“节能减排”已成为当前我国经济社会可持续发展的一项重要任务，城市路灯照明作为日常公用设施还有较大的节能空间。长久以来，路灯控制都是由人工对路灯线路进行开关来实现，或在总开关处安装定时器，在预定时间对路灯进行开关操作。这种方式存在操作不变、维修实时性差、控制线路成本高和能源浪费等诸多缺点。

    基于ZigBee芯片CC2530的路灯控制系统可以很好地解决这些问题。通过ZigBee无线自组织网络将区域内的路灯都组成一个ZigBee子网，若干个ZigBee子网通过GPRS网关组成大型路灯网络,在监控中心可以实现对各个ZigBee子网中的每个路灯进行无线开关控制和损坏检测，不仅可以根据不同季节及时调整开关灯的时间以节省能源，而且可以及时发现路灯的损坏情况，及时维修保证道路安全。本文主要阐述了ZigBee路灯控制系统中网关和节点的软硬件设计方案。
1 系统架构
    ZigBee路灯控制系统通过ZigBee网络和GPRS网络的连通实现远程监控，本系统可分为监控中心、网关和ZigBee子网三部分。系统架构图如图1所示。

    各网关上的ZigBee协调器建网成功后，路灯上安装的ZigBee节点按照通信协议加入网络，构成ZigBee子网；路灯节点的信息汇总至网关上的协调器，经网关传输至GPRS网络；之后经因特网传输至后台监控中心。系统的双向通信链路就此形成，监控中心可以发送控制或检测指令至ZigBee子网对单个路灯进行控制和检测，同时ZigBee子网中的网络和节点故障信息也会发送至监控中心。
2 系统硬件设计
2.1 ZigBee节点硬件设计
    ZigBee节点的主控芯片使用TI公司的CC2530[1]，该芯片是使用ZigBee标准的一个片上系统解决方案，内部集成了8051内核的微处理器和高性能的射频收发器。本芯片采用了低电压和低功耗设计，内置最大256 KB的系统可编程Flash、8通道12位A/D转换器、看门狗定时器和睡眠定时器等功能。CC2530的最小系统电路图如图2所示。

    经实际测试，CC2530模块外接5 dB的天线时空旷环境通信距离可以达到500 m左右，完全满足路灯系统的要求。CC2530的UART0引脚是P0_2、P0_3，用于和外部芯片（网关中的主控芯片）进行通信。
2.2 网关硬件设计
    网关的功能是实现ZigBee网络与GPRS网络的通信，主要包括GPRS模块、ZigBee协调器和主控芯片。网关电路框图如图3所示。

    其中GPRS模块使用华为公司的EM310模块；ZigBee协调器芯片使用TI公司的CC2530,本射频芯片电路由官方提供，经实际测试稳定可靠；主控芯片使用NXP公司的LPC1227[2]，该芯片是基于Cortex-M0内核的微控制器，具有两个UART接口,可实现ZigBee协调器与GPRS模块的串口通信。
2.3 路灯节点硬件设计
    路灯节点的功能是实现ZigBee组网、控制路灯的开关并监控路灯的损坏状况，主要包括ZigBee节点、存储模块、开关模块和检测模块。路灯节点的电路框图如图4所示。

    ZigBee节点模块和网关上的ZigBee模块电路一致，只是节点类型设置不同，根据现场环境，设置ZigBee节点为路由或者终端；存储模块使用Flash芯片MX25L1605，用来存储节点的网络信息和路灯状态等信息；检测模块使用电流型互感器，通过判断路灯火线上的电流大小来检测路灯是否损坏；开关模块使用光耦芯片MOC3061加上可控硅BTA06，利用光耦隔离实现弱电控制强电开关，开关模块的电路如图5所示。

