1. 系統方案與設計

系統由三大部分構成：控制中心的監控系統，負責實(shí)現終端控制節點(diǎn)和控制中心通信的路由節點(diǎn)，固定在路燈桿上的終端控制節點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)路燈遠程控制系統結構如圖1.1所示。


控制中心的監控系統由計算機與無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊構成，主要負責建立和管理路燈控制網(wǎng)絡(luò )，顯示路燈狀況信息和發(fā)送控制命令，協(xié)調整個(gè)路燈系統的運作。路燈終端節點(diǎn)包括LED電源驅動(dòng)，為大功率LED提供電力，并能根據微控制器的控制信號控制LED的工作情況；光敏傳感器、溫度傳感器，直接將LED工作狀況傳輸給控制模塊；功率檢測模塊，檢測LED功率情況、供電故障并向上報警，無(wú)線(xiàn)模塊，負責傳輸數據。將本系統模型與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )模型進(jìn)行對應，不難發(fā)現，安置在路燈桿上的終端控制節點(diǎn)即為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的終端節點(diǎn)（RFD），控制中心監控系統就是協(xié)調器（COORD），實(shí)現COORD與RFD之間無(wú)線(xiàn)通信的為路由轉發(fā)節點(diǎn)（ROUTER）。遠程網(wǎng)絡(luò )使用ZigBee與GRPS混合組成的網(wǎng)絡(luò )。子網(wǎng)和中央控制中心使用GPRS網(wǎng)絡(luò )來(lái)傳輸數據。下面具體介紹終端節點(diǎn)硬件電路設計方案。

1.1 LED節點(diǎn)驅動(dòng)控制設計

LED節點(diǎn)驅動(dòng)方案使用UCC28810EVM，它是一款恒流非隔離式電源，適用于街道、停車(chē)場(chǎng)或區域范圍照明等高亮度LED照明應用。該設計可將通用電源（90~265VRMS）轉換成0.9A恒流源，能夠驅動(dòng)100W LED負載。UCC28810EVM電路如圖2.1所示。


此電路使用雙級設計，第一級是UCC28810的轉換模式電路，將AC電源轉換成36V的DC電源。第二級也采用UCC28811的轉換模式，將恒壓源轉換為0.9A恒流源。電路中使用的UCC28810 和UCC28811芯片是通用照明電源控制器，具有PFC（功率因數校正）功能，確保設計方案滿(mǎn)足各種標準設定的諧波電流或功率因數要求。并且UCC28810/11控制器提供如電流峰值限制、復位定時(shí)器、過(guò)壓保護（OVP）和使能等特性，UCC28810/11控制器引腳如表2.1所示。


第一級在低負荷狀態(tài)運行下，升壓跟隨器可跟蹤AC輸入的峰值電壓，實(shí)現更高效率。第二級將PFC輸出電壓轉換為0.9A的固定電流，以驅動(dòng)LED負載。第二級不僅可接受 PWM調光輸入（從外部或從板級電路均可），而且還可相應開(kāi)啟或關(guān)閉，從而實(shí)現LED電流的PWM調光。此方案的優(yōu)勢在于，使用了高效的專(zhuān)用驅動(dòng)IC，電源轉化效率更高了，在低負荷線(xiàn)路（low-line）運行狀態(tài)下，升壓跟隨器可跟蹤AC輸入的峰值電壓，在輸入電壓±15％的變動(dòng)時(shí)，仍能保持輸出電流變動(dòng)穩定在±10％內。
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1.2 狀態(tài)檢測與報警

狀態(tài)報警與檢測主要包括溫度感測和感光檢測兩部分內容。

1.2.1 溫度感測

由于大功率白光LED照明和驅動(dòng)器發(fā)熱量都很大，所以需要一個(gè)溫度感測傳感器，實(shí)時(shí)監控路燈的溫度，并向控制中心反映，如果溫度超過(guò)警戒溫度，控制器進(jìn)入報警模式，將自動(dòng)關(guān)閉路燈，并向控制器發(fā)送報警命令。溫度傳感器使用DS18B20。DS18B20是DALLAS生產(chǎn)的一款數字溫度傳感器。其特點(diǎn)有：獨特的一線(xiàn)接口，只需要一個(gè)端口即可通信。電路無(wú)需外部元件，可用數據總線(xiàn)供電，也可外接VCC。工作電壓范圍廣，為3.0V～5.5V，無(wú)需備用電源。測量溫度范圍為-55°C～+125℃，在-10°C～+85°C范圍內精度為±0.5°C。DS18B20具有工作電路簡(jiǎn)單、測溫精度高、連接方便、占用口線(xiàn)少等優(yōu)點(diǎn)。DS18B20應用范圍包括恒溫控制，工業(yè)系統，消費電子產(chǎn)品溫度計，或任何熱敏感系統。

