1. 系統(tǒng)方案與設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由三大部分構(gòu)成：控制中心的監(jiān)控系統(tǒng)，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)終端控制節(jié)點(diǎn)和控制中心通信的路由節(jié)點(diǎn)，固定在路燈桿上的終端控制節(jié)點(diǎn)。無(wú)線路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。


控制中心的監(jiān)控系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)與無(wú)線收發(fā)模塊構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)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(diào)整個(gè)路燈系統(tǒng)的運(yùn)作。路燈終端節(jié)點(diǎn)包括LED電源驅(qū)動(dòng)，為大功率LED提供電力，并能根據(jù)微控制器的控制信號(hào)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(cè)模塊，檢測(cè)LED功率情況、供電故障并向上報(bào)警，無(wú)線模塊，負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)。將本系統(tǒng)模型與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行對(duì)應(yīng)，不難發(fā)現(xiàn)，安置在路燈桿上的終端控制節(jié)點(diǎn)即為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)（RFD），控制中心監(jiān)控系統(tǒng)就是協(xié)調(diào)器（COORD），實(shí)現(xiàn)COORD與RFD之間無(wú)線通信的為路由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)（ROUTER）。遠(yuǎn)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(shù)據(jù)。下面具體介紹終端節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)方案。

1.1 LED節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)

LED節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)方案使用UCC28810EVM，它是一款恒流非隔離式電源，適用于街道、停車場(chǎng)或區(qū)域范圍照明等高亮度LED照明應(yīng)用。該設(shè)計(jì)可將通用電源（90~265VRMS）轉(zhuǎn)換成0.9A恒流源，能夠驅(qū)動(dòng)100W LED負(fù)載。UCC28810EVM電路如圖2.1所示。


此電路使用雙級(jí)設(shè)計(jì)，第一級(jí)是UCC28810的轉(zhuǎn)換模式電路，將AC電源轉(zhuǎn)換成36V的DC電源。第二級(jí)也采用UCC28811的轉(zhuǎn)換模式，將恒壓源轉(zhuǎn)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(shù)校正）功能，確保設(shè)計(jì)方案滿足各種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的諧波電流或功率因數(shù)要求。并且UCC28810/11控制器提供如電流峰值限制、復(fù)位定時(shí)器、過(guò)壓保護(hù)（OVP）和使能等特性，UCC28810/11控制器引腳如表2.1所示。


第一級(jí)在低負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行下，升壓跟隨器可跟蹤AC輸入的峰值電壓，實(shí)現(xiàn)更高效率。第二級(jí)將PFC輸出電壓轉(zhuǎn)換為0.9A的固定電流，以驅(qū)動(dòng)LED負(fù)載。第二級(jí)不僅可接受 PWM調(diào)光輸入（從外部或從板級(jí)電路均可），而且還可相應(yīng)開啟或關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)LED電流的PWM調(diào)光。此方案的優(yōu)勢(shì)在于，使用了高效的專用驅(qū)動(dòng)IC，電源轉(zhuǎn)化效率更高了，在低負(fù)荷線路（low-line）運(yùn)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(wěn)定在±10％內(nèi)。
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1.2 狀態(tài)檢測(cè)與報(bào)警

狀態(tài)報(bào)警與檢測(cè)主要包括溫度感測(cè)和感光檢測(cè)兩部分內(nèi)容。

1.2.1 溫度感測(cè)

由于大功率白光LED照明和驅(qū)動(dòng)器發(fā)熱量都很大，所以需要一個(gè)溫度感測(cè)傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)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(bào)警模式，將自動(dòng)關(guān)閉路燈，并向控制器發(fā)送報(bào)警命令。溫度傳感器使用DS18B20。DS18B20是DALLAS生產(chǎn)的一款數(shù)字溫度傳感器。其特點(diǎn)有：獨(dú)特的一線接口，只需要一個(gè)端口即可通信。電路無(wú)需外部元件，可用數(shù)據(jù)總線供電，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(cè)量溫度范圍為-55°C～+125℃，在-10°C～+85°C范圍內(nèi)精度為±0.5°C。DS18B20具有工作電路簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)。DS18B20應(yīng)用范圍包括恒溫控制，工業(yè)系統(tǒng)，消費(fèi)電子產(chǎn)品溫度計(jì)，或任何熱敏感系統(tǒng)。

