1、目 錄摘 要4Abstract51緒 論61.1課題背景61.2LED照明光源與驅(qū)動(dòng)技術(shù)71.2.1大功率白光LED簡介71.2.2LED電源驅(qū)動(dòng)技術(shù)81.3短距離無線通信技術(shù)簡介ZigBee技術(shù)介紹81.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）101.4.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的結(jié)構(gòu)101.4.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的特點(diǎn)111.4.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)現(xiàn)狀和應(yīng)用121.4.4幾種路燈照明控制技術(shù)對(duì)比121.5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(jì)142.1項(xiàng)目需求分析142.1.1無線LED路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的應(yīng)用需求142.1.2硬件平臺(tái)需求分析：152.1.3軟件平

2、臺(tái)和路燈節(jié)能控制策略162.1.4系統(tǒng)指標(biāo)要求172.2無線LED路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)172.3無線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建192.3.1前端節(jié)點(diǎn)子網(wǎng)192.3.2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213.1LED驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)213.1.1電阻限流方式213.1.2恒壓源223.1.3恒流源223.1.4LED調(diào)節(jié)亮度方式233.2LED路燈狀態(tài)檢測233.3系統(tǒng)組網(wǎng)233.4ZigBee網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)254系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)考慮264.1LED節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)264.2狀態(tài)檢測與報(bào)警274.2.1溫度感測274.2.2感光檢測274.3無線模塊的設(shè)計(jì)284.4MCU電路設(shè)計(jì)294.5節(jié)點(diǎn)固件設(shè)計(jì)3

3、05路燈控制模式和節(jié)能策略355.1路燈控制模式355.2節(jié)能策略366總結(jié)367謝 辭378參考文獻(xiàn)37LED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(gè)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(shí)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(jì)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(diǎn)，中間為路由模塊，頂層計(jì)算機(jī)控制終端。本設(shè)計(jì)基于TI公司的CC2480/ZigBee開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了無線控制平臺(tái)，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(jì)旨在提供一種基于ZigBee無線技

4、術(shù)的城市路燈照明系統(tǒng)解決方案，目的是設(shè)計(jì)低成本、高效能、全自動(dòng)化的城市照明系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)路燈照明系統(tǒng)科學(xué)高效的控制和資源整合，實(shí)時(shí)了解整個(gè)城市的照明情況，提供了一種新的方法。 本設(shè)計(jì)的意義在于其高效的電力節(jié)約，實(shí)時(shí)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 A key technology analysis of Wireless LED Street Light Remote ControlAbstract: City lighting system is a large com

5、prehensive system. Using LED remote control system in the lighting system can not only reduce the light turning up time but also decrease the management cost. We mainly analysis LED lighting technology and ZigBee protocol technology, and design a wireless LED street light remote control system. The

6、bottom part of the structure is street light node, the middle part is the rooter module, and the top part is computer control terminal. Using TIs cc2480/ZigBee develop system for platform, our design develop wireless control system; and We discuss the development of network, firmware flow chart and

7、power-saving algorithm. Our design aim at provide a ZigBee wireless technology solution of urban street lighting system, to design a low-cost high power efficient automatic city lighting system. We try to develop a new method for controlling and integrating the urban street lighting recourse. The me

8、aning of our design is high power efficient and increase security and stability by real time monitoring.Keywords: ZigBee; close wireless communicate; wireless network; urban lighting control1 緒 論1.1 課題背景當(dāng)代社會(huì)，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(shí)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

9、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(shí)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(duì)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(gè)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(shí)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(duì)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(dòng)化成度高、高效節(jié)能的城市照

10、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(duì)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(shí)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(xiàng)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(duì)這一新興技術(shù)進(jìn)行深入的研究。1.2 LED照明光源與驅(qū)動(dòng)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

11、燈雖價(jià)格相對(duì)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(shí)間10000小時(shí)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(shí)間短、體積小、對(duì)環(huán)境無污染、堅(jiān)固耐用、多色發(fā)光等的優(yōu)點(diǎn)，雖然價(jià)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(xiàng)目，有雄厚的財(cái)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

12、照明，我國臺(tái)灣省臺(tái)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(diǎn)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(huì)取代現(xiàn)有的傳統(tǒng)路燈照明。1.2.1 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(shí)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(shí)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