    MOC3061是过零触发双硅输出光耦，1、2脚为输入端，4、6脚为输出端，单片机通过控制2脚的高低电平可实现对输出两端的通断控制，通断控制引脚2连接至CC2530的P0_3进行控制。
3 系统软件设计
3.1 网关软件设计
    网关主要解决ZigBee网络和GPRS网络的通信问题，由主控芯片LPC1227实现对GPRS模块和ZigBee模块的通信和控制。其中GPRS无线通信模块EM310通过AT指令进行相应的控制，如发送和接收短信、连接GPRS网络等功能。对ZigBee模块的控制则主要通过传输串口指令，实现对ZigBee网络的建网、信息采集和控制等功能。
    网关软件设计主要包括模块初始化、GPRS数据处理和ZigBee网络数据处理等。程序主流程图如图6所示。

    ZigBee模块的初始化过程也是ZigBee网络的建网和组网过程[3]，网关上的ZigBee模块是协调器，协调器建网成功后，一直处于等待节点入网的状态，当来自同一信道和PANID的路由或终端申请入网时，协调器会同意节点入网并保存来自节点的各种状态信息；协调器在接收到来自监控中心的扫描网络、控制节点开关等命令时，会将这些命令发送到ZigBee网络中。ZigBee模块即协调器的程序流程图如图7所示。
3.2 路灯节点软件设计
    路灯节点软件设计主要包含ZigBee节点入网、处理接收到的指令和自启动工作设计。路灯节点根据实际环境位置设置为路由或者终端节点，在上电启动后寻找具有相同信道和PANID的ZigBee网络并加入网络[4]，入网后将本节点的网络信息发送至协调器并通过网关传输至监控中心，节点在接收到来自协调器的空中指令后进行对应处理；节点在未能入网或掉网的情况下，会根据CC2530内部的RTC时钟保证路灯在指定的时间段内进行开关，监控中心会自动报警，方便及时进行维修处理。路灯节点的程序流程图如图8所示。

3.3 节能控制软件设计
    根据实际路灯的运行情况，从节省能源的角度出发，当道路上的车辆和行人较少时可以关闭部分路灯，较多时则可开启全部路灯，因此可根据不同时段对路灯进行有区别的控制。首先，根据时间段划分为白天(7:00-19:00)、夜晚(19:00-01:00）和凌晨（01:00—07:00）；其次，根据节点编号划分为奇数号路灯工作模式、偶数号路灯工作模式和全部路灯工作模式；最后，根据不同时间段或不同路段对路灯进行区别控制以达到保证道路安全和节省能源的效果。本系统路灯节点的工作模式如表1所示。

4 系统测试
    监控中心[5]的控制界面采用网页形式访问，界面嵌入百度地图，可实时反映ZigBee节点位置与状态信息。    在重庆邮电大学校园内安装了50个ZigBee路灯节点、2个网关，对节点和网关分配2组不同的网络密钥，组成互不干扰的2个ZigBee子网。监控中心的控制界面可通过地图清楚显示每个路灯节点的地理位置和当前的状态，并可以进行实时的控制与检测。经过实际运行，50个路灯节点能够迅速组网并返回节点信息，路灯节点收到指令后能快速处理并及时反馈故障信息，各时间段的工作模式均正常， 整个系统经过长时间测试运行稳定。
    本系统通过ZigBee无线通信技术，能够对区域内的路灯进行无线控制与检测，通过对现有的路灯安装ZigBee控制节点即可实现有线控制向无线控制的转变。此外，本系统的节能效果显著，且成本较低，可靠性好，有较好的应用前景。
参考文献
[1] TI. CC253x User′s Guide[M].2010,9.
[2] 杨校权，张毅，马俊元. LPC1227的远距离ZigBee无线网关设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2011(11)：33-36.
[3] 高守玮、吴灿阳. ZigBee技术实践教程[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2008.
[4] FARAHANI S. ZigBee wireless networks and transceivers[M]. Newnes,2008.
[5] 储昭兵. 基于GPRS城市照明无线监控系统[D]. 上海：上海交通大学，2009.