摘要：以智能小區(qū)的照明應(yīng)用需求為出發(fā)點，通過ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸控制和檢測信息，光線強度檢測傳感器、電壓電流檢測傳感器采集信息，以PT4115 作為LED 路燈的PWM 恒流驅(qū)動控制芯片，構(gòu)造了以CC2430 為控制的智能小區(qū)LED 路燈控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有節(jié)能效果好、智能化程度高、故障自動檢測、照明方案多樣等特點。

　　引言

　　隨著我國城市化建設(shè)的深入，大中型城市中智能化管理的小區(qū)、花園別墅、綜合設(shè)施等（ 以下統(tǒng)稱“智能小區(qū)”） 需要有與其配套的高效環(huán)保的智能化照明控制系統(tǒng)，要求在對照明設(shè)備信息的獲取和控制方式上做到遠(yuǎn)程化、智能化、個性化?，F(xiàn)代智能小區(qū)的照明設(shè)計已不僅是小區(qū)道路和庭院的照明設(shè)計，往往還包括一些景觀照明設(shè)計。小區(qū)主干道照明、支路照明、綠化景觀照明可分別采用單獨回路供電，這樣可以根據(jù)不同需要，對各處的照明實行單獨控制，節(jié)約電能。

　　1 LED 路燈照明特點

　　LED 路燈使用體積微小的LED 點光源，便于利用二次光學(xué)設(shè)計使目標(biāo)區(qū)域內(nèi)光照射均勻度可控，能夠避免傳統(tǒng)光源路燈“燈下亮”造成的光浪費；LED色溫可調(diào)，即可以通過簡單的控制電路，改變LED 燈內(nèi)不同晶片的驅(qū)動電流，實現(xiàn)同一盞LED 路燈能發(fā)射多種顏色光即實現(xiàn)色溫可選，且顯色性較好，在不同場合的應(yīng)用中，有利于提高效率，降低成本； LED路燈便于配合數(shù)字調(diào)光，可更省電；LED 使用低壓供電，安全性高。因此智能小區(qū)采用LED 路燈照明將成為未來的發(fā)展方向。

　　2 ZigBee 協(xié)議應(yīng)用于智能小區(qū)照明的優(yōu)勢

　　ZigBee 技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適合于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入到各種設(shè)備中，同時支持地理定位功能。ZigBee 技術(shù)的較低數(shù)據(jù)速率以及較小通信范圍的特點決定其適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)。

　　IEEE802. 15. 4 協(xié)議定義了兩個物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是2. 4GHz 物理層和868 /915MHz 物理層。2. 4GHz 波段為統(tǒng)一無需申請的ISM 頻段，有助于ZigBee 設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低；為了避免干擾，除了2. 4GISM 頻段外，歐洲還采用868MHz 頻段，美國采用915MHz 頻段作為ZigBee 的工作頻段。這些頻段都比較近，對信號合成器的程序稍微改動，就可以使用相似的硬件，從而降低生產(chǎn)成本。

　　由于這兩個頻段上無線信號傳播損耗較小，可以降低對接收機靈敏度的要求，獲得較遠(yuǎn)的有效通信距離，從而可以用較少的設(shè)備覆蓋較大的區(qū)域。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)含3 種類型的節(jié)點，即協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備，支持星狀、樹狀和網(wǎng)狀3 種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　從ZigBee 協(xié)議特點可以看出，將ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)用于智能小區(qū)路燈控制系統(tǒng)具有以下特點：短距離、小范圍傳輸，具有成本優(yōu)勢；頻率范圍在小區(qū)內(nèi)具有較強的抗干擾性，可以利用小區(qū)的地域特點選擇合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且組網(wǎng)簡單可靠；經(jīng)過合理布局，在一個小區(qū)內(nèi)能做到無任何通訊盲區(qū)，利用其地理定位的功能，便于對LED 路燈在小區(qū)分布區(qū)域進行管理。

