一種新型LED節(jié)能街燈控制方案

　　隨著我國城市化水平的不斷提高，城市照明系統(tǒng)不斷擴大，如何節(jié)約能源，提高路燈系統(tǒng)管理水平，是急需解決的課題。目前各大城市的街道路燈控制系統(tǒng)都普遍存在能源利用率不高的問題。特別是子夜過后，街道上的車輛與行人較為稀少，路燈沒有必要全部打開，可以適當(dāng)關(guān)閉部分路燈，以前采用的人工控制方法，這種方法既浪費人力、操作繁瑣且每天早晚路燈開閉時間不準(zhǔn)，人為因素影響太大。后來有些城鎮(zhèn)設(shè)置光電控制電路，利用控制光敏電阻器件的變化，控制路燈在晚上天黑之后自動點亮，早上天亮之后自動關(guān)閉。這種方法存在可靠性較低，易受干擾，后半夜路燈照明太亮浪費電能，不能對街燈實行有效的節(jié)能控制。采用Zig2Bee無線網(wǎng)絡(luò)進行路燈控制的技術(shù)正在悄然興起。ZigBee一詞來源于蜜蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式。蜜蜂通過跳ZigZag形狀的舞蹈來傳遞新發(fā)現(xiàn)的食物源位置、距離與方向等信息。ZigBee是一組基于IEEE802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的、有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)，IEEE802.15.4僅處理MAC層和物理層協(xié)議，ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進行了標(biāo)準(zhǔn)化。

　　ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率（10～250kB/S）、低成本、低復(fù)雜度的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。其網(wǎng)絡(luò)容量大，可容納65,000個設(shè)備。

　　提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES2128加密算法。使用頻段為2.4GHz,868MHz（歐洲）和915MHz（美國），均為免執(zhí)照（免費）的頻段。

　　ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓補結(jié)構(gòu)有網(wǎng)狀拓補和樹狀拓補格式，網(wǎng)絡(luò)中主要包含三種類型的設(shè)備，包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、全功能設(shè)備（FFD）、精簡功能設(shè)備（RFD）。其示意圖如圖1所示。只有網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者才能形成網(wǎng)絡(luò)與其它的FFD或是精簡功能裝置（RFD）連接。FFD具備路由器的功能，可提供信息雙向傳輸。RFD只能傳送信息給FFD或從FFD接收信息。

　　1　系統(tǒng)組成

　　基于ZigBee的LED節(jié)能街燈控制系統(tǒng)由以下三部分組成，系統(tǒng)工作示意圖如圖2所示。

　?。?）安裝在路燈燈桿上的微處理器控制系統(tǒng)（包括路由節(jié)點和葉節(jié)點）；

　?。?）控制中心的服務(wù)器監(jiān)控系統(tǒng)（包括協(xié)調(diào)器和PC機）；

　?。?）實現(xiàn)路燈燈桿上的微處理器控制系統(tǒng)和控制中心聯(lián)系的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)。

　　安裝在路燈燈桿上的微處理器控制系統(tǒng)，是一個由光照強度傳感器、路燈調(diào)光控制器（LED燈由PWM方式進行控制）、通訊控制系統(tǒng)、直流電源系統(tǒng)等組成的實時控制系統(tǒng)，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中可以是路由器（FFD）或精簡功能節(jié)點（RFD）。

　　該系統(tǒng)采用多路樹狀網(wǎng)絡(luò)拓補結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)里只有一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（FFD），也就是控制中心的監(jiān)控系統(tǒng)、若干個FFD路由節(jié)點和若干個RFD節(jié)點。

　　路由節(jié)點可以安裝在道路旁邊，連接成串狀作為無線節(jié)點的中繼控制器，以達到遠(yuǎn)程控制的目的。同時它也可以作為一個用戶節(jié)點用來控制LED燈。

