基于2.4 G技术的LED路灯无线控制设计

邹振兴

（广东职业技术学院 广东 佛山 528041）

基于2.4 G技术的LED路灯无线控制设计

邹振兴

（广东职业技术学院 广东 佛山 528041）

主要分析了2.4 G无线技术及在LED路灯系统中的应用，设计了一种基于2.4 G技术的LED路灯远程控制系统，设计构建底层为路灯控制节点，中间为路由模块，顶层计算机控制终端的系统。旨在提供一种基于2.4 G无线技术的城市路灯照明系统解决方案，设计低成本、高效能、全自动化的城市照明系统。为实现路灯照明系统科学高效的控制和资源整合，实时了解整个城市的照明情况，提供了一种新的方法。

2.4 G无线通信；ZigBee技术；发光二极管；照明控制

照明路灯作为城市建设必须的公用基础设施，其控制和管理水平显现出一个城市的现代化程度。现有的照明管理系统大都采用有线电缆控制照明灯具，对LED路灯进行调控，通信协议比较复杂，建设成本和运营成本都比较高。当前国内外对于路灯照明系统科学高效的控制和资源整合的产品较少，功能不全面，而基于短距离无线通信技术的LED路灯远程控制方案正是根据我国这种现状而生的产物[1]。2.4 G无线技术的低功耗和免费的通信频段等特点，使它在短距离无线通信中独具优势。Zigbee技术作为一种可工作于2.4 G频段的无线通信技术，以其低功耗、通信可靠、网络容量大等优点为路灯远程自动控制提供了较合适的解决方案。

1 系统技术与系统结构

1.1 无线通信技术

2.4 G无线技术，其频段处于 2.405～2.485 GHz（科学、医药、农业）之间。所以简称为2.4 G无线技术。因这个频段里是国际规定的免费频段，2.4 G无线技术具有十分有利的可发展性。ZigBee是一种基于IEEE802.15.4标准的短距离、低速率无线网络技术。ZigBee利用全球共用的2.4 GHz公共频率进行无线测量和系统监控，具有明显的低成本、低功耗、网络节点多、传输距离远等优势。目前，ZigBee技术已被视为替代有线监视和控制网络领域最有前景的技术之一。

采用ZigBee无线网络，通过众多节点的无线组网从而构成一个基于ZigBee的无线传感器网络（WSN），这样不仅省去了架设线路的费用，维护管理开支也比较低。

1.2 路灯控制技术

目前国内很多城市路灯的开、关控制仍由配电箱分散控制，很少对路灯进行远程监控，缺乏灵活多变的操作方式，无法根据实际需要开关路灯，很多时候造成能源浪费，存在着一系列的问题：通信系统采用有线方式布局，系统复杂，管理困难；照明系统覆盖范围广，工作人员难以及时有效的进行维护，效果不理想；路灯运行状态不能及时反馈到控制中心，无法及时维护，当路灯发生故障时，给行人也带来不便；无法根据实际需求开关路灯，造成能源浪费；存在安全隐患，工作人员无法及时掌握路灯情况，无法保障安全。

针对上述传统控制技术存在的缺点，设计中利用ZigBee技术与LED路灯的结合能很好解决路灯的监控和节能问题。主要原因如下：

1）ZigBee技术的网络容量大且组网简单，理论上拥有一个协调器的网络可拥有多达65 535个节点，每个路由器也能容纳255个节点。这和其他技术相比拥有极大的优势。一般情况下，一个区域的路灯用一个协调器及可进行控制。

2）在对路灯进行监控时，需要进行传输的数据不多，只需要每隔几分钟发送一次数据即可。

3）ZigBee网络是一种自组织网络，网络拓扑结构可以根据实际需要随意变动，而且ZigBee网络具有自愈功能，网络不会因为一个或几个节点失去联系而瘫痪。

4）Zigbee技术的低功耗、低成本、低复杂度和网络容量大等特性成为路灯控制系统的最佳技术方案，而且可以在监控中心对路灯进行远程无线控制，操作更加灵活[2－3]。

