基于Zigbee的道路照明控制系统研究

李伟波，张泳（天津市市政工程设计研究院，天津 300051）

1 前言

近几年兴建的大型功能区、产业园区等，均提出了物联网建设的概念，即通过各种信息传感设备，实时采集需要监控、连接、互动的设备终端或各种信息，与互联网结合形成的一个巨大网络，其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。

物联网概念的提出和建设，对道路照明控制技术提出了新的要求：在实现基本照明功能的基础上，更多地体现智能、先进、互联的特点，具体来说就是实现路灯的单灯监控、集中管理和智能调节。

基于物联网技术的道路照明控制系统将现代通信技术、物联网技术、嵌入式计算机技术、传感器技术融入传统道路照明控制，是智能电网的有机组成部分。该技术的应用解决了传统道路照明的路检、单灯控制、信息跟踪等问题，是现代城市照明的理想解决方案。

2 传统道路照明控制方式介绍

传统照明领域的控制相对简单，通过天文钟实现时间控制，或者通过光传感器实现光照控制，通过调压、半夜灯控制等措施达到节能目的。

（1）时间控制

时间控制是通过路灯时控器来实现的。在路灯时控器内预存有一年365天的日出、日落时间，时控器根据每天设定的开、关灯时间自动控制接触器的接通或断开，以实现路灯开、关控制。这种控制方式实现起来比较简单，过去被广泛应用。

（2）光照控制

光照控制通过光照度值控制路灯开、关。将光照度传感器检测到的照度信号与设定开灯照度、关灯照度进行数值比较，从而确定开、关灯条件。光照控制可以作为时间控制的一种辅助控制方式，遇有阴雨、严重雾霾等特殊天气时，能弥补时控方式的不足。

（3）半夜灯控制

半夜灯控制是传统照明里广泛采用的一种节能控制方式，可以通过降压调光、部分灭灯等几种不同的实现方式。降压调光是通过电源侧装设的电压调节模块，小范围地调节路灯回路供电电压，间接达到调光的目的；部分灭灯方式包括单侧、间隔灭灯等方式，对于含两套以上灯具的路灯，可以通过熄灭每基路灯的部分灯具来实现。

以上控制方式，都是通过控制箱变或电控柜内路灯供电回路的通断实现若干照明回路的统一开、闭操作，它只能通过控制全部或部分回路开关来控制路灯开、关，无法实现单灯控制，更没有单灯的数据监测、故障巡视等功能。

3 基于Zigbee的道路照明控制系统

基于Zigbee无线通信和物联网技术的新型道路照明控制系统，不仅可以实现无线单灯可控，在采用LED光源时还可以大范围地连续调节灯具亮度，有效地降低了非高峰期道路照明能耗。

3.1 系统结构

基于ZigBee无线通信和物联网技术的道路照明控制系统参考图1，主要包含三层结构：服务器层、箱变主节点层、路灯终端层。服务器层以中央控制室为控制核心，路灯维护车、移动监控端及手持移动设备为辅助控制端，可以实现随时随地的监测与控制。箱变主节点位于箱变电控柜内，它与控制中心通过GPRS无线网络实现通信，并与安装在路灯灯杆上的终端设备通过Zigbee短距无线通信技术实现互联。

图1 基于Zigbee的路灯单灯控制系统结构图

3.2 Zigbee无线通信技术

ZigBee通信技术采用IEEE802.15.4标准，利用全球共用的2.4 GHz公共频率，应用于监视、控制网络时，具有非常显著的低成本、低耗电、网络节点多、传输距离远等优势，目前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。ZigBee通信具有以下技术优势：

（1）数据传输速率低：10KB/秒～250 KB/秒，适用于低传输速率的应用；

（2）功耗低：ZigBee数据传输率低，协议简单，故模块功耗低；

（3）网络容量大：理论上网络可容纳65,000个设备；

（4）时延短：典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延时15 ms，活动设备信道接入时延不大于15 ms；

