隨著我國城鄉(xiāng)一體化建設(shè)和城市化建設(shè)的不斷深入，對道路照明擴(kuò)展規(guī)模越來越大，因此對道路照明及景觀照明提出了更高、更新的要求。與此同時，路燈的電能消耗和燈具損耗也越來越大。傳統(tǒng)的路燈控制系統(tǒng)存在著智能化程度低、線路穩(wěn)定度差等問題，給城市照明系統(tǒng)的管理和維護(hù)帶來很大困難。為了解決以上問題，本論文提出了基于CC2530 的ZigBee 無線路燈節(jié)能智能監(jiān)控系統(tǒng)方案。該方案能夠靈活開關(guān)燈，自動及時發(fā)現(xiàn)故障，提高設(shè)備智能化管理。本系統(tǒng)根據(jù)實際要求，對每一組路燈進(jìn)行控制，實現(xiàn)照明模式的多樣化和靈活性，若有損壞的路燈，系統(tǒng)會及時顯示其信息，并通知管理人員， 有效地提高了城市照明系統(tǒng)的管理水平。

　　1、ZigBee 技術(shù)

　　ZigBee 技術(shù)是一種新興的短距離無線通信技術(shù)，目前在近距離無線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。ZigBee 協(xié)議棧是建立在IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)之上。IEEE802.15.4 定義了物理層和MAC 層的規(guī)范。其余如網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層規(guī)范。等方面由ZigBee 聯(lián)盟負(fù)責(zé)。ZigBee 技術(shù)采用自組織網(wǎng)絡(luò)， 且其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以隨意變動的這一特點對道路照明監(jiān)控系統(tǒng)十分有利，對實現(xiàn)路燈節(jié)能智能監(jiān)控系統(tǒng)的智能化、高可靠性、低成本起到很好的作用。

　　ZigBee 低速無線個域網(wǎng)具有如下特點：

　　(1) 低功耗。ZigBee 技術(shù)傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量小。而且，ZigBee 模塊在非工作時間采用休眠模式， 使得系統(tǒng)運(yùn)行非常節(jié)省電能。

　　(2) 數(shù)據(jù)傳輸可靠。ZigBee 采用沖突避免的載波多路偵聽技術(shù)，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳送需求時則立刻傳送， 保證了系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃浴?/span>

　　(3) 網(wǎng)絡(luò)容量大。一個ZigBee 網(wǎng)絡(luò)最多可包含65 535個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點， 按功能的完整性可劃分為全功能設(shè)備(FFD) 和半功能設(shè)備(RFD) ， 各個節(jié)點可相互連接， 組成大容量的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)。

　　(4) 工作頻段多樣。使用頻段有：2 . 4 GHz ISM 頻段、868 MHz( 歐洲) 及915 MHz( 美國)， 并在不同的載波頻率下有250 Kb/s 、40 Kb/s 和20 Kb/s 三種不同的傳輸速率。

　　2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

　　ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為：網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、星型結(jié)構(gòu)和樹狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)CC2530 用倒F 型PCB 天線時， 可靠收發(fā)距離為200 m 左右， 考慮到網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠縮短信息傳輸?shù)难舆t和提高通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性，因此無線路燈節(jié)能智能監(jiān)控系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢圆捎镁W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使用路由功能傳輸。因為CC2530 可以實現(xiàn)20 級左右路由， 所以本系統(tǒng)采用CC2530 .一個“CC2530+CC2591 “ 組成的路由器與協(xié)調(diào)器的可靠收發(fā)距離可以達(dá)到1 km 左右， “CC2530+CC2591 “ 組成的路由器與普通路由器如果布局合理的話， 就可以讓整個網(wǎng)絡(luò)的通信距離達(dá)到20 km左右。

　　無線路燈節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)是由一個ZigBee 協(xié)調(diào)器、若干個路燈路由控制器和若干個路燈終端設(shè)備控制器組成的無線監(jiān)控系統(tǒng)如圖1 所示。根據(jù)ZigBee 通信與組網(wǎng)技術(shù)的特點， 將ZigBee 技術(shù)與傳統(tǒng)的路燈控制模式相結(jié)合， 采用對每組路燈進(jìn)行檢測和控制的方式，就能夠及時發(fā)現(xiàn)路燈的損壞情況和它的具體位置， 方便維修管理， 實現(xiàn)按需節(jié)能、智能化管理， 達(dá)到城市照明系統(tǒng)節(jié)能減排的目標(biāo)。