　　3 系統(tǒng)設(shè)計方案

　　如圖1 所示，整個系統(tǒng)由小區(qū)路燈監(jiān)控與管理系統(tǒng)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、LED 路燈支路控制器、LED 路燈及驅(qū)動電路、ZigBee 終端支路控制節(jié)點和ZigBee 終端環(huán)境參數(shù)檢測節(jié)點組成。整個系統(tǒng)設(shè)計成依據(jù)小區(qū)環(huán)境參數(shù)（ 如亮度、溫度、濕度） 自動運行，無需人工干預(yù)，并能及時檢測社區(qū)各路燈的工作狀態(tài)，及時跟蹤維護。智能小區(qū)信息管理中心（ PC 監(jiān)控臺） 負(fù)責(zé)監(jiān)視整個社區(qū)路燈的運行情況，并能根據(jù)控制臺命令人工控制各路燈的開關(guān)、亮度，其用RS232 串口與ZigBee 網(wǎng)絡(luò)通訊；無線傳感網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)傳送監(jiān)控臺的命令并搜集ZigBee 終端節(jié)點的狀態(tài)信息；終端節(jié)點負(fù)責(zé)LED 路燈的控制與驅(qū)動；ZigBee 終端支路電壓電流檢測電路用于檢測整個支路的電壓電流狀態(tài)；ZigBee 終端環(huán)境參數(shù)檢測電路用于檢測整個小區(qū)的環(huán)境參數(shù)，包括光線強度、溫度、濕度，以之作為ZigBee 終端控制的依據(jù)。

圖1 系統(tǒng)組成方框圖

　　3. 1 ZigBee 組網(wǎng)設(shè)計

　　3. 1. 1 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)開發(fā)工具的選擇

　　ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)使用成都無線龍C51RF －3系統(tǒng)。其處理器采用TI 公司的CC2430，單個芯片上整合了ZigBee 射頻（ RF） 電路和微控制器，它使用1個8 位MCU（8051） ，具有128kB 可編程閃存和8kB的RAM，還包含模擬－ 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ ADC）、定時器（ Timer） 和AES128 協(xié)同處理器［4］。C51RF － 3 系統(tǒng)支持ZigBee2006 協(xié)議，是一款經(jīng)濟、高效、方便、快捷、可重復(fù)使用的開發(fā)工具套裝，完全滿足IEEE802. 15. 4 標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計開發(fā)。在組網(wǎng)方面，C51RF － 3 系統(tǒng)能實現(xiàn)組建串狀網(wǎng)絡(luò)和星狀網(wǎng)絡(luò)。ZigBee2006 協(xié)議中默認(rèn)參數(shù)為：路由深度MAX_DEPTH = 5，多子節(jié)點數(shù)MAX_CHILDREN = 20，多路由子節(jié)點數(shù)MAX_ROUTERS = 6，這三個重要的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)決定了在默認(rèn)情況下無線傳感網(wǎng)絡(luò)的大?。?］。在C51RF － 3 系統(tǒng)中，ZigBee 設(shè)備的無障礙無線傳輸距離可達(dá)到100m;在有障礙物的情況下，可靠傳輸距離超過30m，因此在小區(qū)內(nèi)能方便地實現(xiàn)布網(wǎng)。對于一些大型社區(qū)，可通過修改網(wǎng)絡(luò)的路由深度和多路由節(jié)點數(shù)來擴展其傳輸距離。在本系統(tǒng)的設(shè)計中采用星形網(wǎng)絡(luò)，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)的組網(wǎng)設(shè)計

　　ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)開發(fā)平臺C51RF － 3 － PK 軟件開發(fā)平臺IAR Embedded Workbench（ 簡稱EW） 對不同的微處理器提供一樣的直觀用戶界面［5］。在這個開發(fā)系統(tǒng)的Demo Code 中定義了3 種設(shè)備，分別是協(xié)調(diào)器（COORDINATOR）、路由器（ROUTER） 和終端節(jié)點（ ENDDEVICE）。用戶在開發(fā)自己的應(yīng)用程序時可通過改變編譯配置項，輕松開發(fā)出組建ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的各個設(shè)備，并且在其ZigBee 協(xié)議棧內(nèi)嵌入了操作系統(tǒng)OS，具有任務(wù)的消息通信、超時反饋機制，用戶能很容易地擴充自己的應(yīng)用程序。

　　ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點尋址原理：ZigBee 網(wǎng)絡(luò)在初始化時，協(xié)調(diào)器依據(jù)網(wǎng)絡(luò)中每個終端的MAC 地址給每個節(jié)點分配一個16 位短地址，此地址在網(wǎng)絡(luò)中是的，在協(xié)調(diào)器中建一個二維表，包括每個節(jié)點的MAC 地址及16 位短地址，依據(jù)此表，小區(qū)信息管理平臺能夠?qū)ぶ返矫恳粋€節(jié)點，可以方便地實現(xiàn)對單盞燈的操作，也可通過廣播信息實現(xiàn)對ZigBee 網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點的控制。信息的轉(zhuǎn)發(fā)與路由則由網(wǎng)絡(luò)自動完成，不需要應(yīng)用程序干預(yù)。

