《电子技术应用》

基于ZigBee的LED路灯照明系统设计与研究

来源:微型机与应用2013年第9期
鲁 进,郭利进
((天津工业大学 电气工程与自动化学院,天津 300387))
摘要: 设计了一种基于ZigBee无线自组网控制的LED路灯照明系统,以TI公司CC2530为主要控制硬件平台,HV9910B为电源驱动芯片,在ZigBee2007/PRO协议栈的基础上组建网状网络,实现对LED路灯开关控制以及对各LED路灯的状况如温度、电压、电流等参数进行监测。整个LED路灯照明系统具有智能化、现代化的特点,同时符合国家节能减排政策要求,给未来城市路灯照明系统开拓新的发展方向。

Abstract:

摘  要: 设计了一种基于ZigBee无线自组网控制的LED路灯照明系统,以TI公司CC2530为主要控制硬件平台,HV9910B为电源驱动芯片,在ZigBee2007/PRO协议栈的基础上组建网状网络,实现对LED路灯开关控制以及对各LED路灯的状况如温度、电压、电流等参数进行监测。整个LED路灯照明系统具有智能化、现代化的特点,同时符合国家节能减排政策要求,给未来城市路灯照明系统开拓新的发展方向。
关键词: ZigBee;自组网;LED路灯;CC2530;HV9910B

 随着经济和城镇化的快速发展,路灯照明系统越来越受到人们重视。传统路灯照明系统多采用有线连接,其铺线麻烦,价格昂贵,不易扩展和移动,并且智能化程度不高。针对传统路灯照明系统的不足,采用无线控制来代替传统有线控制方式。ZigBee技术是一种新型的无线通信技术,主要应用于短距离内的低速率传输。其具有功耗低、成本低、时延短、网络容量大、可靠、安全等特点,适合路灯照明系统使用。另外,为响应国家节能减排号召,采用LED路灯照明成为很多城市照明系统的首选。论文设计了一种利用ZigBee无线传感器技术对LED路灯进行远程控制的方案,实验结果表明系统稳定可靠,具有智能化、现代化的特点。
1 ZigBee组网技术
1.1 网络拓扑结构选择

 ZigBee网络支持星状网(Star Network)、树状网(Cluster tree Network)和网状网(Mesh Network)三种网络拓扑结构。如图1所示,分别为星状网、树状网、网状网,其中C表示PAN协调器,F表示全功能设备,R表示精简功能设备。

 由图1可看出,星形网的控制和同步都比较简单,通常用于节点数量较少的场合。而树状网络的一个显著优点就是网络覆盖范围较大,但随着覆盖范围的增加,信息的传输时延也会增大,并且一旦在某一传输路径中路由节点发生故障,将导致信息无法正常传递。
 网状网络(Mesh网)一般是由若干个全功能设备连接在一起组成骨干网,它们之间是完全的对等通信,每个节点都可以与它的无线通信范围内的其他节点通信,即允许网络中所有具有路由功能的节点直接互连。在这些全功能设备中有且只有一个会被作为协调器,这主要取决于是谁第一个建立网络。这些具有路由功能的节点,能够将一条信息转播给它的邻居。通过这种转播信息的功能,在网状网络中的一个数据包可以通过一条路径到达它的目的节点。Mesh网是一种高可靠性网络,具有“自恢复”能力。由于网状网拥有多个冗余的通信路径,一旦一条路径出现故障,则会选择另外一条合适路径进行数据传播。该拓扑的优点是增强了可靠性、覆盖范围大,缺点是需要更多存储空间[1]。
 在将ZigBee技术用于LED路灯控制中,由于路灯数量较多,且控制传输距离远,可靠性要求高,故选取网状网络拓扑结构较为合适。
1.2 具有短地址恢复能力的寻址设计
 ZigBee设备支持两种地址类型:一种是64位的IEEE地址,另一种是16位的网络短地址。当设备加入ZigBee个域网时,它可以从允许其加入的父设备上获取16位网址,该网址在个域网内是唯一的。该网址用于数据传输和数据包路由。用于路由数据包的路由表存放着各个目标设备和下一跳设备的网络地址,因此个域网的各设备都必须有明确且唯一的网络地址,以保证数据能到达正确的设备。
 ZigBee2007规范定义了ZigBee和ZigBee PRO两个特性集。在ZigBee特性集中采用树寻址,其按照等级分配地址,所分配的地址是唯一的,无须持续监测通信,可避免产生额外负荷与地址冲突。而ZigBee PRO采用随机寻址方法为设备分配地址,因此需要持续监测以解决地址冲突[2]。本方案是基于ZigBee PRO特性集上进行开发设计的,并且采用的是网状拓扑结构,所以将采用随机寻址方法为设备分配地址。虽通过不断检测与监控可帮助解决这种寻址方式所带来的地址冲突问题,但是,对于控制成百上千个路灯的ZigBee网络系统而言,若在协调器被替换或重新组成一个新的个域网后,所有网络中的设备都进行重新随机寻址,则会带来两个比较大的问题:一是需要花费大量时间监测与调整地址冲突,产生额外的负荷;二是重新分配了地址,使得路灯里的ZigBee设备的短地址发生了变化,这样不便于利用短地址对各路灯进行监控。
 为确保将数据发送到正确的设备上,在协议栈开发的基础上提出了具有复位网络短地址能力的解决方案(只是针对协调器被替换或重新组成了新的个域网的情况)。首先在网络正常时备份网络短地址映射表,将网络节点的64位扩展地址与网络短地址一一对应,这样可以在新的网络未组建之前选择通信信道时,调用应用层网络恢复函数读取网络短地址映射表[3]。若该函数读取失败则返回READADDRLIST_ERROR,协调器将会建立新的网络连接,此时所有节点的网络地址将会被更新。若读取成功,则协调器将会以64位的扩展地址进行路由发现。在发现完成后,利用映射表将64位扩展地址映射成16位网络地址,这样就恢复了先前的网络。在路由发现过程中若出现新的64位扩展地址,协调器则将其视为新的子节点,并随机分配新的网络地址,同时对新分配的网络地址进行监测调控,保证不与其余的网络短地址发生冲突。但该方案仅针对于协调器而言,如果想保证所有节点数据包的可靠传递,则必须有应用层上相应的配置,使得数据在传输之前将64位扩展地址转化为16位网络地址。整体流程如图2所示。