（5）网络的自组织、自愈能力强，通信可靠；

（6）数据安全：ZigBee提供了数据完整性检查的鉴权功能，采用自行设计的加密算法，各个应用可灵活确定其安全属性。

3.3 监控中心

监控中心为最高层次的服务、管理系统，监控中心服务器安装智能路灯照明监控软件。软件可通过有线Internet网络或GPRS无线通信与箱变或电控柜内主接点控制器建立连接，发送命令；主节点控制器通过Zigbee短距无线通信方式连接路灯网络，实现单盏路灯的远程开关控制和状态、故障检测。操作系统可以建立运行日志数据库数据并永久保持，能够实现故障提示、报警及维修订单打印等功能。图2是监控主机控制界面。

图2 监控主机控制界面

3.4 主节点控制器

主节点控制器是远程控制的中间层, 包括远程GPRS通信和近距离Zigbee通信功能，是Internet与路灯网络的信息传输网关。无线照明主控器按图3所示安装于箱变电控室或独立电控柜内。

图3 主节点控制器柜内安装

3.5 路灯终端控制器

路灯终端控制器作为物联网的终端节点，接收主节点控制器发来的命令，实现单个路灯开关控制，调光，遥测电流、电压，检测路灯故障信息等功能，同时将故障信息传输至箱变控制室或独立电控柜内的主节点控制器。路灯终端控制器有多种型号，可以针对灯头数量配不同的控制器。

图4 路灯终端控制器模块构成

参见图4，标准的单灯控制器主要由单片机微处理器（如MSP430）、无线通信模块（如CC2430）、功率检测模块、各类传感器及驱动电源模块组成。温度传感器和光敏传感器模块，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，由监控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，并向监控中心报警；功率检测模块，检测路灯功率情况、供电故障并向上报警；CC2430无线通信模块负责传输数据。

图5 路灯终端控制器实物图

4 LED光源亮度的线性平滑调节

LED光源的亮度与通过发光二极管的恒定电流值是成比例的，要想连续调节光源亮度，可以通过脉冲宽度调制（PWM）的方式调节电流值来实现调光，原理图如图6所示。

4.1 脉宽调制（PWM）调光的实现方法

具体的实现方法是在LED负载回路中用2个MOSFET开关管反串联构成功率开关器件，其源极和栅极分别并联，通过在MOSFET管上施加一个PWM信号，可以控制负载回路闭合或断开，而由于 LED负载是由恒流源供电的，开关管的连续开关将使通过负载的电流变为有一定占空比的矩形脉冲电流，当脉冲频率较高时，根据面积等效原理，经过滤波后的电流为一个改变了幅值的恒定电流，其幅值大小与脉冲信号的占空比有关。因此，要想调节光源亮度，只需调节PWM脉冲信号的占空比。

在路灯终端控制器中设置LED电源的PWM脉冲信号驱动模块，即可为大功率LED 提供电力，并能根据控制器中单片机控制信号控制LED 的工作情况。

图6 PWM调光原理

4.2 脉宽调制调光的优点

（1）因为LED始终工作在满幅度电流和0之间，不会产生色谱偏移。

（2）因为脉冲波形完全可以控制到很高的精度，所以很容易实现极高的调光精确度。

（3）因为不会改变恒流源的工作条件(升压比或降压比)，不会发生闪烁现象，更不会发生过热等问题。

5 总结

基于Zigbee技术的道路照明控制系统，将路灯的单灯监控、调光与多样化的控制端联结起来，满足了物联网智能、互联的概念。

随着技术进步，无线传感接点集成度越来越高，价格越来越低，基于物联网架构的控制系统的功能也会更加多样化。引入手持式终端等移动终端设备，使得随时随地查看道路照明等市政设施的状态成为可能，既保证了设备的可靠性，也减小了维护量。将无线通信技术应用于道路照明等市政设施的自动化控制与多样化管理将成为必然趋势，

[1] 陈韦松, 陶齐齐, 施连敏. 基于ZigBee 技术的路灯无线控制系统的设计与实现[J]. 工业控制计算机, 2011, 24 (11) : 89-90.

[2] 葛广军等. 正弦波交流LED PWM调光器研究[J]. 照明工程学报, 2012, 23 (3) : 56-59.

[3] 王小强等. ZigBee无线传感器网络设计与实现[M]. 北京: 化学工业出版社, 2012.