圖3 智能小區(qū)網(wǎng)絡(luò)管理流程圖

　　3. 1. 2 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)管理流程的設(shè)計

　　所有的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通電以后，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)是自動組網(wǎng)的，經(jīng)過一段時間后（ 系統(tǒng)中可設(shè)定） ，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將整個網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息通過RS232 串口傳輸給上位機的小區(qū)路燈監(jiān)控系統(tǒng)，形成監(jiān)控平臺，在其上顯示基于地域的路燈圖形顯示信息。整個智能小區(qū)的LED 路燈管理方案采用四級控制策略，如圖3所示，其中小區(qū)管理員在配置好系統(tǒng)后，只有在緊急情況或特別情況下，才需要干涉LED 路燈照明系統(tǒng)的運行，并且可以監(jiān)控整個照明系統(tǒng)的運行；智能小區(qū)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)采用基于日期的控制策略，在不同日期（ 如節(jié)假日） 可以采用不同的照明方案；ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器則可以根據(jù)環(huán)境參數(shù)，如光線強度，啟動整個網(wǎng)絡(luò)的照明，特別是在一些比較特殊的天氣，如陰天、雷雨天氣，能夠自動開啟照明系統(tǒng)；LED 路燈的終照明是通過ZigBee 終端來控制實施的，正常情況下，可采用基于時間的控制策略來控制LED 路燈的開關(guān)。

　　3. 2 路燈節(jié)點控制設(shè)計

　　路燈節(jié)點的控制方式可設(shè)計成兩種。種是基于單盞燈的控制方式，系統(tǒng)能單獨控制每盞燈的開關(guān)、功率、光色（ 采用R、G、B 三色LED，根據(jù)三基色原理控制） ，這樣能方便地根據(jù)環(huán)境參數(shù)，如光強度、濕度、溫度，及時間設(shè)定特定的燈光控制策略，如在節(jié)假日可顯示不同的色彩及亮度；第二種是基于支路的控制方式，它通過控制支路的電源來實現(xiàn)，依據(jù)支路的電壓、電流傳感器測得的支路電壓和電流值來確定支路的工作功率及工作狀態(tài)是否正常。

　　LED 路燈驅(qū)動芯片采用PT4115，其功率為36W，對功率要求較大的場合可采用多塊PT4115 芯片組合。PT4115 是一款連續(xù)電感電流導(dǎo)通模式的降壓恒流源，其輸入電壓范圍為8 ～ 30V，輸出電流可調(diào)，可達(dá)1. 2A，根據(jù)不同的輸入電壓和外部器件，PT4115 可以驅(qū)動高達(dá)數(shù)十瓦的LED;PT4115 內(nèi)置功率開關(guān)，采用高端電流采樣設(shè)置LED 平均電流，并可通過DIM 引腳接受模擬調(diào)光和很寬范圍的PWM 調(diào)光，DIM 引腳直流電壓的有效調(diào)光范圍是0. 5 ～ 2. 5V，當(dāng)直流電壓高于2. 5V，輸出LED 電流保持恒定，并由（0. 1 /RS） 設(shè)定，系統(tǒng)則通過CC2430 I /O 口模擬產(chǎn)生PWM 波形來控制路燈的亮度，當(dāng)DIM腳的電壓低于0. 3V 時，功率開關(guān)關(guān)斷，PT4115進入極低工作電流的待機狀態(tài)； 其轉(zhuǎn)換效率高達(dá)97% ，輸出電流達(dá)± 5% ;芯片具有過溫、過壓、過流、LED 開路保護等多種功能；采用SOT89 － 5 封裝，有利于驅(qū)動芯片管芯的快速散熱；其應(yīng)用電路簡單，周邊僅4 個元器件，應(yīng)用成本低廉。如圖4 所示。

圖4 終端節(jié)點的控制電路

　　4 總結(jié)

　　通過對基于ZigBee 技術(shù)的智能小區(qū)LED 路燈控制系統(tǒng)的研究，探討了在智能小區(qū)中ZigBee 技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢及LED 路燈的應(yīng)用特點，給出了系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，可根據(jù)實際需求，制定多種具體的小區(qū)照明方案。

參考文獻(xiàn):

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