1.2.2 感光檢測

系統終端節點(diǎn)使用光敏電阻傳感器測量周?chē)h(huán)境的光亮度，當傍晚時(shí)周?chē)h(huán)境還有余光時(shí)，將路燈開(kāi)啟為單雙燈模式，當晚上天全黑了以后，將路燈全部打開(kāi)，當凌晨4點(diǎn)左右出現晨光時(shí)將路燈調節成半功率工作模式。在陰天和沙塵暴天氣時(shí)，光敏傳感器堅持到道路能見(jiàn)度低，路燈也可自動(dòng)打開(kāi)，保證道路正常照明。本設計使用光敏三極管作為感光元件測量周?chē)h(huán)境的亮度，處理器實(shí)時(shí)將周?chē)h(huán)境的亮度通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊反饋給控制中心，由控制中心決定是否打開(kāi)路燈。電路圖如圖2.2所示。


1.3 無(wú)線(xiàn)模塊設計

無(wú)線(xiàn)通信模塊使用CC2480/ZigBee模塊，在單個(gè)芯片上集成了ZigBee射頻前端、模擬數字轉換器、定時(shí)器，支持2.4GHzIEEE802.15.4協(xié)議。CC2480/無(wú)線(xiàn)性能出色，功耗很低。CC2480電路圖如圖2.3所示。


在CC2480的內部整合了ZigBee射頻前端和內存，片內具有128 KB Flash、8 KB SRAM、2路12位的ADC、4個(gè)軟件計時(shí)器、復位電路、SPI和UART通信端口等硬件資源。CC2480采用CMOS工藝，工作電流僅為27 mA。當系統處于空閑時(shí)，CC2480能自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，并能實(shí)現休眠與主動(dòng)模式的超短時(shí)間轉換，電路晶振XTAL1選用32MHz，晶振XTAL2選用32.768kHz。32.768kHz的晶振用于睡眠模式給期間提供時(shí)序，這樣降低電流、可以減少功耗。這樣特別適合對功耗和電池壽命要求嚴格的應用場(chǎng)合。CC2480采用7mm×7mm QLP封裝，共有48個(gè)引腳?？煞譃镮／O端口線(xiàn)引腳、電源線(xiàn)引腳和控制線(xiàn)引腳3類(lèi)。CC2480模塊可以直接與上位機之間通過(guò)串口通信，本系統選用異步串口模式。
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1.4 微控制器電路設計

MSP430是一類(lèi)具有16位總線(xiàn)的帶FLASH的單片機，由于其性?xún)r(jià)比和集成度高，受到廣大技術(shù)開(kāi)發(fā)人員的青睞.它采用16位的總線(xiàn)，外設和內存統一編址，尋址范圍可達64K，還可以外擴展存儲器.具有統一的中斷管理，微控制器具體連接電路圖如圖2.4所示。


MSP430具有豐富的片上外圍模塊，片內有精密硬件乘法器、兩個(gè)16位定時(shí)器、一個(gè)14路的12位的模數轉換器、一個(gè)看門(mén)狗、6路P口、兩路USART通信端口、一個(gè)比較器、一個(gè)DCO內部振蕩器和兩個(gè)外部時(shí)鐘，支持8MHz的時(shí)鐘。因為是FLASH型，則可以在線(xiàn)對單片機進(jìn)行調試和下載，且JTAG口直接和FET（FLASH EMULATION TOOL）的相連，不須另外的仿真工具，方便實(shí)用，而且，可以在超低功耗模式下工作，對環(huán)境和人體的輻射小，測量結果為100mw左右的功耗（電流為14mA左右)，可靠性能好，加強電干擾運行不受影響，適應工業(yè)級的運行環(huán)境。MSP430單片機的P3.4、P3.5端口設置成串口0（ΜSART0）的收發(fā)口與CC2480的異步串口相連，它們之間實(shí)現串口通信。單片機發(fā)送數據給CC2480，CC2480就可以無(wú)線(xiàn)發(fā)送出去，CC2480接收到無(wú)線(xiàn)數據也透明傳送給單片機。

2 軟件流程設計

在本系統中，ZigBee協(xié)議可以應用于所有的節點(diǎn)，因為ZigBee協(xié)議具有很多的實(shí)用函數，例如設備離開(kāi)或者加入網(wǎng)絡(luò )，創(chuàng )建一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò )，父節點(diǎn)和子結點(diǎn)的搜索，網(wǎng)絡(luò )信標幀的發(fā)送，數據包的發(fā)送和接受等等。系統工作的過(guò)程中，協(xié)調器主要進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的創(chuàng )建和負責接收節點(diǎn)發(fā)送回來(lái)的路燈信息，依據路燈的狀況將控制信號發(fā)送給路燈節點(diǎn)。路由器節點(diǎn)處在監控狀態(tài)，負責獲取其他節點(diǎn)發(fā)送來(lái)的信息并判斷是不是需要進(jìn)行轉發(fā)，與此同時(shí)把自身路燈的信息傳送給協(xié)調器；接受協(xié)調器的控制信號來(lái)控制路燈的工作狀態(tài)。終端節點(diǎn)功能是最簡(jiǎn)單的，只需要負責隨時(shí)接收協(xié)調器發(fā)送的控制命令，并向上一級返回路燈當前的狀態(tài)。

