無線LED路燈遠(yuǎn)程控制方案與關(guān)鍵技術(shù)分析

無線LED路燈遠(yuǎn)程控制方案與關(guān)鍵技術(shù)分析無線LED路燈遠(yuǎn)程控制方案與關(guān)鍵技術(shù)分析無線LED路燈遠(yuǎn)程控制方案與關(guān)鍵技術(shù)分析無線LED路燈遠(yuǎn)程控制方案與關(guān)鍵技術(shù)分析編制僅供參考審核批準(zhǔn)生效日期地址：電話：傳真:郵編:目錄摘要 4Abstract 51 緒論 6 課題背景 6 LED照明光源與驅(qū)動技術(shù) 7 大功率白光LED簡介 7 LED電源驅(qū)動技術(shù) 8 短距離無線通信技術(shù)簡介ZigBee技術(shù)介紹 8 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN） 10 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的結(jié)構(gòu) 10 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的特點 11 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)現(xiàn)狀和應(yīng)用 12 幾種路燈照明控制技術(shù)對比 12 本課題研究目標(biāo)、內(nèi)容和意義 132 無線LED路燈遠(yuǎn)程控制方案總體設(shè)計 14 項目需求分析 14 無線LED路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的應(yīng)用需求 14 硬件平臺需求分析： 15 軟件平臺和路燈節(jié)能控制策略 16 系統(tǒng)指標(biāo)要求 17 無線LED路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 17 無線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建 19 前端節(jié)點子網(wǎng) 19 遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò) 193 無線LED路燈遠(yuǎn)程控制關(guān)鍵技術(shù)分析 21 LED驅(qū)動的設(shè)計 21 電阻限流方式 21 恒壓源 22 恒流源 22 LED調(diào)節(jié)亮度方式 23 LED路燈狀態(tài)檢測 23 系統(tǒng)組網(wǎng) 23 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn) 254 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計考慮 26 LED節(jié)點驅(qū)動控制設(shè)計 26 狀態(tài)檢測與報警 27 溫度感測 27 感光檢測 27 無線模塊的設(shè)計 28 MCU電路設(shè)計 29 節(jié)點固件設(shè)計 305 路燈控制模式和節(jié)能策略 35 路燈控制模式 35 節(jié)能策略 366 總結(jié) 367 謝辭 378 參考文獻(xiàn) 37

LED路燈遠(yuǎn)程控制方案與關(guān)鍵技術(shù)分析摘要：城市照明系統(tǒng)是一個龐大的綜合系統(tǒng)，在照明系統(tǒng)中使用LED路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，不僅可以減少照明時間節(jié)省用電，而且可以降低管理開支。本文主要分析了LED照明技術(shù)和ZigBee協(xié)議組網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計了一種無線LED路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，構(gòu)建為底層為路燈控制節(jié)點，中間為路由模塊，頂層計算機(jī)控制終端。本設(shè)計基于TI公司的CC2480/ZigBee開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計了無線控制平臺，論證了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立和固件流程圖、上位機(jī)節(jié)能策略。本設(shè)計旨在提供一種基于ZigBee無線技術(shù)的城市路燈照明系統(tǒng)解決方案，目的是設(shè)計低成本、高效能、全自動化的城市照明系統(tǒng)。為實現(xiàn)路燈照明系統(tǒng)科學(xué)高效的控制和資源整合，實時了解整個城市的照明情況，提供了一種新的方法。本設(shè)計的意義在于其高效的電力節(jié)約，實時監(jiān)控增加了路燈照明系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性，單燈定位故障采集，可以省去大量人力進(jìn)行巡檢，節(jié)約維護(hù)開支。關(guān)鍵詞：ZigBee短距離無線通信無線網(wǎng)絡(luò)照明控制

AkeytechnologyanalysisofWirelessLEDStreetLightRemoteControlAbstract:Citylightingsystemisalargecomprehensivesystem.UsingLEDremotecontrolsysteminthelightingsystemcannotonlyreducethelightturninguptimebutalsodecreasethemanagementcost.WemainlyanalysisLEDlightingtechnologyandZigBeeprotocoltechnology,anddesignawirelessLEDstreetlightremotecontrolsystem.Thebottompartofthestructureisstreetlightnode,themiddlepartistherootermodule,andthetoppartiscomputercontrolterminal.UsingTI’scc2480/ZigBeedevelopsystemforplatform,ourdesigndevelopwirelesscontrolsystem;andWediscussthedevelopmentofnetwork,firmwareflowchartandpower-savingalgorithm.OurdesignaimatprovideaZigBeewirelesstechnologysolutionofurbanstreetlightingsystem,todesignalow-costhighpowerefficientautomaticcitylightingsystem.Wetrytodevelopanewmethodforcontrollingandintegratingtheurbanstreetlightingrecourse.Themeaningofourdesignishighpowerefficientandincreasesecurityandstabilitybyrealtimemonitoring.Keywords:ZigBee;closewirelesscommunicate;wirelessnetwork;urbanlightingcontrol

