基于ZigBee的校园路灯智能照明系统设计

王宁 陈磊

摘要：随着无线技术、数字通信和计算机技术的发展，无线技术标准化和网络化逐渐出现在人们生活中，ZigBee技术便是数字通信和计算机技术中的一种。本文主要针对ZigBee校园路灯智能化照明系统进行分析设计，有针对性地对各个功能模块内部元器件进行选择，制定了详细的设计流程，组成了智能化照明系统，经过分析探讨，校园智能化照明系统的设计具有很大的应用价值。

关键词：ZigBee 校园 照明系统

中图分类号：TM923.4 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）07-0147-02

校园道路照明是保证行人和车辆安全的主要措施，只有设置主体化照明系统，才能给学生提供很好的校园环境，减少不安全事故发生。从当前校园路灯照明系统的状况来看，由于系统设计方式落后，存在严重的电能消耗，无法实现节约型校园建设需求。本文主要利用ZigBee技术对校园路灯照明系统进行分析，详细介绍了系统的硬件组成结构，并以LED灯进行分析设计，构建满足校园路灯照明需求的智能化照明系统。

1 概述

1.1 ZigBee技术分析

ZigBee技术是根据IEEE802.15.4标准中具有低功耗、低成本、短距离、低数据传输率的无线网络技术，可以实现短距离内传输速率要求不高的电子设备以及各种微小电气之间的通信。ZigBee技术主要利用IEEE802.15.4中的协议标准的物理层及MAC层协议。随着技术的不断发展，ZigBee技术联盟为不同厂家生产的设备提供了解决反馈，解决了设备兼容问题。ZigBee技术网络层标准由ZigBee技术联盟制定，用户可以根据自己的实际需求，对其进行开发利用。

1.2 传统路灯控制方式

人工控制、时控、电力载波、GSM短消息控制、蜂窝数字分组数据等是传统路灯控制的主要方式。人工控制方式由人员根据开关灯时间控制路灯，时控方式也是以开关灯时间为依据实现操作，电力载波受电磁波影响较大，GSM短消息必须利用手机操作，费用较高。上述几种方式都不能集中对操作结果进行监视、记录和统计，不能满足城市化发展需求。在路灯控制方面，ZigBee技术可以结合传感器原理及时解决传统控制中存在的以下问题：首先，利用特殊亮度传感器增强了照明效果，减少了人为干预；其次，利用直接序列扩频技术，保证了传输信号的质量，减少了其他信号干扰；最后，CC2430芯片延时短、功耗低，操作框架简单，便于安装。

2 校园照明路灯系统设计

2.1 系统照明控制系统总体设计

在能源急剧消耗的影响下，实施节能照明已经成为全球关注的主要问题，可以从两方面实现节能。一方面，选用高校的节能照明装置，如灯具、光源。另一方面，控制智能感应，需要照明时开启，不需要时关闭，减少开关灯时间，可以利用照明系统控制实现，即ZigBee技术。校园路灯照明系统主要由路灯、终端节点、上位机和汇聚节点等部分组成。终端节点可以在校园中实施控制，根据校园环境的变化，及时对各项参数进行收集整理，然后利用终端节点的自组网方式形成网络，并利用ZigBee技术实现各个节点信息汇集；可以利用RS232串口实现汇集节点和上位机连接，并将收集的参数保存在数据库中，保证数据统一管理，系统可以采用预设控制算法进展，采用终端节点实现路灯开启关闭控制，完成照明操作。

2.2 系统硬件设计

（1）终端及汇集节点硬件设计。电源模块、传感器模块、微处理器模块和射频模块等是组成终端节点的重要组成部分，不同采集环境参数，设计的传感器模块也会发生变化。与终端节点相比，汇集节点不能实现参数采集，所以缺少传感器模块。终端节点的硬件框架图如图1所示。

（2）选择终端节点和各模块器件。终端节点是组成校园路灯照明系统的基础单元，可以实现环境参数采集、数据处理和发送等功能。由于校园路灯环境较大，信息采集相对较复杂，具有数据采集量大、范围广等特点。所以必须终端节点设备必须具有价格低廉、功耗低、适应性强和体积小等特点，根据校园智能照明系统需求，可以将终端节点模块控制如下：