1.3 无线LED路灯远程控制系统结构

系统设计的硬件由3部分组成：安装在路灯灯杆上的终端控制节点，控制中心的监控系统，负责实现终端控制节点和控制中心通信的路由节点。无线LED路灯远程控制系统结构如图1所示。

图1 无线LED路灯远程控制系统结构Fig.1 Structure diagram of the Wireless LED street lamp remote control system

控制中心的监控系统由PC机和无线收发模块组成，主要负责建立和管理路灯控制网络，显示路灯状况信息和发送控制命令，协调整个路灯系统的运作。构建了底层为路灯控制节点，中间为路由模块，顶层计算机控制终端的系统。

路灯终端节点包括LED电源驱动，为大功率LED提供电力，并能根据MCU控制信号控制LED的工作情况；光敏传感器、温度传感器，直接将LED工作状况传输给控制模块；功率检测模块，检测LED功率情况、供电故障并向上报警，无线模块，负责传输数据。节点框架图如图2所示。

图2 路灯终端节点结构Fig.2 Structure diagram of the street lamp terminal node

调节LED亮度的方法主要有两种。一种是改变恒定电流，一种是改变脉宽调制（PWM）。系统设计中是采用了后者，在改变脉冲占空比的方法（PWM调制）中，由于反复接受瞬间闪光后，人眼会感受到反复时间内的平均亮度。方法是根据脉冲占空比改变亮度。且考虑到使用MCU，容易实现PWM调制。

调节LED亮度的方法主要有两种。一种是改变恒定电流，一种是改变脉宽调制（PWM）。系统设计中是采用了后者，在改变脉冲占空比的方法（PWM调制）中，由于反复接受瞬间闪光后，人眼会感受到反复时间内的平均亮度。方法是根据脉冲占空比改变亮度。且考虑到使用MCU，容易实现PWM调制。

本设计终端路灯节点使用多种传感器，如光敏电阻传感器、温度传感器，测量周围环境情况和路灯的工作情况，并将处理器的数据发送到控制中心，由控制中心决定路灯的工作模式和状态。如果传感器的测量值超过了阈值，则路灯自动关闭，并向控制中心报警。如使用光敏电阻传感器测量周围环境的光亮度，来实现LED路灯在不同光环境下的自动调节。使用温度传感器，实时监控路灯的温度情况，如果路灯工作发生了异常，路灯控制器控制路灯关闭，并将报警信息通过ZigBee模块后发送给控制中心。

系统主控模块采用MCU单片机控制。无线通信模块使用CC2480/ZigBee模块，该模块在单个芯片上集成了ZigBee射频前端、模拟数字转换器、定时器，支持2.4GHzIEEE802.15.4 协议[4－5]。 其无线性能出色，功耗低。 模块可以工作在同步模式或异步模式，提供UART模式和SPI模式同控制电路连接。模块与MCU单片机实现串口通信。单片机发送数据给CC2480，CC2480就可以无线发送出去，CC2480接收到无线数据也传送给单片机。

1.4 无线网络的构建

在设计中远程网络采用ZigBee+GRPS网络的混合网络。由于ZigBee无线网的标准传输距离只有75 m，即使使用扩展天线也只有200 m，要实现覆盖整个城市的WSN很困难。如果使用中继路由的方式实现的话，成本不低，网络过大，可靠性无法保证，不好控制。所以将城市路灯组网划分成若干个小的子网，每个子网覆盖几个到十几个街区，每个子网中有几百盏路灯，子网内部使用ZigBee建立的WSN控制路灯，其终端和协调器之间最多路由跳转2～3次，保证网络可靠性。子网和中央控制中心使用GPRS网络来传输数据。远程监控网络如图3所示[6]。