緒論課題背景當(dāng)代社會，城市路燈照明/景觀照明建設(shè)不僅帶給人們光明與視覺享受，也成為展現(xiàn)城市魅力的重要窗口，但是在帶來明亮、絢麗色彩的同時也帶來了諸多的困擾如：管理、費(fèi)用、用電、電纜被盜等等問題。燈光照明用電占用電消耗約20%，降低燈光照明用電是節(jié)約能源非常重要的途徑。目前我國為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，大力支持發(fā)展綠色照明。關(guān)于綠色照明目前市場上主要是針對LED節(jié)能光源產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)，而城市照明系統(tǒng)是一個最具潛力的綠色照明系統(tǒng)，通過智能照明控制裝置，合理調(diào)整照明時間，不僅可以節(jié)省照明系統(tǒng)20％以上的用電量，照明燈具的使用壽命也得到了極大的延長，而且大大降低了管理的費(fèi)用。但是，當(dāng)前國內(nèi)外對于路燈照明系統(tǒng)科學(xué)高效的控制和資源整合的產(chǎn)品較少，功能不全面，而基于短距離無線通信技術(shù)的LED路燈遠(yuǎn)程控制方案正是根據(jù)我國現(xiàn)狀而生的產(chǎn)物?；赯igBee技術(shù)和LED光源的路燈系統(tǒng)，是一種自動化成度高、高效節(jié)能的城市照明系統(tǒng)。LED光源是一種高效能、環(huán)保、安全、耐用的新型照明光源，而無線控制技術(shù)其可以對于路燈照明系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)高效的控制和資源整合，合理調(diào)整照明時間，不僅可以節(jié)省照明系統(tǒng)的用電量，而且可以延長照明燈具的使用壽命，減少日常維護(hù)的開支。LED遠(yuǎn)程控制路燈的開發(fā)研制生產(chǎn)已經(jīng)成為發(fā)展十分誘人的朝陽產(chǎn)業(yè)。目前已經(jīng)有國內(nèi)頂尖的無線網(wǎng)絡(luò)研發(fā)公司涉足這項新興產(chǎn)業(yè)。然而無線LED路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)還不明確，國內(nèi)外開發(fā)的技術(shù)還不全面，應(yīng)用還未廣泛，這就需要我們繼續(xù)對這一新興技術(shù)進(jìn)行深入的研究。LED照明光源與驅(qū)動技術(shù)LED照明技術(shù)就是一種高效能、環(huán)保、安全、耐用的新型照明技術(shù)。普通路燈用的熒光燈和HID燈雖價格相對便宜，但光效低（燈的熱效應(yīng)白白耗電）、壽命短、維護(hù)工作量大，但若使用LED，不僅光效高，而且壽命長，目前水平可連續(xù)工作時間10000小時以上，大大減小維護(hù)工作量。LED光源具有使用低壓電源、耗能少、適用性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、響應(yīng)時間短、體積小、對環(huán)境無污染、堅固耐用、多色發(fā)光等的優(yōu)點，雖然價格較現(xiàn)有照明器材昂貴，仍被認(rèn)為是它將不可避免地取代現(xiàn)有照明器件。LED照明技術(shù)初次投入成本較高使得其在市場推廣有一定困難，但是由于路燈是政府投資項目，有雄厚的財政支持，非常適合推廣LED照明技術(shù)。一旦首次投入，既環(huán)保又耐用，后期電費(fèi)和維護(hù)費(fèi)用低廉。目前澳大利亞首都堪培拉的一條街道已用了白光LED作路燈照明，我國臺灣省臺北也有一條街道全部使用了LED路燈照明，大陸也有很多城市開展這方面的試點工作，城市交通指示燈已經(jīng)用LED取代早期的交通秩序指示燈。可以預(yù)見不久的將來，LED路燈必然會取代現(xiàn)有的傳統(tǒng)路燈照明。大功率白光LED簡介自從出現(xiàn)LED以來，人們一直在努力追求實現(xiàn)固體白光照明光源，隨著LED制造工藝的不斷進(jìn)步和新型材料的開發(fā)及應(yīng)用，使白光LED的性能不斷完善并進(jìn)入實用階段。大功率白光LED的出現(xiàn)，使LED應(yīng)用領(lǐng)域跨足至高效照明光源市場。大功率白光LED在壽命上有很大的優(yōu)勢，而白熾燈及其他一些傳統(tǒng)光源在很多技術(shù)方面提升的空間已經(jīng)很小了。LED光譜分布情況決定了其色純度和飽和度是傳統(tǒng)光源無法比擬的，因此具有很強(qiáng)的競爭優(yōu)勢。LED的封裝技術(shù)決定了其光源發(fā)光性非常強(qiáng)，大功率白光LED單只光效高，單位體積小巧，設(shè)計彈性很大，可最大限度配合燈光載體的結(jié)構(gòu)特點，且安裝方便。白光LED主要有兩種實現(xiàn)方式：一種是使用LED芯片和白光熒光粉；另外是使用RGB3色LED芯片。目前多采取第一種方式。目前白熾燈和鹵鎢燈，其光效為12~24lm/W；熒光燈和HID燈的光效為50~120lm/W。對于白光LED，在1988年，白光LED的光效只有5ml/W，到了1999年已達(dá)到了15lm/W，而在2000年時，白光LED的光效已達(dá)到25lm/W，預(yù)計到了2015年時，白光LED的光效可達(dá)到150~200lm/W。那時白光LED的工作電流可達(dá)安培級，足以取代現(xiàn)有技術(shù)，成為主流光源。LED電源驅(qū)動技術(shù)目前LED均采用直流驅(qū)動，因此LED需要一個電源適配器，即LED驅(qū)動電源。在設(shè)計中應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)的用電規(guī)則和LED的驅(qū)動特性要求，選擇的設(shè)計驅(qū)動電源。LED驅(qū)動只占LED照明系統(tǒng)成本的很小部分,但它關(guān)系到整個系統(tǒng)性能的可靠性和效率。驅(qū)動電路除了要滿足安全要求外，對效率的要求也十分高。LED驅(qū)動有三種方案:a.阻限流驅(qū)動方案:就是簡單的在LED的回路中串接電阻,通過調(diào)節(jié)電阻的阻值,可以改變LED的驅(qū)動電流。因此這種電路效率較低，受電源變動影響較大，不適合驅(qū)動大功率LED。b.恒壓驅(qū)動方案:就是使用穩(wěn)壓元件，保持LED兩端的電壓不變。但是此電路除了保證LED的基本恒定輸出外，效率還是很低的。c.LED恒流驅(qū)動使用使用雙級設(shè)計，第一級將AC輸入電源轉(zhuǎn)換成DC恒壓電壓，第二級將恒壓電源轉(zhuǎn)換成恒流源。此方案電源轉(zhuǎn)化效率更高了，保證系統(tǒng)的高效率。綜上所述，應(yīng)盡可能不采用電阻或串聯(lián)穩(wěn)壓電路作為LED驅(qū)動器的限流主電路，而應(yīng)該采用專用高效恒流電路，如方案c，這樣才能保證LED系統(tǒng)的高效率。短距離無線通信技術(shù)簡介ZigBee技術(shù)介紹短距離無線通信技術(shù)是目前新興的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其使用可以使電子產(chǎn)品更加智能化，使我們的生活更加方便。無線通信在家電智能化、醫(yī)療領(lǐng)域、城市停車控制等諸多領(lǐng)域有著很大的用途。下面介紹幾個短距離無線通信技術(shù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。Wi-FiWi-Fi是IEEE定義的一個無線網(wǎng)絡(luò)通信的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（）。其主要特點是數(shù)據(jù)傳輸速率高、建網(wǎng)快、移動性好、組網(wǎng)靈活，有良好的發(fā)展前景。但是Wi-Fi不具備低功耗、低成本、節(jié)點容量的優(yōu)勢，因此在架設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上沒有優(yōu)勢。藍(lán)牙Bluetooth藍(lán)牙技術(shù)是一種無線通信標(biāo)準(zhǔn)，能夠在短距離范圍內(nèi)無線連接電腦、便攜設(shè)備、PDA、移動電話、數(shù)碼相機(jī)、藍(lán)牙耳麥、鍵盤甚至是無線鼠標(biāo)。藍(lán)牙技術(shù)使用全球通用的頻段，以確保能在世界各地通行無阻。藍(lán)牙技術(shù)有著高保密性、高速率的特點，應(yīng)用在主流消費(fèi)性產(chǎn)品中。但是藍(lán)牙技術(shù)使用需要向協(xié)會交納專利費(fèi)，且成本較高，通信距離太近（15m），不適于在工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸中應(yīng)用。