第一，微处理器模块。将ATmeg128单片机作为核心部件，选用先进的RISC结构，同时具有128K程序储存器，可以和SPI总线的编辑接口连接，8个10位ZIGBEE DC通道和和双可变串行操作模式。此种单片机必须满足结构简单、体积小等特点，还可以根据软件的合计需求，针对性选择节能模式，实现各个节点节能降耗需求。第二，射频模块。将TI公司生产的CC2530作为射频模块。此芯片具有材料耗费低、网络节点强大等特点，可以结合RF收发器优势，还具有增强型8051CPU，系统可编程闪存，只需要少量内部配件就可以实现信号收发，在一定程度上降低了系统功耗，节省了电力能源。第三，传感器模块。传感器模块的主要目的是对周边光线强度、温度、湿度等状况进行采集，收集环境变化信息。给系统提供支持。所以温度传感器的选择必须具有体积小、构建耗费低、抗干扰能力强等作用可以选择DS18B20，光线强度使用GL4516和RE200热释电红外传感器操作。第四，电源模块。利用固定电源完成电池供电操作，保证节点持续工作，安全有效运行。

2.3 汇集节点软件设计

汇集节点的主要任务是负责无线网络建立，同时及时对无线网问题进行维护，保证建成网络之后，可以允许终端节点加入，同时给网络终端节点分配网络地质，完成终端节点传送的数据，处理完成后，将其发送给上位机。

3 设计LED灯驱动电源

将LED电路驱动选择为HV9910B，输出频率控制在几瓦到几十瓦之间。HV9910B属于可优化降压驱动器，可以利用恒定电源模式或关断电流量中方法操作。由于HV9910B有两个采样阈值电压，主要是内部250mV和LD引脚外部电压。进行实际工作时，阈值选取电压中较低的，同时利用电阻对电流状况进行检查，提高效率。本次将LED等按照20串2并连接，每串电流控制在350mA。电压控制在50到70Vs取值80kHz。驱动原理图如下图2所示。

4 LED灯操作系统整体运行程序

系统内部选取TI的CC2530作为ZigBee无线通信模块，同时选择增强型8051CPU、系统终端和路由控制盏灯，保证每个灯对应一个ID。终端和路由驱动芯片控制PWM-D引脚，实现LED等控制。关闭LED灯后，节点处于完全休眠状态，一旦开启，节点将从休眠状态唤醒，主要进行数据监控和数据无线传输工作。数据监控主要对LED等温度、电流及电压等情况进行控制，一旦超过临界值，将采取保护措施对其进行保护。为了符合国家节能要求，还可以在ZigBee协调器加上可以对环境参数进行调节的传感器，尤其在雷雨天气，保证可以对所有节点的路灯进行控制。

5 进行系统功能测试

进行实验构造时，可以配置网络协调器，由路由节点和终端节点对 LED灯进行控制，协调器借助串口和上位机连接。经过测试发现，ZigBee可以对通信80米进行控制；上位机可以利用监控界面控制LED灯开关，还可以表示出LED灯的亮灭、温度和状态；经过测试发现，系统运行正常，符合要求。

6 结语

为了保证校园照明的有效实施，本文基于ZigBee设计了无线传感器网络校园系统方案，具有低成本、低能耗和适应性强等特点，完善了终端节点设计，同时详细介绍了汇聚节点软件流程。最后以LED灯源进行了详细介绍，希望本文的分析可以给相关人员提供参考。

参考文献

[1]刘铁超.基于ZigBee的校园路灯控制系统的设计与实现[D].大连海事大学，2014.

[2]武建平.基于ZigBee的校园路灯照明系统设计[J].数字技术与应用，2014（08）.

[3]鲁进，郭利进.基于ZigBee的LED路灯照明系统设计与研究[J].微型机与应用，2013（05）.

[4]黄强.基于Zigbee的校园照明监控系统设计与实现[D].西南交通大学，2013.