置仪器节点之前，我们必须对相关的节点的信息进行初始化，对其进行事件函数的设定，在这个基础之上，才能在系统中使用命令。它是一种关于消息、消息格式和处理动作的协定，它使得不同节点上的应用根据该协定发送命令、请求数据、处理命令、请求。在配置节点的时候
7、，首先必须搞清楚各设备之间的相互关系和层级关系，例如各设备自己特有的 ID 号码，就像每个公民的身份证一样，必须是独特的，不能有相同的，这样才能进行管理，做到不重不漏。当路灯控制器节点要发送或接收数据时，则调用由 ZigBee 协议栈提供的发送和接收数据的应用程序接口函数，AF_ Data Request 函数和 AF_ Incoming Data 函数，由 ZigBee 协议栈网络层提供的路由算法(AODV)具体完成数据包的路由。所以我们必须对设备进行简单的描述统计，确定它们之间的结构之后再开始编写程序，做到连接清晰有条理，从而确保设备之间的正确高效运作。 软件的设计原则就是创建不同的函数，
8、并通过不同的函数命令来产生相应的功能。在所有的设备中，必须要有一个终端设备。我们在设计终端设备的时候，必须要具备如下的两个功能才能作为一个合格的终端设备。监控系统设备，它必须占用一个路由节点，否则无法对其它的设备进行数据的传递从而进行控制。第一个就是对各个路灯的状况查看实现了实时性，对全体的节点进行一个整体的掌握；第二个就是可以对各个节点进行命令控制，可以由一个终端设备对所有的设备进行控制，应用它们的功能，方便统一管理。 从一个应用层传送到另外一个应用层将函数命令进行设备的绑定。每个节点绑定一个终端设备的节点，然后将其变成一个一个路由节点。这些命令叫做成批处理命令，就是发出一个命令，同时众多的
9、设备可以进行操作，具有大批设备同时进行操作就叫做批处理，相对应的命令就叫做批处理命令。这样减小了时间的消耗，大大的提高了工作的效率， 。操作之后将每个区域节点便调整为协调节点。设定好启动的顺序之后，便可以正常启动网络，各种命令协调各数据层就组成了一个完整的 Mesh网络。 3 、测试结果及应用效果 路灯控制器节点设计的基础上,为了验证系统硬件设计及软件设计的可靠性，我们利用 Chipcon 公司的 IEEE 80211514/ZigBee 协议分析仪以上述路灯节能控制系统中节点的设计为基础，对 ZigBee 控制器进行了一些必要的测试，如通信、组网、互操作性等。来保证了产品的硬件设计、软件设计
10、的可靠性。特别是要解决以往无线控制网络的通信不稳定的问题,并且通信的延时较短。测试表明，控制器节点的硬件设计、软件设计均能够满足系统设计的要求。该路灯节能控制系统不仅大大缩短了通信延时，还攻克了传统的无线控制网络中的通讯不稳定的难题。实验还表明，软件硬件的设计满足系统的设计要求。通过实际工程应用对路灯节能率的测试,实际工程项目中路灯的节能率可达到 30%40%,实现了很好的节能效果。 总而言之，以 ZigBee 技术为基础的路灯节能控制系统采用 ZigBee和 GPRS 无线网络两层网络技术相结合，在满足人们对道路照明需求的前提下成功地避免不必要的照明电能消耗。经测试，路灯节能控制策略除了针对
11、单盏路灯的基于时间和亮度的节能控制，隔盏照明控制方法外，还包括大区域道路照明的节能策略，如基于地理、地形的控制策略等。它可以在很大程度上节约能源，并提高了系统的稳定性、可靠性，实现了城市道路照明系统的信息化、智能化。 结语 随着世界人口的不断增加，能源危机的形势日趋严重，随着 ZigBee技术的广泛应用，其成本也会因该技术的日趋成熟而不断降低。节约能源已经势在必行，因而路灯节能系统是未来城市照明系统发展的必然趋势。因此，以 ZigBee 技术为核心的路灯节能控制系统的应用前景十分广阔。 参考文献： 1朱忠芳、宋爱平、林涛，基于 ZigBee 技术的单灯节能监控系统J.现代电子科技，2008. 2蒋挺、赵成林，ZigBee 网络技术技术及其应用M.北京：北京邮电大学出版社，2006. 3孙利民，无线传感器网络M.北京：清华大学出版社，2005. 4黄沈磊，基于 Zigbee 的自组网无线路灯控制系统研究与设计D.苏州大学，2010. 5杨烨、董惠，基于 ZigBee 的无线传感器网络节点的设计J.现代电子技术，2009.