ZigBeeZigBee技術(shù)是一種新興的短距離低速率低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee的基礎(chǔ)是IEEE協(xié)議。ZigBee技術(shù)在完全采用標(biāo)準(zhǔn)的物理層和媒體接入控制層的基礎(chǔ)上規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)層和支持的應(yīng)用服務(wù)。ZigBee可以工作在868MHz，915MHz和三個頻段上。我國采用的是頻段。該頻段是全球通用的免付款、免申請的工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)(ISM)頻段。其數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbps/s。ZigBee技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)傳輸距離為75m，在增加了RF發(fā)射功率后，可增加到1~3km。ZigBee的特點主要有以下幾個方面：低功耗。在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號干電池可支持一個節(jié)點工作6~24個月甚至更長。這是ZigBee突出的優(yōu)勢。使用相同的電力，藍(lán)牙技術(shù)能工作數(shù)周、Wi-Fi僅能工作數(shù)小時。低成本。通過大幅簡化協(xié)議（不到藍(lán)牙的1/10），降低了對通信控制器的要求。按預(yù)測分析，以8051的8位微控器測算，全功能的主節(jié)點需要32KB代碼，子功能節(jié)點則至少4KB代碼，而且ZigBee免收協(xié)議專利費(fèi)。低速率。ZigBee工作在250kb/s的通信速率下，可滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用要求。近距離。ZigBee節(jié)點間的傳輸距離一般為10~100m之間，在增加RF發(fā)射功率后，可增加到1~3km。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。短延時。ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需要15ms，節(jié)點連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需要30ms，從而進(jìn)一步節(jié)省的電能。相比之下，藍(lán)牙需要3~10s、Wi-Fi需要3s。高容量。ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理，最多可組成65000個節(jié)點的大網(wǎng)。高安全。ZigBee提供了3級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單（ACL）防止非法獲取數(shù)據(jù)和采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)（AES128）的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療的（全球）（ISM）頻段。本設(shè)計使用ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢在于通訊頻段多，無通訊費(fèi)用，ZigBee技術(shù)低成本、功耗低。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）隨著無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的發(fā)展,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetworks,WSN)應(yīng)運(yùn)而生，并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點帶來了信息感知的一場變革。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)（Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)）。這些傳感器節(jié)點內(nèi)置有集成的傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊，通過一定的協(xié)議自組織起來，借助節(jié)點中內(nèi)置的形式多樣的傳感器測量我們所需要的信號，并通過短距離無線低功率通信技術(shù)將信息發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(sensornode)、匯聚節(jié)點(sinknode)和管理節(jié)點。大量傳感器節(jié)點隨機(jī)部署在監(jiān)測區(qū)域(sensorfield)內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點逐跳地進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。SSink節(jié)點任務(wù)管理節(jié)點任務(wù)管理節(jié)點監(jiān)測區(qū)域監(jiān)測區(qū)域Internet/GPRS圖無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的特點無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點：(1)數(shù)量大、密度高。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的微型化，每個節(jié)點的通信和傳感半徑很有限，一般為十幾米范圍之內(nèi)，而且為了節(jié)能，傳感器節(jié)點大部分時間處于睡眠狀態(tài)，所以往往通過鋪設(shè)大量的傳感器節(jié)點來保證網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。(2)節(jié)點有一定的故障率。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)可能工作在惡劣的外界環(huán)境之中，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點可能會由于各種不可預(yù)料的原因而失效，為了保證網(wǎng)絡(luò)的正常工作，要求傳感器網(wǎng)絡(luò)必須設(shè)計成具有一定的容錯能力，允許傳感器節(jié)點具有一定的故障率。(3)電池能量、計算能力和存儲容量等方面有限制。由于傳感器節(jié)點微型化，節(jié)點的電池能量有限，而且由于物理限制難以給節(jié)點更換電池，所以傳感器節(jié)點的電池能量限制是整個傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計最關(guān)鍵的約束之一，它直接決定了網(wǎng)絡(luò)的工作壽命。另一方面，傳感器節(jié)點的計算和存儲能力有限，使得其不能進(jìn)行復(fù)雜的計算，傳統(tǒng)Internet網(wǎng)絡(luò)上成熟的協(xié)議和算法對傳感器網(wǎng)絡(luò)而言開銷太大，難以使用，必須重新設(shè)計簡單有效的協(xié)議及算法。(4)傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化很快。(5)以數(shù)據(jù)為中心（datacentric）。