系統投入運行時(shí)，首先對CC2480進(jìn)行初始化，協(xié)調器運行初始化協(xié)議，同時(shí)打開(kāi)中斷。此后軟件程序運行創(chuàng )建新網(wǎng)絡(luò )，一旦網(wǎng)絡(luò )能夠成功創(chuàng )建，就對相應的網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器物理地址、當前建立網(wǎng)絡(luò )的ID號以及頻道號進(jìn)行顯示。協(xié)調器軟件流程圖如圖3.1所示。對于路由器節點(diǎn)，首先對CC2480進(jìn)行初始化，此后傳感器的電源接通，并且對協(xié)議棧進(jìn)行初始化，同時(shí)發(fā)送信號以請求加入網(wǎng)絡(luò )，等待網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器或前面的路由器節點(diǎn)進(jìn)行響應，將網(wǎng)絡(luò )地址分配給自身。假如成功加入了網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)串口擴展口能夠獲取網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)絡(luò )地址、路由節點(diǎn)自己的物理地址和接入網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器或前面路由節點(diǎn)的物理地址等數據。路由器節點(diǎn)軟件流程圖如圖3.2所示。在終端節點(diǎn)上程序同樣首先對CC2480進(jìn)行初始化，傳感器電源接通，此后初始化協(xié)議棧，與此同時(shí)發(fā)送信號請求加入網(wǎng)絡(luò )，并且等待前面的路由器節點(diǎn)進(jìn)行響應，將網(wǎng)絡(luò )地址分配給自身。假如成功的加入了網(wǎng)絡(luò )，也能夠通過(guò)串口擴展口獲取所加入網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)絡(luò )地址、自己的物理地址和加入的路由節點(diǎn)的物理地址等所有數據信息。終端節點(diǎn)程序流程圖如圖3.3所示。

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3 路燈控制模式

根據不同上位機的不同控制命令，路燈節點(diǎn)有如下幾種不同的控制模式。

3.1 單雙燈開(kāi)啟模式

這個(gè)模式有兩種情況，編號是奇數的燈開(kāi)啟或者編號是偶數的燈開(kāi)啟。當路燈節點(diǎn)接收到單雙燈開(kāi)啟命令以后，路燈會(huì )根據自身的ID編號，選擇開(kāi)啟還是關(guān)閉。這種模式應用于傍晚能見(jiàn)度較高或者陰雨天或沙塵暴等惡劣天氣城市能見(jiàn)度不佳時(shí)。一般是單雙燈輪流開(kāi)啟關(guān)閉，保證LED路燈工作時(shí)間大致相同以延長(cháng)其壽命。

3.2 全功率開(kāi)啟模式

當路燈節點(diǎn)接收到全功率開(kāi)啟模式以后，路燈開(kāi)始工作，并會(huì )以全功率打開(kāi)，亮度最大。這種模式一般在晚上人車(chē)流量大時(shí)和節假日開(kāi)啟。

3.3 半功率開(kāi)啟模式

當路燈節點(diǎn)接收到全功率開(kāi)啟模式以后，路燈開(kāi)始工作，但不會(huì )以全功率模式工作，而是通過(guò)LED驅動(dòng) 模塊的PWM調光機制，將LED的功率控制在額定值的一半，這樣起到了節約電力的作用。

3.4 隨機選擇關(guān)閉模式

這種模式也是為了節約電力和延長(cháng)路燈壽命的方法。在人流不大的道路上發(fā)給路燈隨機關(guān)閉模式命令，路燈節點(diǎn)接收命令后，以一定概率（如20%）自行熄滅30分鐘，由于路燈是隨機熄滅的，不會(huì )影響到整體的照明情況。

3.5 功率異常報警模式

這種模式不是上位機發(fā)給的命令。當路燈節點(diǎn)檢測到功率故障的時(shí)候（如LED二極管短路、功率過(guò)小或過(guò)大），路燈將自行切斷照明電源，并向上位機報警

結語(yǔ)

本文主要分析了ZigBee協(xié)議組網(wǎng)技術(shù)，設計了一種無(wú)線(xiàn)路燈遠程控制系統，事實(shí)證明本系統該網(wǎng)絡(luò )經(jīng)一次性布置之后，可以在長(cháng)期可靠運行。路燈節點(diǎn)的數量、位置可隨時(shí)變更，使得調控路燈變得更加方便、科學(xué)。無(wú)線(xiàn)LED路燈遠程控制系統為解決諸多問(wèn)題提供一個(gè)良好平臺。

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