1.2.2 感光檢測(cè)

系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)使用光敏電阻傳感器測(cè)量周圍環(huán)境的光亮度，當(dāng)傍晚時(shí)周圍環(huán)境還有余光時(shí)，將路燈開啟為單雙燈模式，當(dāng)晚上天全黑了以后，將路燈全部打開，當(dāng)凌晨4點(diǎn)左右出現(xiàn)晨光時(shí)將路燈調(diào)節(jié)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(jiān)持到道路能見(jiàn)度低，路燈也可自動(dòng)打開，保證道路正常照明。本設(shè)計(jì)使用光敏三極管作為感光元件測(cè)量周圍環(huán)境的亮度，處理器實(shí)時(shí)將周圍環(huán)境的亮度通過(guò)無(wú)線模塊反饋給控制中心，由控制中心決定是否打開路燈。電路圖如圖2.2所示。


1.3 無(wú)線模塊設(shè)計(jì)

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


在CC2480的內(nèi)部整合了ZigBee射頻前端和內(nèi)存，片內(nèi)具有128 KB Flash、8 KB SRAM、2路12位的ADC、4個(gè)軟件計(jì)時(shí)器、復(fù)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(dāng)系統(tǒng)處于空閑時(shí)，CC2480能自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，并能實(shí)現(xiàn)休眠與主動(dòng)模式的超短時(shí)間轉(zhuǎn)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(duì)功耗和電池壽命要求嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)合。CC2480采用7mm×7mm QLP封裝，共有48個(gè)引腳?？煞譃镮／O端口線引腳、電源線引腳和控制線引腳3類。CC2480模塊可以直接與上位機(jī)之間通過(guò)串口通信，本系統(tǒng)選用異步串口模式。
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1.4 微控制器電路設(shè)計(jì)

MSP430是一類具有16位總線的帶FLASH的單片機(jī)，由于其性價(jià)比和集成度高，受到廣大技術(shù)開發(fā)人員的青睞.它采用16位的總線，外設(shè)和內(nèi)存統(tǒng)一編址，尋址范圍可達(dá)64K，還可以外擴(kuò)展存儲(chǔ)器.具有統(tǒng)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(nèi)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(shù)轉(zhuǎn)換器、一個(gè)看門狗、6路P口、兩路USART通信端口、一個(gè)比較器、一個(gè)DCO內(nèi)部振蕩器和兩個(gè)外部時(shí)鐘，支持8MHz的時(shí)鐘。因?yàn)槭荈LASH型，則可以在線對(duì)單片機(jī)進(jìn)行調(diào)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(duì)環(huán)境和人體的輻射小，測(cè)量結(jié)果為100mw左右的功耗（電流為14mA左右)，可靠性能好，加強(qiáng)電干擾運(yùn)行不受影響，適應(yīng)工業(yè)級(jí)的運(yùn)行環(huán)境。MSP430單片機(jī)的P3.4、P3.5端口設(shè)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(xiàn)串口通信。單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)給CC2480，CC2480就可以無(wú)線發(fā)送出去，CC2480接收到無(wú)線數(shù)據(jù)也透明傳送給單片機(jī)。

2 軟件流程設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，ZigBee協(xié)議可以應(yīng)用于所有的節(jié)點(diǎn)，因?yàn)閆igBee協(xié)議具有很多的實(shí)用函數(shù)，例如設(shè)備離開或者加入網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)建一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，父節(jié)點(diǎn)和子結(jié)點(diǎn)的搜索，網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)幀的發(fā)送，數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接受等等。系統(tǒng)工作的過(guò)程中，協(xié)調(diào)器主要進(jìn)行無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建和負(fù)責(zé)接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送回來(lái)的路燈信息，依據(jù)路燈的狀況將控制信號(hào)發(fā)送給路燈節(jié)點(diǎn)。路由器節(jié)點(diǎn)處在監(jiān)控狀態(tài)，負(fù)責(zé)獲取其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的信息并判斷是不是需要進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，與此同時(shí)把自身路燈的信息傳送給協(xié)調(diào)器；接受協(xié)調(diào)器的控制信號(hào)來(lái)控制路燈的工作狀態(tài)。終端節(jié)點(diǎn)功能是最簡(jiǎn)單的，只需要負(fù)責(zé)隨時(shí)接收協(xié)調(diào)器發(fā)送的控制命令，并向上一級(jí)返回路燈當(dāng)前的狀態(tài)。