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中人們只關(guān)心某個區(qū)域的某個觀測指標(biāo)的值，而不會去關(guān)心具體某個節(jié)點的觀測數(shù)據(jù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)現(xiàn)狀和應(yīng)用雖然無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用，由于技術(shù)等方面的制約還有待時日，但是最近幾年，隨著計算成本的下降以及微處理器體積越來越小，已經(jīng)為數(shù)不少的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開始投入使用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用：在軍事上，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織性、容錯能力，特別適合惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境，能很好完成敵方信息的搜集和處理工作。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大面積、低成本、隨機(jī)分布的節(jié)點能方便地獲取環(huán)境科學(xué)中需要的隨機(jī)信息的監(jiān)測與統(tǒng)計，例如監(jiān)測海洋、大氣、降雨量、土壤成分等。通過置于病人身上的傳感器，醫(yī)生可監(jiān)測病人的生理情況，更全面及時地了解病況，并能為遠(yuǎn)程醫(yī)療提供幫助。在空間探索方面，可利用傳感器節(jié)點對外部空間進(jìn)行長時間探測，以獲得更多數(shù)據(jù)。無線傳感網(wǎng)的自組織、微型化、高感知能力，使其具有極為廣泛的商業(yè)運(yùn)用，如服務(wù)業(yè)采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)商品流通、服務(wù)環(huán)境秩序、金融流通安全等。在各種社會活動中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用更是舉不勝舉。幾種路燈照明控制技術(shù)對比根據(jù)調(diào)研，目前路燈控制方式有人工控制方式、時控方式、電力載波控制、GPRS控制、ZigBee控制等。人工控制方式是由值班員手動進(jìn)行開關(guān)等的操作，顯然這種方式工作量大，效率低，在目前的路燈控制中不適用。時控方式是指在路燈控制器安裝定時器，定時開關(guān)路燈，功能單一，不能根據(jù)季節(jié)和天氣調(diào)整。電力線載波方式是指將路燈控制信號調(diào)制在輸電線上，以控制路燈。可是在用電高峰時刻控制信號占用電力線容量，使得控制信號無法正常傳送到線路上，不僅在用電高峰狀態(tài)下不能實現(xiàn)路燈控制，嚴(yán)重時還會影響其整體照明亮度。成本怎樣技術(shù)成熟GPRS控制路燈是使用GPRS模塊并使用通信公司的服務(wù)。GPRS控制范圍廣，模塊化好，集成度高，抗干擾能力強(qiáng)。但是單獨的GPSR路燈控制只是控制一條路上的路燈，無法實現(xiàn)單雙燈控制等節(jié)能算法，且造價高昂，使用費(fèi)用較高基于ZigBee技術(shù)的無線路燈控制是最近提出的，用無線通信方式對路燈節(jié)點進(jìn)行管理的，這種方式有很多優(yōu)勢：通訊頻段多，組網(wǎng)能力強(qiáng)，無通訊費(fèi)用。城市路燈可以自行組網(wǎng)，不用購買通信公司的服務(wù)。ZigBee技術(shù)不需要專利費(fèi)、硬件成本低、功耗低。架設(shè)ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)的成本是所有無線技術(shù)中最低的，功耗極低，非常節(jié)能。應(yīng)用WSN，可以實現(xiàn)實時監(jiān)控，有多種路燈控制方式，在路燈系統(tǒng)上使用節(jié)能算法，達(dá)到更好的節(jié)能目的。ZigBee技術(shù)也有不足：距離短，傳輸數(shù)據(jù)速率低，工作頻段易受干擾。因此ZigBee技術(shù)是我們的首選。采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，通過眾多節(jié)點的無線組網(wǎng)從而構(gòu)成一個基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN），這樣不僅省去了架設(shè)線路的費(fèi)用，維護(hù)管理開支也比較低。本課題研究目標(biāo)、內(nèi)容和意義本課題旨在提供一種無線技術(shù)的LED路燈照明系統(tǒng)解決方案，目的是為設(shè)計低成本、高效能、全自動化的路燈照明設(shè)施作準(zhǔn)備。目前的LED路燈系統(tǒng)主要使用有線線路控制，本項目的新穎之處就在于使用了無線控制模塊，可以在城市信息控制中心整合控制全城的路燈照明系統(tǒng)，實時了解整個城市的照明情況，方便調(diào)控城市照明和日常維護(hù)。及時故障報警功能可讓路燈受損壞時無需人工檢測即可給檢測人員提供準(zhǔn)確的定位，取代了傳統(tǒng)的巡視道路這一大成本投入的老模式，使得現(xiàn)代無線技術(shù)更加節(jié)能和“人性化”。應(yīng)用無線遠(yuǎn)程控制技術(shù)的LED路燈照明系統(tǒng)，可設(shè)定程序自動執(zhí)行也可人工隨機(jī)管理，在晚上6點鐘將馬路上的單號燈或者雙號燈開啟（關(guān)閉）；到晚上24點以后，調(diào)節(jié)到半亮度或1/3亮度狀態(tài)以減少其電能；早上5點鐘全部關(guān)閉；可增加光度感應(yīng)器功能，在陰雨天或沙塵暴等惡劣天氣下及能見度極低時，ZigBee控制器可自行控制開啟其照明狀態(tài)；另外及時位置報警功能可讓路燈受損壞時而無需人工巡視道路檢測即可自動提示給檢測人員進(jìn)行準(zhǔn)確定位，取代了人車傳統(tǒng)的巡視道路這一大成本投入的老模式，使得現(xiàn)代無線技術(shù)更加節(jié)能和“人性化”。無線路燈控制器可將采集電流、電壓、功率因素等參數(shù)，通過無線智能控制方式傳輸?shù)娇刂浦行?，為?jié)能等評估打下數(shù)字基礎(chǔ)。國家在政策方面不僅對新能源大力支持，也非常重視工業(yè)和生活中照明領(lǐng)域的節(jié)能。財政部計劃今年中央財政將加大高效照明產(chǎn)品推廣力度，大力推廣節(jié)能的使用范圍。而本項目正是在這一背景下營運(yùn)而生的系統(tǒng)，對提高城市照明系統(tǒng)的可靠性、智能化、信息化、低成本，具有十分重要的意義。無線LED路燈遠(yuǎn)程控制方案總體設(shè)計項目需求分析為了使設(shè)計的系統(tǒng)能夠滿足路燈控制的要求，具備較強(qiáng)的應(yīng)用價值，在本項目調(diào)研的過程中，除了在網(wǎng)絡(luò)上查找大量資料外，還同了北京、深圳等多家技術(shù)公司的工作人員進(jìn)行了交流，詳細(xì)了解了路燈照明和控制領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和需求，分析了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在路燈控制領(lǐng)域的應(yīng)用前景。根據(jù)所了解到的情況，完成項目的需求分析，對產(chǎn)品的功能和結(jié)構(gòu)做出整體性規(guī)范。無線LED路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的應(yīng)用需求根據(jù)調(diào)查，目前路燈控制目前路燈控制方式有人工控制方式、時控方式、電力載波控制、GPRS控制等。這些控制方法各有各的優(yōu)缺點。以電力線載波方式為例，將路燈控制信號調(diào)制在輸電線上控制路燈?？墒窃谟秒姼叻鍟r刻控制信號占用電力線容量，使得控制信號無法正常傳送到線路上，不僅在用電高峰狀態(tài)下不能實現(xiàn)路燈控制，嚴(yán)重時還會影響其整體照明亮度?