　　圖1 系統(tǒng)框架圖

　　路燈節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)的各個模塊運(yùn)行主程序流程如圖2 所示。首先系統(tǒng)上電初始化各個模塊， 然后協(xié)調(diào)器選擇一個信道和PAN ID( 個域網(wǎng)ID 號)后就開始建立網(wǎng)絡(luò)， 路由器和終端設(shè)備隨后加入網(wǎng)絡(luò)， 協(xié)調(diào)器發(fā)出相應(yīng)的控制命令。

　　圖2 系統(tǒng)主程序流程圖

　　3、 硬件電路設(shè)計

　　ZigBee 新一代SoC 芯片[7]CC2530 是TI 公司推出的用于嵌入式應(yīng)用的片上系統(tǒng)， 是使用IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)、ZigBee 和ZigBee RF4CE 的一個片上系統(tǒng)解決方案。

　　CC2530 內(nèi)部已集成了一個8051 微處理器與高性能的RF 收發(fā)器。CC2530 能夠以非常低的總材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點， 擁有較大的快閃記憶體， 其存儲容量多達(dá)256 B， 它是理想的ZigBee 專業(yè)應(yīng)用芯片； 支持新RemoTI 的ZigBee RF4CE， 這是業(yè)界首款符合ZigBeeRF4CE 兼容的協(xié)議棧。此外，CC2530 具有不同的運(yùn)行模式， 使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)， 運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短， 進(jìn)一步確保了低能源消耗。圖3 為CC2530 外圍電路設(shè)計。圖3 中的D3 倒F 天線是單端天線， 也就是非平衡天線， 所以需要用電容、電感組成一個非平衡變壓器(BALUN) ， 如圖3 中的虛線框圖， 來滿足RF 輸入/輸出匹配的要求。

　　圖3  CC2530 外圍電路

　　PCB 天線設(shè)計難度較大， 通常還需要仿真工具的支持， 但TI 公司已經(jīng)把倒F 型PCB 天線設(shè)計的規(guī)格公布了。對于終端設(shè)備的設(shè)計來說，PCB 天線不失為一種較經(jīng)濟(jì)的選擇， 因為其通信距離可以滿足本系統(tǒng)的要求。

　　路燈節(jié)點設(shè)計采用光敏電阻傳感器檢測的方式采集路燈狀態(tài)信息并通過無線傳回主控中心( 協(xié)調(diào)器)， 同時經(jīng)主控中心處理后， 將相應(yīng)的控制命令發(fā)送至指定的路燈節(jié)點。協(xié)調(diào)器的設(shè)計是根據(jù)電子時鐘產(chǎn)生的精確時間和光敏電阻采集外界光線的強(qiáng)弱來控制整個網(wǎng)絡(luò)的路燈。

　　在下半夜采用隔柱亮燈(開部分燈) 的方法降低電能消耗； 在大白天， 采用關(guān)全部路燈的方法， 如果天氣突然轉(zhuǎn)陰， 系統(tǒng)就會自動打開部分路燈， 滿足人們照明要求； 傍晚時分， 用光敏傳感器采集的光線強(qiáng)弱來判斷是否需要開關(guān)燈， 做到及時開關(guān)燈。根據(jù)以上的控制實現(xiàn)智能和節(jié)能控制。表1 所示的為協(xié)調(diào)器主控制路燈的狀況( 此表要根據(jù)城市的實際情況制定)。

　　表1  協(xié)調(diào)器根據(jù)時間與外界狀態(tài)發(fā)出控制命令

　　本文提出了基于CC2530 的ZigBee 無線路燈節(jié)能智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案， 在路燈控制器節(jié)點設(shè)計基礎(chǔ)上實現(xiàn)了自組織網(wǎng)絡(luò)的建立、通信、互操作性測試， 解決了以往無線控制網(wǎng)絡(luò)的通信不穩(wěn)定的問題。初步實驗結(jié)果表明： 采用這種模式建立的無線路燈節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)不僅具有較好的可靠性和較高的控制效率， 而且還能夠及時發(fā)現(xiàn)路燈損壞情況和它的具體位置， 減少了巡燈工作，同時又根據(jù)城市是否需要打開路燈的實際情況來控制整個網(wǎng)絡(luò)中的路燈開關(guān)， 從而做到合理及時開、關(guān)燈。在下半夜采用隔柱亮燈的方法不僅能滿足人們照明的需要， 而且還能減少電能消耗， 能夠很好地達(dá)到節(jié)能和智能化管理的目的， 有著廣闊的應(yīng)用前景。