基于ZigBee的道路照明智能联控系统设计

摘 要：道路照明逐渐向着智能化方向发展，现有的道路照明系统普遍采用附加传感器的方式，实现了人来灯亮、人走灯灭的控制效果，大大节约了电能，但是这种方式往往仅点亮行人经过的照明设备，照明的舒适度不够。本文采用ZigBee技术将照明系统当中的所有设备接入网络，并在逻辑上将部署的相邻两个节点进行连接，以此来构建和道路结构一致的网络节点逻辑结构。当行人经过照明系统中某一设备时，设备将事件依据网络逻辑结构进行扩散，以此来联合控制行人前向、后向以及路口所有方向的若干个照明设备，提升了照明的舒适度和适应性。本文围绕CC2530芯片进行系统的硬件设计，对协调器、路由器和终端节点进行软件编程并验证照明效果。实验证明，该方法能够实现复杂道路结构中照明设备的联控功能。

关键词：ZigBee；道路照明；联控；节点编号；道路结构；CC2530

中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2024）02-00-03

0 引 言

道路照明作为照明的重要应用领域，在为人们的生产生活提供极大便利的同时，也伴随着极大的能源消耗[1-2]。随着城市化进程的加快，政府和相关机构在道路照明领域的投入、维护成本也显著增加。得益于信息技术、物联网技术的发展，道路照明逐渐向着节能化、智能化方向发展。诸如将照明系统中所有照明设备通过有线或者无线的方式接入控制系统，实现集中控制、远程控制，或者采用一定的控制策略接入相关传感器，对照明设备的亮度和工作数量进行控制，以达到智能照明的目的[3-4]。但目前的道路照明系统还存在智能化程度不高、照明不够精准、难以适应复杂道路结构等问题[5]。为此，采用ZigBee通信技术，将所有照明设备纳入同一网络，并构建与道路结构一致的照明节点网络逻辑拓扑结构，利用ZigBee技术进行事件的精准扩散和照明控制，提升道路照明的可控度、精准度和舒适度。

1 系统组成与功能

1.1 系统组成

系统由照明终端节点、协调器节点和照明管理中心组成。每个照明终端节点附着一个ZigBee模块，模块运行在终端节点模式或者路由器节点模式，所有照明终端节点和协调器节点组成一个ZigBee树状网络。本系统中，协调器节点不仅仅负责建立ZigBee网络及网络管理，还具有物联网网关功能，可以将数据在ZigBee和NB-IoT两种通信协议间转换。协调器通过NB-IoT接入移动通信网络和固定IP的服务器通信，通过智能手机和PC等智能终端可以对服务器进行访问[6]。由此实现了智能终端设备对照明设备的状态监测、设备维护和远程控制等功能。系统组成如图1所示。

1.2 系统功能

对网络中所有节点进行唯一编号，从部署的第一个节点出发，沿着部署路径设定每个节点的上一个节点为其父节点并在逻辑上连接，这种方式可以构建任意树状的逻辑结构以映射复杂的道路结构。ZigBee网络中每个照明终端节点上电后通过读取拨码开关获取当前节点编号（ID），每个节点还可以通过协调器广播信息获取自身的父节点编号（PID）并存储在非易失性存储器NV条目中[5]。

协调器上电后组建ZigBee网络，所有路由器节点或终端节点上电后自动加入协调器建立的ZigBee网络，每个节点读取节点编号并从特定的NV条目中读取父节点编号信息，并和节点的网络地址一起打包通过协调器在网络中广播，每个节点收到此数据包后从中提取自身邻居节点的信息，以此来建立和道路结构一致的照明节点网络逻辑结构。当网络中的某个照明终端节点通过人体红外传感器感知到有人经过时，结合光照传感器的检测结果判断是否开启照明，若需要开启，则通过PWM调光模块控制LED灯以合适的亮度提供照明。节点还将此事件依据建立的逻辑拓扑结构向所有相关路径上的若干个邻居节点扩散，邻居节点接收到此信息后，同样依据自身的光照传感器检测结果判断是否开启照明以及开启亮度，事件沿着相关路径在节点间传播设定跳数后，停止在网络中扩散，如图2所示。当某个照明设备感知到有人经过时，系统可以点亮相关路径上的指定照明设备，提高照明的人性化和舒适性，并节约电能。