；跓o線傳感網(wǎng)絡(luò)的無線LED遠(yuǎn)程路燈控制系統(tǒng)正是應(yīng)對現(xiàn)有路燈控制手段不足而設(shè)計的，本設(shè)計應(yīng)該滿足以下要求：設(shè)計盡可能低成本、高性價比的LED路燈照明產(chǎn)品。目前LED路燈和無線控制器的價格都比較高，遠(yuǎn)程控制無線LED路燈系統(tǒng)的造價與傳統(tǒng)有線控制的白熾燈或熒光燈相比相差很大，在設(shè)計和制造的過程中必須通過各種途徑，努力降低制造成本。LED驅(qū)動只占LED照明系統(tǒng)成本的很小部分,但它關(guān)系到整個系統(tǒng)性能的可靠性和效率。LED 驅(qū)動的主要要求有：驅(qū)動器應(yīng)該要有較高的功率轉(zhuǎn)換效率，目前高的功率轉(zhuǎn)換效率可達(dá)80~90%。驅(qū)動電路要滿足安全要求，有完善的保護(hù)電路，如低壓鎖存、過壓保護(hù)、過熱保護(hù)、輸出開路或短路保護(hù)。驅(qū)動器可以對LED的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，提供PWM或線性調(diào)光。無線組網(wǎng)選用的無線協(xié)議和傳輸模塊，必須要經(jīng)濟(jì)可靠、功耗低，方便遠(yuǎn)程控制。ZigBee網(wǎng)絡(luò)是一個短距離的的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)和節(jié)點設(shè)置是一個難點。為了保證網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的健壯性和可靠性，應(yīng)該使用ZigBee網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)有充分冗余。遠(yuǎn)程監(jiān)測控制傳輸協(xié)議。ZigBee是一個低速率低功耗的WSN網(wǎng)絡(luò)，工作在公共頻段，外界干擾大，抗干擾性能主要靠協(xié)議機(jī)制來保證，所以設(shè)計通信協(xié)議的時候需要考慮到抗干擾和可靠性，保證控制準(zhǔn)確可靠。硬件平臺需求分析：系統(tǒng)中各個節(jié)點工程了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布脚_，是實現(xiàn)路燈檢測控制功能的基本保障。所以在設(shè)計總體方案前，需要對節(jié)點硬件應(yīng)具備的性能做出分析。首先，MCU是整個硬件節(jié)點的核心，其性能應(yīng)當(dāng)滿足：處理速度快，擁有較大的儲存空間，功耗低，集成度高，減少外圍器件的使用，可靠性好。其次，無線收發(fā)模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸，其應(yīng)該為數(shù)據(jù)可靠、穩(wěn)定的傳輸提供保證。除了上述兩方面外，節(jié)點上使用的傳感器也是必須考慮的因素，因為它直接影響著傳感器節(jié)點的體積和性能。最后在搭建硬件平臺時，還應(yīng)該考慮系統(tǒng)的擴(kuò)展性和成本問題。應(yīng)該在保證系統(tǒng)可擴(kuò)展性的基礎(chǔ)上，盡量降低成本，以提高市場競爭力。軟件平臺和路燈節(jié)能控制策略無線LED遠(yuǎn)程路燈控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的軟件是在某種無線通信協(xié)議的基礎(chǔ)上開發(fā)的。其協(xié)議應(yīng)該支持多設(shè)備加入、自動組網(wǎng)、路由轉(zhuǎn)發(fā)跳轉(zhuǎn)。節(jié)點應(yīng)該能自動采集路燈運(yùn)行情況的各種數(shù)據(jù)，并可靠地傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)傳輸距離超過了通信距離時，能夠以多跳方式傳輸數(shù)據(jù)。從上面的方向可以看出，選擇一種合適的無線通信協(xié)議，對于整個系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。然而，目前具有良好組網(wǎng)性能的短距離通信協(xié)議較少，而且許多使用費(fèi)用較高。ZigBee技術(shù)的出現(xiàn)，為人們構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了一種很好的選擇。采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，通過眾多節(jié)點的無線組網(wǎng)從而構(gòu)成一個基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN），這樣不僅省去了架設(shè)線路的費(fèi)用，維護(hù)管理開支也比較低。為了減少路燈電能消耗，可以通過光敏傳感器根據(jù)周圍亮度的高低，調(diào)節(jié)路燈功率的大小，遠(yuǎn)程控制隔盞照明。除了針對單盞路燈基于時間和亮度的節(jié)能控制，還可以通過大區(qū)域道路照明的節(jié)能策略算法，達(dá)到節(jié)能的目的。例如可設(shè)定程序自動執(zhí)行也可人工隨機(jī)管理在晚上6點鐘將馬路上的單號燈或者雙號燈開啟（關(guān)閉）；到晚上24點以后，調(diào)節(jié)到半亮度或1/3亮度狀態(tài)以減少其電能；早上5點鐘全部關(guān)閉；使用光敏傳感器，在陰雨天或沙塵暴等惡劣天氣下及能見度極低時，ZigBee控制器可自行控制開啟其照明狀態(tài)；另外及時位置報警功能可讓路燈受損壞時而無需人工巡視道路檢測即可自動提示給檢測人員進(jìn)行準(zhǔn)確定位，取代了人車傳統(tǒng)的巡視道路這一大成本投入的老模式，使得現(xiàn)代無線技術(shù)更加節(jié)能和“人性化”。無線路燈控制器可將采集電流、電壓、功率因素等參數(shù)，通過無線智能控制方式傳輸?shù)娇刂浦行?，為?jié)能等評估打下數(shù)字基礎(chǔ)。系統(tǒng)指標(biāo)要求容納路燈數(shù)：每個無線LED路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)控制路燈應(yīng)不少于1000盞。控制范圍應(yīng)覆蓋至少1平方公里。組網(wǎng)延時：在單個協(xié)調(diào)器情況下，組網(wǎng)用時在20s以內(nèi)?？刂蒲訒r：信息在路燈和協(xié)調(diào)器之間的傳輸延時應(yīng)該在10s以內(nèi)，保證控制的實時性。數(shù)據(jù)傳輸速率：在無遮擋物環(huán)境下10m左右速率為250kbps；空曠環(huán)境下30~75m距離速率為40kbps；300m速率為20kbps。節(jié)能率：在使用節(jié)能算法前，使用LED節(jié)能路燈應(yīng)比普通路燈節(jié)能50%。使用節(jié)能控制算法后應(yīng)比系統(tǒng)未使用節(jié)能算法前節(jié)能30%以上。可靠性：通信誤碼率小于1%。無線控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)就較高可靠性，在一個路由節(jié)點故障時，應(yīng)能及時啟用備用的路由鏈路，保障協(xié)調(diào)器對終端節(jié)點的有效控制。路燈的故障率應(yīng)該小于5%。無線LED路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)硬件分三部分組成：安裝在路燈燈桿上的終端控制節(jié)點，控制中心的監(jiān)控系統(tǒng)，負(fù)責(zé)實現(xiàn)終端控制節(jié)點和控制中心通信的路由節(jié)點?？