　　而RFD用戶節(jié)點僅能接收信號并根據(jù)所接收信號控制自己的LED燈，沒有中繼或路由功能。

　　2　軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括PC機服務(wù)器后臺軟件設(shè)計、協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計、路由器軟件設(shè)計和葉節(jié)點軟件設(shè)計等四大部分。

　　PC機服務(wù)器采用VB編寫程序，通過串口與協(xié)調(diào)器進行通訊，從而來控制整個系統(tǒng)，它需要有良好的人機界面。工作時PC機服務(wù)器先向協(xié)調(diào)器發(fā)送讀寫（某個節(jié)點）控制命令，然后由協(xié)調(diào)器來操控整個網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器再把從Zigbee網(wǎng)絡(luò)中得到的數(shù)據(jù)信息返回給PC機服務(wù)器。這就需要PC機擁有一個數(shù)據(jù)庫來存儲系統(tǒng)的參數(shù)和工作運行數(shù)據(jù)。

　　協(xié)調(diào)器上電初始化后，首先主動建立一個網(wǎng)絡(luò)，然后等待路由節(jié)點和葉節(jié)點的加入。如果發(fā)現(xiàn)有節(jié)點申請加入網(wǎng)絡(luò)，則給該節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)號。同時協(xié)調(diào)器還要監(jiān)控PC機服務(wù)器從串口發(fā)來的命令數(shù)據(jù)，根據(jù)相應(yīng)的命令來控制某個節(jié)點，比如設(shè)置節(jié)點燈光控制信息、設(shè)置節(jié)點時段控制信息、讀取節(jié)點燈光控制信息、讀取節(jié)點時段控制信息等。如果是要某個節(jié)點讀取相關(guān)信息，還要把讀到的數(shù)據(jù)信息通過串口發(fā)送到PC機。協(xié)調(diào)器軟件工作流程如圖3所示。

路由器上電初始化需要首先申請加入?yún)f(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)，如果不能成功加入，需要不停重復(fù)申請加入網(wǎng)絡(luò)，不然該節(jié)點就不能受系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)所控制。成功加入網(wǎng)絡(luò)后，路由節(jié)點就工作于監(jiān)控狀態(tài)。一是監(jiān)控是否有其他路由節(jié)點或葉節(jié)點申請加入網(wǎng)絡(luò)，如果有則同樣需給該節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址。二是判斷是否有從協(xié)調(diào)器發(fā)來的命令，如果是設(shè)置命令則需根據(jù)命令參數(shù)設(shè)置該節(jié)點；如果是讀狀態(tài)命令則需根據(jù)命令發(fā)送相應(yīng)的節(jié)點工作狀態(tài)給協(xié)調(diào)器。三是根據(jù)亮度控制預(yù)設(shè)值，不停采集環(huán)境亮度信息與之進行比較。通過比較結(jié)果判讀是應(yīng)該打開路燈還是應(yīng)該關(guān)閉路燈，是應(yīng)該增加控制LED燈的PWM占空比還是減少控制LED燈的PWM占空比。路由器的程序流程如圖4所示。

　　葉節(jié)點的程序流程類似于路由節(jié)點的流程，但葉節(jié)點是終端節(jié)點，不支持其他節(jié)點的加入。流程如圖5所示。

　　3　結(jié)論

　?。?）將ZigBee無線技術(shù)應(yīng)用于街燈的管理上，解決了街燈系統(tǒng)能源利用率低的問題；

　　（2）利用大功率LED研制開發(fā)出新型LED燈，為人們提供了新的照明方式；

　?。?）LED燈具有低功耗的優(yōu)點（一個10W的LED燈相當(dāng)與一個60W的日光燈的照度），使系統(tǒng)具有運行成本低、可靠性高、體積小等優(yōu)勢，能極大地節(jié)省能源，在路燈無線監(jiān)控系統(tǒng)中將有非常廣闊的應(yīng)用空間；

　　（4）通過與其它各種新型傳感器、功率控制器結(jié)合，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程路燈智能控制，達到大面積、大范圍節(jié)約電力和能源的目的。