一种新型LED节能街灯控制方案

    随着我国城市化水平的不断提高，城市照明系统不断扩大，如何节约能源，提高路灯系统管理水平，是急需解决的课题。目前各大城市的街道路灯控制系统都普遍存在能源利用率不高的问题。特别是子夜过后，街道上的车辆与行人较为稀少，路灯没有必要全部打开，可以适当关闭部分路灯，以前采用的人工控制方法，这种方法既浪费人力、操作繁琐且每天早晚路灯开闭时间不准，人为因素影响太大。后来有些城镇设置光电控制电路，利用控制光敏电阻器件的变化，控制路灯在晚上天黑之后自动点亮，早上天亮之后自动关闭。这种方法存在可靠性较低，易受干扰，后半夜路灯照明太亮浪费电能，不能对街灯实行有效的节能控制。采用Zig2Bee无线网络进行路灯控制的技术正在悄然兴起。ZigBee一词来源于蜜蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式。蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来传递新发现的食物源位置、距离与方向等信息。ZigBee是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的、有关组网、安全和应用软件方面的技术，IEEE802.15.4仅处理MAC层和物理层协议，ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。

　　ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率（10～250kB/S）、低成本、低复杂度的无线网络技术。其网络容量大，可容纳65,000个设备。

　　提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES2128加密算法。使用频段为2.4GHz,868MHz（欧洲）和915MHz（美国），均为免执照（免费）的频段。

　　ZigBee的网络拓补结构有网状拓补和树状拓补格式，网络中主要包含三种类型的设备，包括网络协调器、全功能设备（FFD）、精简功能设备（RFD）。其示意图如图1所示。只有网络协调者才能形成网络与其它的FFD或是精简功能装置（RFD）连接。FFD具备路由器的功能，可提供信息双向传输。RFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。

　　1　系统组成

　　基于ZigBee的led节能街灯控制系统由以下三部分组成，系统工作示意图如图2所示。

　　（1）安装在路灯灯杆上的微处理器控制系统（包括路由节点和叶节点）；

　　（2）控制中心的服务器监控系统（包括协调器和PC机）；

　　（3）实现路灯灯杆上的微处理器控制系统和控制中心联系的ZigBee无线网络。

安装在路灯灯杆上的微处理器控制系统，是一个由光照强度传感器、路灯调光控制器（LED灯由PWM方式进行控制）、通讯控制系统、直流电源系统等组成的实时控制系统，在ZigBee网络中可以是路由器（FFD）或精简功能节点（RFD）。

　　该系统采用多路树状网络拓补结构，系统里只有一个网络协调器（FFD），也就是控制中心的监控系统、若干个FFD路由节点和若干个RFD节点。

　　路由节点可以安装在道路旁边，连接成串状作为无线节点的中继控制器，以达到远程控制的目的。同时它也可以作为一个用户节点用来控制LED灯。

　　而RFD用户节点仅能接收信号并根据所接收信号控制自己的LED灯，没有中继或路由功能。

　　2　软件设计

　　系统软件设计主要包括PC机服务器后台软件设计、协调器软件设计、路由器软件设计和叶节点软件设计等四大部分。

　　PC机服务器采用VB编写程序，通过串口与协调器进行通讯，从而来控制整个系统，它需要有良好的人机界面。工作时PC机服务器先向协调器发送读写（某个节点）控制命令，然后由协调器来操控整个网络。协调器再把从Zigbee网络中得到的数据信息返回给PC机服务器。这就需要PC机拥有一个数据库来存储系统的参数和工作运行数据。

　　协调器上电初始化后，首先主动建立一个网络，然后等待路由节点和叶节点的加入。如果发现有节点申请加入网络，则给该节点分配网络号。同时协调器还要监控PC机服务器从串口发来的命令数据，根据相应的命令来控制某个节点，比如设置节点灯光控制信息、设置节点时段控制信息、读取节点灯光控制信息、读取节点时段控制信息等。如果是要某个节点读取相关信息，还要把读到的数据信息通过串口发送到PC机。协调器软件工作流程如图3所示。

路由器上电初始化需要首先申请加入协调器建立的网络，如果不能成功加入，需要不停重复申请加入网络，不然该节点就不能受系统网络所控制。成功加入网络后，路由节点就工作于监控状态。一是监控是否有其他路由节点或叶节点申请加入网络，如果有则同样需给该节点分配网络地址。二是判断是否有从协调器发来的命令，如果是设置命令则需根据命令参数设置该节点；如果是读状态命令则需根据命令发送相应的节点工作状态给协调器。三是根据亮度控制预设值，不停采集环境亮度信息与之进行比较。通过比较结果判读是应该打开路灯还是应该关闭路灯，是应该增加控制LED灯的PWM占空比还是减少控制LED灯的PWM占空比。路由器的程序流程如图4所示。

　　叶节点的程序流程类似于路由节点的流程，但叶节点是终端节点，不支持其他节点的加入。流程如图5所示。

　　3　结论

　　（1）将ZigBee无线技术应用于街灯的管理上，解决了街灯系统能源利用率低的问题；

　　（2）利用大功率LED研制开发出新型LED灯，为人们提供了新的照明方式；

　　（3）LED灯具有低功耗的优点（一个10W的LED灯相当与一个60W的日光灯的照度），使系统具有运行成本低、可靠性高、体积小等优势，能极大地节省能源，在路灯无线监控系统中将有非常广阔的应用空间；

　　（4）通过与其它各种新型传感器、功率控制器结合，可以实现远程路灯智能控制，达到大面积、大范围节约电力和能源的目的。