刂浦行目刂浦行穆窡艨刂平K端轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點路燈終端節(jié)點路燈終端節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點路燈終端節(jié)點路燈終端節(jié)點路燈終端節(jié)點圖無線LED路燈遠(yuǎn)程控制圖無線LED路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)控制中心的監(jiān)控系統(tǒng)由pc機(jī)和無線收發(fā)模塊組成，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)整個路燈系統(tǒng)的運(yùn)作。路燈終端節(jié)點包括LED電源驅(qū)動，為大功率LED提供電力，并能根據(jù)MCU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，無線模塊，負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)。節(jié)點框架圖如下：PWMPWM調(diào)光SPI/串口SPI/串口MCUMCUMSP430Led電源驅(qū)動模塊電壓電流、溫度、光感傳感器模塊CC2480無線通信模塊圖路燈終端節(jié)點結(jié)構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建前端節(jié)點子網(wǎng)把模型放到WSN模型中來，安裝在路燈燈桿上的終端控制節(jié)點即為WSN中的終端節(jié)點（RFD），控制中心監(jiān)控系統(tǒng)為協(xié)調(diào)器（COORD），實現(xiàn)COORD與RFD之間無線通信的為路由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點（ROUTER）。本設(shè)計采用星型網(wǎng)絡(luò)，一個網(wǎng)絡(luò)中只有一個協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)，顯示狀況信息和發(fā)送控制命令。網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點為路燈控制終端，在WSN對應(yīng)的模型為RFD，路燈終端節(jié)點配置在路燈燈桿上，裝有路燈控制器、無線模塊，接收控制命令和發(fā)送路燈的實時狀況。網(wǎng)絡(luò)中的路由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，在WSN對應(yīng)模型為ROOTER，也是配置在路燈燈桿上，也可以對路燈實現(xiàn)控制。和終端節(jié)點不同的是，其還要負(fù)責(zé)路由轉(zhuǎn)發(fā)終端節(jié)點的數(shù)據(jù)。其硬件結(jié)構(gòu)與終端節(jié)點差別不大。遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)使用ZigBee+GRPS網(wǎng)絡(luò)的混合網(wǎng)絡(luò)。由于ZigBee無線網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)傳輸距離只有75m，即使使用擴(kuò)展天線也只有200m，要實現(xiàn)覆蓋整個城市的WSN很困難。如果使用中繼路由的方式實現(xiàn)的話，成本不低，網(wǎng)絡(luò)過大，可靠性無法保證，不好控制。所以將城市路燈組網(wǎng)劃分成若干個小的子網(wǎng)，每個子網(wǎng)覆蓋幾個到十幾個街區(qū)，每個子網(wǎng)中有幾百盞路燈，子網(wǎng)內(nèi)部使用ZigBee建立的WSN控制路燈，其終端和協(xié)調(diào)器之間最多路由跳轉(zhuǎn)2~3次，保證網(wǎng)絡(luò)可靠性。子網(wǎng)和中央控制中心使用GPRS網(wǎng)絡(luò)來傳輸數(shù)據(jù)?？偪乜偪谿PRSGPRSGPRSZigBeeZigBeeZigBee協(xié)調(diào)器路由節(jié)點圖遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)圖遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)無線LED路燈遠(yuǎn)程控制關(guān)鍵技術(shù)分析LED驅(qū)動的設(shè)計電阻限流方式阻限流驅(qū)動方案就是簡單地在LED的回路中串接電阻,通過調(diào)節(jié)電阻的阻值,可以改變LED的驅(qū)動電流。圖電阻圖電阻限流方式圖是傳統(tǒng)的限流電路，電網(wǎng)電源通過降壓變壓器降壓；橋式整流濾波后，通過電阻R1限流來使2個LED穩(wěn)定工作，這種電路的致命缺點是：電阻R1的存在是必須的，R1上的有功損耗直接影響了系統(tǒng)的效率，當(dāng)R1分壓較小時，R1的壓降占總輸出電壓的40％，輸出電路在R1上的有功損耗已經(jīng)占40％，再加上變壓器損耗，系統(tǒng)效率小于50％。當(dāng)電源電壓在±10％的范圍內(nèi)變動時，流過LED的電流變化將≥25％，LED上的功率變化將達(dá)到30％。當(dāng)R分壓較大時，在電源電壓在±10％的范圍內(nèi)變動時，雖說能使輸出到LED的功率變化減少，但系統(tǒng)效率將更低。因此這種電路效率較低，受電源變動影響較大，不適合驅(qū)動大功率LED。恒壓源恒壓驅(qū)動方案:就是使用穩(wěn)壓元件，保持LED兩端的電壓不變。圖圖恒壓驅(qū)動方案圖是在圖的基礎(chǔ)上加了一個集成穩(wěn)壓元件MC7809，使輸出端的電壓基本穩(wěn)定在9V，限流電阻R可用得很小也不會因為電源電壓的不穩(wěn)定造成LED的超載。但是此電路除了保證LED的基本恒定輸出外，效率還是很低的。因為MC7809和R1上的壓降仍占很大比例，其效率僅為40％左右。上述這類電路的應(yīng)用，系統(tǒng)總的每瓦輸出流明僅為20lm/W～25lm/W，是根本不能稱為節(jié)能的照明產(chǎn)品的。為了達(dá)到既能使LED穩(wěn)定工作，又能保持高的效率，應(yīng)采用低功耗的限流元件和電路來使系統(tǒng)效率提高。恒流源恒流驅(qū)動方案，顧名思義就是保持LED的電流一直不變，讓LED在恒定電流的條件下工作，要想提高LED的發(fā)光的效率和穩(wěn)定度，減少LED的光衰度，恒流驅(qū)動是最好的選擇。大功率LED都是采用采用恒流驅(qū)動方式。LED恒流驅(qū)動使用使用雙級設(shè)計，第一級將AC輸入電源轉(zhuǎn)換成DC恒壓電壓，第二級將恒壓電源轉(zhuǎn)換成恒流源。此方案電源轉(zhuǎn)化效率更高了，保證系統(tǒng)的高效率。這個技術(shù)方案在下一章詳細(xì)介紹。LED調(diào)節(jié)亮度方式調(diào)節(jié)LED亮度的方法主要有兩種。一種是改變恒定電流，一種是改變脈沖調(diào)制（PWM）。改變恒定電流的方式比較簡單，但是由于LED是電子與空穴再結(jié)合時發(fā)光，光束依賴于電流。電流小的情況下，光束和電流基本是成正比的，但當(dāng)LED電流增大，熱量隨之增大，導(dǎo)致發(fā)光效率變低，光束和電流就不成正比了。在改變脈沖占空比的方法（PWM調(diào)制）中，由于反復(fù)接受瞬間閃光后，人眼會感受到反復(fù)時間內(nèi)的平均亮度，根據(jù)脈沖占空比改變亮度。且使用MCU，容易實現(xiàn)PWM調(diào)制。這里采取后者的方法。LED路燈狀態(tài)檢測本設(shè)計終端路燈節(jié)點使用多種傳感器，如光敏電阻傳感器、溫度傳感器，測量周圍環(huán)境情況和路燈的工作情況，并將處理器的數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心，由控制中心決定路燈的工作模式和狀態(tài)。如果傳感器的測量值超過了閾值，則路燈自動關(guān)閉，并向控制中心報警。使用光敏電阻傳感器測量周圍環(huán)境的光亮度，當(dāng)傍晚時周圍環(huán)境還有余光時，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點左右出現(xiàn)晨光時將路燈調(diào)節(jié)成半功率工作模式。