2 LED路灯驱动电源设计
 LED电路驱动芯片采用HV9910B,其输出功率可从几瓦到几十瓦。HV9910B是优化的LED降压驱动器,其采用开环峰值电流模式控制,可通过编程实现恒定电源模式或关断时间模式。HV9910B有两个采样阈值电压,一个为内部的250 mV,另外一个是LD引脚处的外部电压,实际工作时使用的阈值电压为两个电压中较低者。因为采样电压低,故可使用较小的电阻来检测电流,这意味着效率会更高。其最小输入电压可以低至8 V,在汽车运用中较为合适;最大可以承受450 V的输入电压,非常适用于离线应用。同时还包含一个PWM调光输出,能够允许占空比0~100%以及频率高达几千赫兹的外部控制信号[3]。因此HV9910B只需要三个部件(除电源部分)即可产生一个受控制的LED电流,使之成为低成本LED驱动理想解决方案。
 本方案LED灯管按照20串2并连接而成,每串电流为350 mA,总电流为700 mA。LED串的电压范围为50~70 V,fs=80 kHz。图3为采用HV9910B的LED驱动原理图,电感L和电阻R的具体参数计算见下。

 

 

3 系统整体工作流程
 系统中,ZigBee无线通信模块采用TI的CC2530。CC2530结合领先的RF收发器的优良性能、业界标准的增强型8051CPU、系统内可编程闪存、8 KB的RAM和许多其他强大的功能。系统中的每一个终端、路由分别控制一盏灯,每个灯对应一个ID。CC2530的引脚控制着LED驱动芯片的PWM_D引脚,从而控制LED路灯。终端和路由的CC2530外围装有温度传感器、电流/电压检测传感器。当LED路灯关闭时,这些节点处于休眠状态。一旦路灯开启,这些节点从休眠状态唤醒,开始正常工作。它们主要负责两方面的工作:(1)自我监控。监测LED路灯的温度、电流和电压,一旦这些参数超过临界值,将采取自我保护措施,与PWM_D管脚相连的引脚将输出低电平,从而关闭LED,保护路灯。(2)数据无线上传。节点正常工作后,将会定时将各节点的状态参数无线上传给协调器,协调器在接收到路由和终端设备发过来的数据后,再将数据发送给上位机,从而实现远程监控。如果某个路灯出现故障,可直接从监控系统得知损坏路灯的短地址,从而方便维修。为了响应国家节能减排号召,同时设计出更加人性化、智能化的LED路灯,可在ZigBee协调器上加上检测环境参数的传感器(如光线强度),特别是在阴天与雷雨天气,能自动控制所有的节点开启路灯[5]。
 系统中协调器、路由器和终端节点整体的工作流程如图4所示。其中,终端节点的异常处理是指电流、电压或温度异常,这些异常状况都会导致LED路灯自动关闭。协调器接收到的应用事件包括:各节点上传数据、上位机发送的控制指令,以及协调器自我监控。

4 系统功能测试
 在构造实验系统时配置了一个网络协调器,两个路由器节点和三个终端节点。路由节点和终端节点分别控制5盏LED路灯,协调器则通过串口与上位机相连。经测试,在开阔处ZigBee有效通信距离可达80 m,符合LED路灯要求。同时通过上位机监控界面对LED路灯进行简单的开关控制,并在监控界面上将各LED路灯的亮灭情况、短地址、温度、状态等参数显示出来。监控界面是用DELPHI2010编写的,可以实时显示LED路灯状况,方便监控人员监控,并且可调出以往数据方便查询。图5为在实验室条件下监测到的5盏LED路灯状态,可发现系统工作正常,符合要求。

 论文主要从ZigBee通信技术以及LED驱动电源设计两方面,探讨了如何将新型短距离无线通信技术ZigBee运用于LED路灯照明系统中。使用该技术省掉了传统有线方式的系统布线,使传感器安装快捷、组网容易、维护方便、成本低。同时运用CC2530新型单片机检测控制LED路灯,可大大提高传感器的灵敏度和可靠性,延长LED路灯的使用寿命。经测试,整个系统控制稳定,智能化、现代化程度高,因此本方案在城市LED路灯照明系统中具有较高参考价值。
参考文献
[1] 张艺.ZigBee无线组网技术的研究与实现[D].上海:上海大学,2009.
[2] 李文仲,段朝玉.ZigBee2007/PRO协议栈实验与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009.
[3] 薛艳亮,胡建萍,王江柱.基于分布式编址机制的ZigBee组网技术研究[J].杭州电子科技大学学报,2008(2):33-36.
[4] WINDER S. Power Supplies for LED Driving[M].北京:人民邮电出版社,2009.
[5] 申利民,翁桂鹏.基于ZigBee的智能小区LED路灯控制系统设计[J].中国照明电器,2011(2):26-29.

继续阅读>>