图3 远程监控网络Fig.3 Remote monitoring network

2 软件流程

在系统工作的过程中网络协调器负责建立网络和接收节点发送来的路灯信息，根据路灯的状况发送控制信号到路灯节点。协调器工作首先初始化CC2480，然后初始化协议并打开中断。之后程序开始建立一个网络，如果网络建立成功，则显示相应的网络协调器的物理地址、现在建立网络的ID号和频道号。协调器程序软件实现的流程图如图4所示。

图4 协调器程序流程图Fig.4 Flow chart Coordinator program

对于路由节点，程序首先初始化CC2480，然后打开传感器电源，之后初始化协议栈，并开始发送加入网络请求信号，等待网络协调器或前面的路由器节点响应，并给自己分配网络地址。如果加入网络成功，通过串口扩展口可以得到网络的网络地址、路由节点自己的物理地址和接入网络协调器或前面路由节点的物理地址等数据。软件实现的流程图如图5所示。

图5 路由器流程图Fig.5 Router flow chart

3 结束语

基于2.4G的ZigBee技术和LED光源的路灯系统，是一种自动化成度高、高效节能的智能城市照明系统。目前的LED路灯系统主要使用有线线路控制，本设计创新之处就在于使用了无线控制模块，可以在城市信息控制中心整合控制全城的路灯照明系统，实时了解整个城市的照明情况，方便调控城市照明和日常维护。及时故障报警功能可让路灯受损坏时无需人工检测即可给检测人员提供准确的定位[7]，取代了传统的巡视道路这一大成本投入的老模式，也使得现代无线技术更加节能和“人性化”。

[1]毛兴武，毛涵月，王佳宁，等.LED照明驱动电源与灯具设计[M].北京：人民邮电出版社，2011.

[2]李丽玲，郭玉萍，林士凯.探讨LED路灯技术及标准[J].照明工程学报，2009（S1）：17-20.

LI Li-ling，GUO Yu-ping，LIN Shi-kai.To investigate LED road lamp technnlogy standard[J].China illuminating engineering journal，2009（S1）：17-20.

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ZHU Yi-yun，LV Yang.Intelligent household ZigBee wireless digital design and implementation based on CC2430[J].Journal of Yunnan University：Natural Science Edition，2009，31（s1）:114-115.

[5]孙建延，雷钢，张秀奇.基于GPRS的无线LED点阵控制系统设计[J].仪表技术与传感器，2009（11）：65-67.

SUN Jian-yan，LEI Gang，ZHANG Xiu-ji.Wireless LED lattice control system design based on GPRS[J].J instrument technology and sensor，2009（11）：65-67.

[6]周喜权，王纲.无线远程控制LED显示系统设计[J].齐齐哈尔大学学报，2010（6）：5-8.

ZHOU Xi-quan，WANG Gang.Wireless remote control LED display system design[J].Journal of Qiqihar university，2010（6）：5-8.

[7]施先旺，刘婷婷，李国良.采用有限状态机实现控制指令的可靠检测[J].火箭推进 ，2011（5）：63-68.

SHIXian-wang， LIU Ting-ting， LIGuo-liang.Control instruction detection realized by finite state machine[J].Journal of Rocket Propulsion,2011（5）：63-68.

LED street lamp wireless control design based on 2.4 G technology

ZOU Zhen-xing
（Guangdong Textile Polytechnic， Foshan 528041， China）

This paper mainly analyzes the 2.4 G wireless technology and application in the LED street lamp system，design a kind of LED street lamp remote control system based on 2.4 G technology，the design building bottom for street lamp control node， intermediate for routing module， top computer control terminal system.Aims to provide a city street lamp lighting system solutions based on 2.4 G wireless technology， the design is low cost， high efficiency， full automatic city lighting system.For the realization of street lamp lighting system scientific and efficient control and resource integration，real-time understand the urban lighting conditions，and provides a new method.

2.4 G wireless communication；ZigBee；LED；lighting control

TN92

A

1674－6236（2013）04－0119－03

2012－10－02稿件编号201210003

邹振兴（1982—），男，广东揭阳人，硕士研究生。研究方向：集成电路与系统。