2 节点硬件设计

系统中每个节点的硬件部分由ZigBee模块、拨码开关、传感器、LED灯及PWM控制电路组成，其中协调器还连接NB-IoT模块，用以和外部网络通信，方便ZigBee网络向外部发送状态信息或者依据外部的控制指令对设备进行控制。节点硬件结构如图3所示。ZigBee模块采用TI公司出品的CC2530单片机，CC2530单片机是TI公司针对ZigBee应用设计的一款微控制器，能够运行TI公司开发的Z-Stack协议栈，方便快速组建ZigBee网络[7-10]。利用红外传感器用以探测路过的行人，光敏传感器用来探测外部光照强度，CC2530能够依据环境光照强度值控制PWM调光模块的输出电压，从而控制LED灯的光照强度，拨码开关用以设置当前节点编号。

3 节点软件设计

3.1 协调器节点软件设计

协调器主要负责建立ZigBee网络，其网络地址固定为0x00，协调器在系统中还充当着网络管理、节点管理的角色。Z-Stack协议栈采用任务轮询方法对产生的事件进行处理，用户可以建立自己的任务并加入到协议栈的任务列表中，协议栈循环对每个任务进行轮询，判断其是否有事件产生，如果有则对事件进行处理，将任务中所有的事件处理完返回后，继续执行其他任务的轮询操作。本系统中，在协调器中新建了无线接收任务、网络维护任务、NB-IoT发送任务、NB-IoT接收任务。无线接收任务主要处理新节点的加入事件，并更新照明节点逻辑结构，将新的邻居节点信息精准送达至受影响的节点，让其更新邻居节点信息。网络维护任务定期对网络中的节点状态进行监测，当发现节点长时间未主动发送其状态信息时，认为节点失效并将此事件通知NB-IoT发送任务，NB-IoT发送任务收到此事件后将失效节点信息通过NB-IoT发送并告知用户。NB-IoT接收任务，处理用户发送给ZigBee网络的命令信息，并依据命令发送对应的信息或命令给对应的网络节点。协调器软件流程如图4所示。

3.2 终端节点软件设计

终端节点依据网络结构需要可以运行在路由器或者终端模式下，其应用层程序相同。上电后，首先读取拨码开关设置的节点编号，完成相关初始化后对相关任务进行轮询。终端节点负责定时发送心跳消息、无线数据处理和定时感知三个用户任务。无线数据处理任务负责接收ZigBee网络中其他节点发送的无线消息，本任务共处理设置父节点编号、邻居节点更新、远程开关、网络测试和感知事件5种消息类型，其中节点接收到设置父节点编号、邻居节点更新和远程开关类型消息后，按照对应的消息类型完成相关操作；当接收到网络测试和感知事件消息后，节点进行简单处理后将事件通知到定时感知任务进行处理。定时感知任务主要负责定时采集人体传感器的值，当节点感知到人体时，代表有人从节点旁经过，节点结合当前环境光照情况用PWM调光技术控制照明设备以指定亮度打开，同时将事件附加设定的跳数值后向所有邻居节点进行扩散，邻居节点收到感知事件后，将跳数值减1后继续向其自身的邻居节点扩散，以此来实现点亮行人周围所有路径固定个数照明设备的功能。终端节点软件流程如图5所示。

4 系统验证

在实验室部署9个照明设备，设备编号分别从1到9，并调整人体红外传感器到合适的感应范围。在道路结构上模拟从照明设备4处分出两条支路，照明设备5和照明设备7都以照明设备4为父节点，以此来映射道路结构，如图6所示。设定跳数值为2，行人从照明设备1出发，沿支路2行进，测试系统的功能。

图7展示了行人行经照明设备2时，此时行人处于直线道路中，其前向照明设备3和照明设备4分别点亮。

图8展示了行人行经照明设备4时，此时行人处于交叉路口，支路1的前向2个照明设备5、6和支路2的前向2个

照明设备7、8分别点亮。

5 结 语

本文设计了一种基于ZigBee的智能联控照明系统，从系统的功能、节点硬件设计、节点软件设计和系统验证等方面进行了介绍。系统实现了精准点亮行人周围若干个照明设备的功能，不仅适用于直线道路，还可适用于常见交叉道路，提升了照明的精准度和舒适度。但是本系统在行人较多的情况下，会频繁产生事件并在网络中转发，消耗网络资源，后续需要进一步优化。

参考文献

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