在陰天和沙塵暴天氣時，光敏傳感器堅持到道路能見度低，路燈也可自動打開，保證道路正常照明。使用溫度傳感器，實時監(jiān)控路燈的溫度情況，如果路燈工作發(fā)生了異常，路燈控制器控制路燈關(guān)閉，并將報警信息通過ZigBee模塊后發(fā)送給控制中心。具體電路實現(xiàn)見后面一章。系統(tǒng)組網(wǎng)系統(tǒng)有兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選擇：鏈狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)：缺點：可靠性不佳，如果某個路由節(jié)點不工作，直接導(dǎo)致后面的節(jié)點癱瘓。優(yōu)點：系統(tǒng)較簡單，成本低，維護(hù)簡單。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器C網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器Coordinator路由節(jié)點ROUTER路由節(jié)點ROUTER路由節(jié)點ROUTERRFD圖鏈狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：優(yōu)點：如果網(wǎng)絡(luò)中有節(jié)點脫離網(wǎng)絡(luò)，無法正常工作，節(jié)點數(shù)據(jù)將自動路由到一個替換節(jié)點保證系統(tǒng)正常工作。缺點：中繼路由比鏈狀結(jié)構(gòu)要多很多，成本增加，需要有一套路由轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，維護(hù)復(fù)雜程度增加。本設(shè)計采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。協(xié)調(diào)器ZigBee路由節(jié)點ZigBee路由節(jié)點協(xié)調(diào)器ZigBee路由節(jié)點ZigBee路由節(jié)點圖網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZigBee路由節(jié)圖網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZigBee路由節(jié)點ZigBee網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的建立，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器具有建立一個網(wǎng)絡(luò)、維護(hù)鄰居設(shè)備表、對邏輯網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行分配、允許設(shè)備MAC層／應(yīng)用層的連接或斷開網(wǎng)絡(luò)的功能．網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器在進(jìn)行一些初始之后。調(diào)用aplFormNetwork()來建立網(wǎng)絡(luò)．協(xié)調(diào)器通過掃描一個空信道來建立一個新的網(wǎng)絡(luò)，然后選擇一個隨機(jī)的PANID并開始監(jiān)聽此信道．同時協(xié)調(diào)器還有一個目前連接設(shè)備的列表。以支持其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)．網(wǎng)絡(luò)的加入，當(dāng)一個網(wǎng)絡(luò)建立成功后，便要考慮路由節(jié)點和RFD節(jié)點如何加入到網(wǎng)絡(luò)中去．路由節(jié)點和RFD節(jié)點通過調(diào)用aplJoinNetwork()函數(shù)加入到協(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)中。路由節(jié)點和RFD節(jié)點掃描信道找到協(xié)調(diào)器并申請加入網(wǎng)絡(luò)，獲取協(xié)調(diào)器的地址，同時將自己的地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器．網(wǎng)絡(luò)加入成功后，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點則進(jìn)人休眠狀態(tài)，直到有命令或數(shù)據(jù)發(fā)送時才被喚醒。系統(tǒng)軟硬件設(shè)計考慮LED節(jié)點驅(qū)動控制設(shè)計此方案使用ti公司生產(chǎn)的UCC28810EVM-002評估板。UCC28810EVM-002評估板(EVM)是一款恒流非隔離式電源，適用于街道、停車場或區(qū)域范圍照明等高亮度LED照明應(yīng)用。該設(shè)計可將通用電源(90~265VRMS)轉(zhuǎn)換成恒流源，能夠驅(qū)動100WLED負(fù)載。圖UCC28810EVM-002電路圖此電路使用雙級設(shè)計，第一級是UCC28810的轉(zhuǎn)換模式電路，將AC電源轉(zhuǎn)換成36V的DC電源。第二級也采用UCC28811的轉(zhuǎn)換模式，將恒壓源轉(zhuǎn)換為09A恒流源。電路中使用的TI公司的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)位定時器、過壓保護(hù)（OVP）和使能等特性，引腳介紹：EAOUT跨導(dǎo)誤差放大器的輸出GND器件的參考地GDRV門驅(qū)動輸出，用以驅(qū)動回掃降壓或升壓開關(guān)ISENSE這個引腳檢測瞬時在外部開關(guān)的開關(guān)電流，并且利用這個信號為電流檢測比較器作內(nèi)部坡道TZE這個引腳作為零能量檢測比較器輸入VDD輸入電源VINS這個引腳檢測瞬時校準(zhǔn)輸入電壓，通過一個外部分壓器VSENSE這個引腳是跨導(dǎo)放大器的反向輸入，通常接；同時也是過壓比較器的輸入第一級在低負(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，實現(xiàn)更高效率。第二級將PFC輸出電壓轉(zhuǎn)換為的固定電流，以驅(qū)動LED負(fù)載。第二級不僅可接受PWM調(diào)光輸入(從外部或從板級電路均可)，而且還可相應(yīng)開啟或關(guān)閉，從而實現(xiàn)LED電流的PWM調(diào)光。此方案的優(yōu)勢在于，使用了高效的專用驅(qū)動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％的變動時，仍能保持輸出電流變動穩(wěn)定在±10％內(nèi)。狀態(tài)檢測與報警溫度感測由于大功率白光LED照明和驅(qū)動器發(fā)熱量都很大，所以需要一個溫度感測傳感器，實時監(jiān)控路燈的溫度，并向控制中心反映，如果溫度超過警戒溫度，控制器進(jìn)入報警模式，將自動關(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(shù)字溫度傳感器。其特點有：獨特的一線接口，只需要一個端口即可通信。電路無需外部元件，可用數(shù)據(jù)總線供電，也可外接VCC。工作電壓范圍廣，為V至V，無需備用電源。測量溫度范圍為-55°C至+125℃，在-10°C至+85°C范圍內(nèi)精度為±°C。DS18B20具有工作電路簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點。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，或任何熱敏感系統(tǒng)。感光檢測本設(shè)計使用光敏三極管作為感光元件測量周圍環(huán)境的亮度，處理器實時將周圍環(huán)境的亮度通過無線模塊反饋給控制中心，由控制中心決定是否打開路燈。