基于zigBee网络的路灯节能监控系统

摘要：为了实现对节能路灯的监控系统的设计，采用基于ZigBee技术的组网方案，进行系统的网络构架，以及Mesh网络的研究。设计了监控系统终端节点的硬件平台以及编写了ZigBee协议栈的软件。通过实验室对路灯的模拟实验，系统实现了Mesh网络以及Ad Hoc路由算法，提高了系统的稳定性，满足了节能路灯的通讯要求。
关键词：ZigBee；路灯节能；CC2430；Mesh

O 引言
    路灯系统是城市基础设施的组成部分，是与人们日常生活紧密相关的市政公共设施。同时绿色照明是当今照明界的必然趋势，随着城市化进程的加快和城市规模和数量的扩大，照明消耗，照明电费日益高涨，加剧了我国日趋紧张的能源供应。因此建立路灯节能监控系统实现了路灯的集中控制、检测与管理。结合相应的控制网络确保按时、按需点亮每盏路灯，并能有效的节省路灯的用电，延长灯泡的寿命，降低维护的成本，是现代能效型社会的目标。
    当前路灯节能系统组网的方案中有基于电力线载波通讯的组网方式，GSM短消息控制。ZigBee技术是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术。目前已经广泛应用于无线网络监控行业，并取得了较好的效果。提出了基于ZigBee技术的无线网络的通讯系统。在降低成本的同时能够克服电力线载波通讯中不能换相的问题，另外使用Mesh网络进行通讯保障了无线通讯的可靠性。

1 系统方案以及ZigBee技术
    在ZigBee网络中的设备分为FFD(全功能设备)和RFD(简化功能设备)两种。FFD可以作为协调器和路由器使用，可以和FFD设备和RFD设备之间进行通讯；主要负责网络的组建和维护以及路由。RFD设备一般为终端节点，互相之间不能通讯，完成信息的发送和接收。
    ZigBee网络支持星型网、集群树状网和网状网三种拓扑。网状网是一种高可靠性的AdHoc网络，与集群树状网不同的是，具有路由功能的节点之间可以进行通讯，从而网状网通过自组织和无线线路的功能可以提供多个数据通路。当最优路径出现故障时，冗余的其他通路提供相应的路径。因此网状结构缩短了信息传输的延迟并提高了通讯网络的可靠性。
    路灯节能监控系统是由三层网络来实现的，如图1所示。

    其中监控层主要有PC机完成系统的上位机监控画面，以及控制指令的交互设计。中间层由每个子网的协调器组成，通过GPRS通讯技术将子网内的数据信息传送到系统上位机。最后子网内采用ZigBee网状网络来实现路灯之间的通讯。将每个街道划分为一个子区域，将街头的路灯设置为协调器，其他的路灯节点设置为路由节点，最后通过ZigBee协议栈中的网络层来实现Mesh网络的构建。从而保证将每个节点上的信息及时地发送到相应的协调器。

2 控制器节点设计
    控制器节点是组成网络的基本，是网络通讯的载体，是系统中的关键。其主要功能是实现信息的采集、无线通讯以及系统的控制。主要包括软件设计和硬件设计。
2．1 控制器节点硬件设计
    该节点以CC2430为主要的硬件平台实现系统的设计。CC2430是Chipcon公司推出的用来实现嵌入式ZigBee应用的片上系统。在整个芯片上集成了模拟数字转换器、定时器和AES协同处理器等其他外设。支持2．4 GHz，IEEE 802．15．4／ZigBee协议。
    路灯控制器主要由电压电流采集模块、功率调节模块、无线通讯模块和CC2430组成。其中电流电压采集模块是通过相应的采集电路将信号调理到0～5 V之间的信号，利用CC2430中的ADC模块来进行采样，从而获得路灯当前的电流和电压的信息；功率调节模块是由IR2159电子整流器组成的，利用CC2430中的定时器来输出占空比不同的脉冲，调节DIM引脚上的电压，从而调节路灯的照明亮度。最终实现对路灯的监控。图2为CC2430的原理图。

    AIN0为电压采集通道，AIN1为电流采集通道。SD，FMIN，DMIN分别对应IR2159电子整流器的三个控制引脚。其中SD为控制电子整流器的开关，FMIN为当前电子整流器的开关状态，DMIN为IR2159的模拟调光接口，来控制光线输出的亮度。
2．2 软件设计
    在控制节点之间，利用ZigBee通讯组成自组织的Mesh网络。该设计采用TI公司发布ZigBee的协议栈，来简化系统的软件部分设计，其中程序的主要组成包括协议栈的配置以及驱动函数的编写。
    软件部分是在IAR环境中OSAL操作系统上编程。首先在用户应用层中初始化相关节点信息的配置以及相关事件处理的函数；然后在系统中添加任务。
    在节点的配置过程中，首先确定应用中的设备类型，并为每个设备分配一个设备ID。然后确定设备间通讯的命令以及和每个设备的对应关系。创建简单设备描述符结构，最后编写相关的应用程序，确定绑定方案，使设备能够正确的交换数据包。
    在系统中终端为监控设备，应该配置为路由节点。从而实现Mesh网络的组建。
    终端设备包含两个命令，它们分别是：输入当前路灯状态，主要是用来反馈当前路灯的电压值和电流值，从而得到路灯的实时状况；另外一个是，关于上位机对下位机的输出控制指令来控制路灯的亮度以及开关。最终可以直接利用命令来控制各个功能的实现，从而保证了数据的安全性和通讯的可靠性，同时提高系统的通讯效率。
    ZigBee中使用设备描述符数据结构来描述它们自己，包括在这些描述中的实际数据被定义在个人的设备描述符。
    根据不同的命令实现相应的程序，在系统中主要包括对应NOW_STATE_CMD_ID命令的A／D采样程序，得到路灯当前的电流以及电压情况；以及LIGHT_CMD_ID命令的执行函数通过命令信息的数值调节IR2159的模拟信号输入值，最终调节路灯的亮度。
    最后进行控制信息从一个应用层到另一个应用层的绑定操作。绑定后允许应用层发送信息而不带目的地址，APS层从它的绑定表格中确定目的地址，然后在信息前段加上这个目的地址或组地址。在路灯控制的过程中，其监控信息具有一定的群操作性。所以将每个节点的命令绑定每个终端控制节点并将其配置为路由节点，将每个区域的区域节点配置为协调节点。这样按照一定的启动顺序后，经过网络启动以及网络搜寻和加入，最终利用协议栈的网络层可以组成相应的Mesh网络。设备的程序流程图如图3所示。

3 分析结果
    在以上终端设计的基础上实现了Mesh网络的建立、通讯以及互操作性的测试，解决了网络结构不稳定的问题。实验表明能够在部分路灯节点出现故障时，同样能够将所需的信息传送到协调器上，同时由于采用的是Ad Hoc路由算法为最优路径，传输时间有所减小。在此平台上设计，路灯的照明方案实现对路灯信息的实时监控，从而达到节能的目的。

4 结论
    介绍了基于ZigBee无线网络技术的路灯节能监控系统，结合路灯分布的特点设计出无线的监控方案，在方便安装的同时解决了电力线载波的跨相的同时，提高了系统的稳定性。满足了节能路灯的通讯要求，最终解决了路灯节能系统的节电问题，系统中具有智能化，信息化的特点，在满足人们照明要求的同时，避免了不必要的用电浪费，最终实现了节能的目的。