ZigBee无线路灯监控系统

张春燕，朱小本，熊吉骆

（1.陕西省铜川市新区路灯管理所，陕西 铜川 727000；2.杭州瑞琦信息技术有限公司，杭州 310012）

据有关资料统计，目前城市公共照明在我国照明耗电中占30%的比例，约439亿kWh，以平均电价0.65元/kWh计算，一年开支达285亿元，成为各地财政部门的一大负担。随着我国城乡一体化建设和城市化建设的不断深入，对道路照明扩展规模越来越大，因此对道路照明及景观照明提出了更高、更新的要求。与此同时，路灯的电能消耗和灯具损耗也越来越大。传统的路灯控制系统存在着智能化程度低、线路稳定度差等问题，给城市照明系统的管理和维护带来很大困难。为了解决以上问题，在此提出了基于CC2530的ZigBee（紫蜂）无线路灯监控系统方案。

1 系统构成

1.1 ZigBee无线传输技术简介

ZigBee是一种基于IEEE 802.15.0标准的短距离、低速率无线传输技术，工作频段为2.4 GHz，具有16个信道，主要解决低成本、低复杂度、低传输速率、近距离传输设备等组网问题，用于对网络中被控对象的监测及控制。

由ZigBee网络设备组成的系统具有以下优点：安装方便，无需额外布线，降低了成本及施工难度；能远程实现批量操作，整个管理系统更具人性化；操作方便，智能控制，维护简单，可实现数字化管理。

1.2 系统构成

系统采用三级网络组成，分别是监控中心（路灯所）、控制主机（配电柜）、被控对象（单灯控制器），如图1所示。

监控中心通过GPRS（通用分组无线服务技术）与控制主机通信，控制主机通过RS-485总线与安装在配电柜里的ZigBee集中器通信，ZigBee集中器通过ZigBee无线信号与被控对象即单灯控制器通信，最终由单灯控制器管理到每一盏路灯，对路灯进行开关和调光控制，对电压、电流、功率因数、灯亮度等参数以及防盗模块进行监测，能将路灯的灭灯或电容故障及时主动上报，遇盗窃行为时能将信号传导至监控中心发出声光报警，从而能有效地阻止各类盗窃路灯电缆、器材的犯罪行为。

图1 无线路灯监控结构

2 系统硬件设计

2.1 终端ZigBee模块设计

终端Zigbee模块采用TI公司CC2530片上系统作为单灯控制电路的核心，根据路灯系统特点，网络采用“链”形连接，以便灵活地增加或删除节点。在配电柜中的Zigbee模块是该配电柜下所管辖路灯网络的中心节点，起着转发上位机命令到被控对象及上传来自某1盏或多盏路灯数据包的作用，同时还会每隔一段时间下发1次“心跳包”，检测通信链路是否畅通，因此中心节点必须时刻处于工作状态。

在每个灯杆的单灯控制器中装有1个ZigBee模块，该模块既是被控节点，又是路由器，起中继作用，除了完成对自身任务的处理，还需转发其他数据，承担着中心节点和相邻节点通信的任务。某一节点如果出现暂时的通信失败，数据转发的任务可以自动交给相邻节点来完成，而不会影响整条线路的通信。

2.2 单灯控制器设计

单灯控制器组成如图2所示。CPU采用ARM7系列的微处理器芯片。ZigBee无线模块工作频段为2.4GHz，每间隔5M为1个信道，总共有16个信道可用，ZigBee模块与主控制器之间通过通用UART（异步接地发送装置）通信。

图2 单灯控制器组成

调光模块采用LPC936微处理器，通过RS485总线和主控制器CPU通信，具有5个档位的调光功能。主控制器通过IO（输入/输出）口控制继电器的闭合或断开，从而控制路灯的开或关。主控制器通过ADC（自带模数转换器）采集功能，实时采集电流电压参数，还可将参数通过ZigBee无线模块上传到监控中心，以便更好地监控路灯的工作状态。

3 单灯控制器软件系统设计

3.1 程序功能

接收ZigBee无线模块的命令后，根据相关命令协议执行查询、修改配置与状态命令；二路继电器根据配置中的调光值执行开关操作；实时进行二路电压、电流采样，并根据采样结果进行故障诊断；如需上传本地状态或配置数据，则通过ZigBee无线模块将数据上传到监控中心。主程序流程见图3，ZIgBee无线模块程序流程见图4。

图3 主程序流程

3.2 路由算法设计实现

图4 ZigBee无线模块程序流程

图5 现场路灯安装示意

路由算法是系统实现各项功能的核心因素，该算法主要是针对直行并排安装的路灯现状，采用“链”型网络结构。路灯现场安装示意如图5所示，以配电柜所在处为中心，将道路左右两边分成4个分支，分别以分支1、分支2、分支3、分支4表示，每个分支的路灯数可以相同，也可以不同。每相对的2组节点组成1个“链环”，如图中分支1的节点1、节点2和分支2中的节点1、节点2就组成1个“链环”，分支1中的节点2、节点3和分支2中的节点2、节点3亦组成1个“链环”，分支3和4同样如此。这样1个交叉重叠的“链”型网络，允许1个“链环”中其他3个节点处于空闲状态，只要有1个节点处于正常工作状态，既可保证整个网络的通信正常。

每1个节点都有路由记忆功能，保证系统选择最佳“路径”进行通信，从而使得整个系统的通信可靠稳定，系统路由功能更加智能。

4 结语

ZigBee无线单灯监控系统目前已经有工程应用实例，由于其安装简单、组网方便、维护成本低等优点，在实际工程中实现了路灯节能控制系统的智能化、信息化、高可靠性、低成本的目标，取得了明显的节能控制成效，符合国家节能减排的发展战略，相信这项技术的市场应用前景将会更加广泛。

[1]李文仲，段朝玉.ZigBee 2007/PRO[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[2]蒋挺，赵成林.紫蜂技术及其应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2006.

[3]李文仲，段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[4]瞿雷，胡咸斌.ZigBee技术及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.