電路圖如下：圖光敏三極管電路圖無線模塊的設(shè)計目前TI公司已經(jīng)先后推出了支持ZigBee協(xié)議的GHz的射頻收發(fā)器CC2420和ZigBee的片上系統(tǒng)解決方案CC2430，以及第二代射頻收發(fā)器CC2520芯片。CC2480是TI公司在2008年4月30日推出的首款經(jīng)ZigBee認(rèn)證的新Z-Accel系列網(wǎng)絡(luò)處理器。它能夠簡化設(shè)計，縮短上市時間。Z-Accel簡化了將ZigBee功能添加到新的或現(xiàn)有應(yīng)用的操作，并允許客戶與任何MCU進(jìn)行靈活協(xié)作。無線通信模塊使用CC2480/ZigBee模塊，在單個芯片上集成了ZigBee射頻前端、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、定時器，支持協(xié)議。其無線性能出色，功耗很低。CC2480電路圖如圖所示。圖CC2480/ZigBee模塊電路圖電路晶振XTAL1選用32MHz，晶振XTAL2選用kHz。kHz的晶振用于睡眠模式給期間提供時序，這樣降低電流、可以減少功耗。CC2480模塊提供USART模塊，可以工作在同步模式或異步模式，提供UART模式和SPI模式同控制電路連接。在異步串口接口模式下，使用UART模式。在UART模式，接口使用RXD/TXD兩根線作為接口。波特率為115200，可以使用額外的RTS/CTS線作為流控制（flowcontrol）線，8N1數(shù)據(jù)格式，DCE信號連接。UART模式提供雙向異步傳輸，而同步字不會影響到傳輸功能。一個異步傳輸字節(jié)包括1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個校驗位和1個結(jié)束位。CC2480還可以使用同步SPI模式，工作在同步從機(jī)狀態(tài)，工作頻率可達(dá)4MHz。這樣通過編寫相應(yīng)的ZigBee協(xié)議，CC2480模塊可以直接與上位機(jī)之間通過串口通信。我們選用異步串口模式。MCU電路設(shè)計節(jié)點用MSP430超低功耗單片機(jī)作為MCU，MSP430是TI公司生產(chǎn)的一款超低功耗16位RISC混合信號處理器。具有超低功耗，高度集成，豐富的片上外圍模塊等特點。MCU電路圖如下：圖控制模塊MSP430電路圖MSP430單片機(jī)目前主要以FLASH型為主。本設(shè)計選用的是MSP430F149。MSP430F1xxMCU系列提供業(yè)界較低的電流消耗，工作電壓為V，實時時鐘待機(jī)電流的消耗僅為uA，而運(yùn)行模式電流低至300uA(1MHz)，從休眠至正常工作整個喚醒過程僅需6us。MSP430單片機(jī)系統(tǒng)外界8MHz和兩個晶振。單片機(jī)的、端口設(shè)置成串口0（USART0）的收發(fā)口與CC2480的異步串口相連，他們之間實現(xiàn)串口通信，如圖所示。單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)給CC2480，CC2480就可以無線發(fā)送出去，CC2480接收到無線數(shù)據(jù)也透明傳送給單片機(jī)。節(jié)點固件設(shè)計在該系統(tǒng)中，每個節(jié)點都使用了ZigBee協(xié)議，在ZigBee協(xié)議中已經(jīng)提供了眾多的函數(shù)，包括新建網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備加入離開網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)幀，尋找父節(jié)點和子結(jié)點，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包等。在系統(tǒng)工作的過程中網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)和接收節(jié)點發(fā)送來的路燈信息，根據(jù)路燈的狀況發(fā)送控制信號到路燈節(jié)點。ROUTER節(jié)點處于監(jiān)控狀態(tài)，接受其他節(jié)點發(fā)送的信息并決定是否轉(zhuǎn)發(fā)，同時將自身路燈的信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器；接受協(xié)調(diào)器的控制信號，控制路燈打開或關(guān)閉。RFD節(jié)點功能最簡單，只用隨時接收協(xié)調(diào)器發(fā)送的控制命令，并向上返回路燈目前狀態(tài)。協(xié)調(diào)器工作首先初始化CC2480，然后初始化協(xié)議并打開中斷。之后程序開始建立一個網(wǎng)絡(luò)，如果網(wǎng)絡(luò)建立成功，則顯示相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的物理地址、現(xiàn)在建立網(wǎng)絡(luò)的ID號和頻道號。對于路由節(jié)點，程序首先初始化CC2480，然后打開傳感器電源，之后初始化協(xié)議棧，并開始發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)請求信號，等待網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器或前面的路由器節(jié)點響應(yīng)，并給自己分配網(wǎng)絡(luò)地址。如果加入網(wǎng)絡(luò)成功，通過串口擴(kuò)展口可以得到網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)地址、路由節(jié)點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)點的物理地址等數(shù)據(jù)。在RFD節(jié)點上程序同樣首先初始化CC2480，打開傳感器電源，之后初始化協(xié)議棧，并開始發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)請求信號，等待前面的路由器節(jié)點響應(yīng)，并給自己分配網(wǎng)絡(luò)地址。如果加入網(wǎng)絡(luò)成功，同樣通過串口擴(kuò)展口可以得到加入網(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)點的物理地址等數(shù)據(jù)信息。

協(xié)調(diào)器程序流程圖：初始化協(xié)調(diào)器初始化協(xié)調(diào)器建立新的網(wǎng)絡(luò)是否改變路燈狀態(tài)接收終端設(shè)備數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)建立成功發(fā)送控制命令道終端設(shè)備NNYY圖協(xié)調(diào)器程序流程圖

路由器流程圖：初始化初始化加入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)根據(jù)信號路燈開關(guān)，并轉(zhuǎn)發(fā)送到下一個節(jié)點判斷接受到的信號給該節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)號并顯示加入網(wǎng)絡(luò)信號控制信號圖路由器流程圖

RFD節(jié)點程序流程圖：發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)信號發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)信號初始化加入網(wǎng)絡(luò)是否成功如果電源為打開狀態(tài)根據(jù)光線控制路燈開關(guān)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)如果受到控制信號就做相應(yīng)處理NY圖RFD