系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)，首先對(duì)CC2480進(jìn)行初始化，協(xié)調(diào)器運(yùn)行初始化協(xié)議，同時(shí)打開中斷。此后軟件程序運(yùn)行創(chuàng)建新網(wǎng)絡(luò)，一旦網(wǎng)絡(luò)能夠成功創(chuàng)建，就對(duì)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器物理地址、當(dāng)前建立網(wǎng)絡(luò)的ID號(hào)以及頻道號(hào)進(jìn)行顯示。協(xié)調(diào)器軟件流程圖如圖3.1所示。對(duì)于路由器節(jié)點(diǎn)，首先對(duì)CC2480進(jìn)行初始化，此后傳感器的電源接通，并且對(duì)協(xié)議棧進(jìn)行初始化，同時(shí)發(fā)送信號(hào)以請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)，等待網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器或前面的路由器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行響應(yīng)，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(kuò)展口能夠獲取網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)地址、路由節(jié)點(diǎn)自己的物理地址和接入網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器或前面路由節(jié)點(diǎn)的物理地址等數(shù)據(jù)。路由器節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖3.2所示。在終端節(jié)點(diǎn)上程序同樣首先對(duì)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(hào)請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)，并且等待前面的路由器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行響應(yīng)，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(kuò)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(jié)點(diǎn)的物理地址等所有數(shù)據(jù)信息。終端節(jié)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(jù)不同上位機(jī)的不同控制命令，路燈節(jié)點(diǎn)有如下幾種不同的控制模式。

3.1 單雙燈開啟模式

這個(gè)模式有兩種情況，編號(hào)是奇數(shù)的燈開啟或者編號(hào)是偶數(shù)的燈開啟。當(dāng)路燈節(jié)點(diǎn)接收到單雙燈開啟命令以后，路燈會(huì)根據(jù)自身的ID編號(hào)，選擇開啟還是關(guān)閉。這種模式應(yīng)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啟關(guān)閉，保證LED路燈工作時(shí)間大致相同以延長(zhǎng)其壽命。

3.2 全功率開啟模式

當(dāng)路燈節(jié)點(diǎn)接收到全功率開啟模式以后，路燈開始工作，并會(huì)以全功率打開，亮度最大。這種模式一般在晚上人車流量大時(shí)和節(jié)假日開啟。

3.3 半功率開啟模式

當(dāng)路燈節(jié)點(diǎn)接收到全功率開啟模式以后，路燈開始工作，但不會(huì)以全功率模式工作，而是通過(guò)LED驅(qū)動(dòng) 模塊的PWM調(diào)光機(jī)制，將LED的功率控制在額定值的一半，這樣起到了節(jié)約電力的作用。

3.4 隨機(jī)選擇關(guān)閉模式

這種模式也是為了節(jié)約電力和延長(zhǎng)路燈壽命的方法。在人流不大的道路上發(fā)給路燈隨機(jī)關(guān)閉模式命令，路燈節(jié)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(jī)熄滅的，不會(huì)影響到整體的照明情況。

3.5 功率異常報(bào)警模式

這種模式不是上位機(jī)發(fā)給的命令。當(dāng)路燈節(jié)點(diǎn)檢測(cè)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(jī)報(bào)警

結(jié)語(yǔ)

本文主要分析了ZigBee協(xié)議組網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種無(wú)線路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，事實(shí)證明本系統(tǒng)該網(wǎng)絡(luò)經(jīng)一次性布置之后，可以在長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。路燈節(jié)點(diǎn)的數(shù)量、位置可隨時(shí)變更，使得調(diào)控路燈變得更加方便、科學(xué)。無(wú)線LED路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)為解決諸多問(wèn)題提供一個(gè)良好平臺(tái)。

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