13、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(jì)彈性很大，可最大限度配合燈光載體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，且安裝方便。白光LED主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式：一種是使用LED芯片和白光熒光粉；另外是使用RGB 3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1224lm/W；熒光燈和HID燈的光效為50120lm/W。對(duì)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(shí)，白光LED的光效已達(dá)到25lm/W，預(yù)計(jì)到了2015年時(shí)，白光LED的光效可達(dá)到150

14、200lm/W。那時(shí)白光LED的工作電流可達(dá)安培級(jí)，足以取代現(xiàn)有技術(shù)，成為主流光源。1.2.2 LED電源驅(qū)動(dòng)技術(shù)目前LED均采用直流驅(qū)動(dòng)，因此LED需要一個(gè)電源適配器，即LED驅(qū)動(dòng)電源。在設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)的用電規(guī)則和LED的驅(qū)動(dòng)特性要求，選擇的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電源。LED驅(qū)動(dòng)只占LED照明系統(tǒng)成本的很小部分,但它關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)性能的可靠性和效率。驅(qū)動(dòng)電路除了要滿足安全要求外，對(duì)效率的要求也十分高。LED驅(qū)動(dòng)有三種方案: a.阻限流驅(qū)動(dòng)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(dòng)電流。因此這種電路效率較低，受電源變動(dòng)影響較大，不適合驅(qū)動(dòng)大功率LED。b.恒壓驅(qū)動(dòng)方

15、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(dòng)使用使用雙級(jí)設(shè)計(jì)，第一級(jí)將AC輸入電源轉(zhuǎn)換成DC恒壓電壓，第二級(jí)將恒壓電源轉(zhuǎn)換成0.9A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(dòng)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。1.3 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

16、控制等諸多領(lǐng)域有著很大的用途。下面介紹幾個(gè)短距離無線通信技術(shù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。Wi-Fi Wi-Fi是IEEE定義的一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)通信的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（IEEE802.11）。其主要特點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速率高、建網(wǎng)快、移動(dòng)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(diǎn)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(dòng)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2.4GHz，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(diǎn)，應(yīng)用在主流消費(fèi)性產(chǎn)品中。

17、但是藍(lán)牙技術(shù)使用需要向協(xié)會(huì)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 802.15.4協(xié)議。ZigBee技術(shù)在完全采用IEEE802.15.4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2.4GHz三個(gè)頻段上。我國采用的是2.4GHz頻段。該頻段是全球通用的免付款、免申請(qǐng)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R

18、F發(fā)射功率后，可增加到13km。ZigBee的特點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：l 低功耗。在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號(hào)干電池可支持一個(gè)節(jié)點(diǎn)工作624個(gè)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(shí)。l 低成本。通過大幅簡化協(xié)議（不到藍(lán)牙的1/10），降低了對(duì)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(diǎn)需要32KB代碼，子功能節(jié)點(diǎn)則至少4KB代碼，而且ZigBee免收協(xié)議專利費(fèi)。l 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。l 近距離。ZigBee節(jié)點(diǎn)間的傳輸距離一般為10100

19、m之間，在增加RF發(fā)射功率后，可增加到13km。如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。l 短延時(shí)。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(diǎn)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310s、Wi-Fi需要3s。l 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(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。l 高安全。ZigBee提供了3級(jí)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(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES12

20、8）的對(duì)稱密碼，以靈活確定其安全屬性。l 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2.4GHz（全球）（ISM）頻段。本設(shè)計(jì)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。1.4 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)(Wireless Sensor Networks, 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(diǎn)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(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)（Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)）。這些傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)置有集成的傳感

21、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(diǎn)中內(nèi)置的形式多樣的傳感器測量我們所需要的信號(hào)，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。1.4.1 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(diǎn)(sensor node)、匯聚節(jié)點(diǎn)(sink node)和管理節(jié)點(diǎn)。大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測區(qū)域(sensor field)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(diǎn)監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。用戶通過管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配 置和

22、管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。Sink節(jié)點(diǎn)任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域Internet/GPRS圖1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的結(jié)構(gòu)1.4.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的特點(diǎn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)： (1)數(shù)量大、密度高。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的微型化，每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)大部分時(shí)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(diǎn)來保證網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。(2)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)可能會(huì)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(jì)成具有一定的容錯(cuò)能力，允許傳感器節(jié)

23、點(diǎn)具有一定的故障率。(3)電池能量、計(jì)算能力和存儲(chǔ)容量等方面有限制。由于傳感器節(jié)點(diǎn)微型化，節(jié)點(diǎn)的電池能量有限，而且由于物理限制難以給節(jié)點(diǎn)更換電池，所以傳感器節(jié)點(diǎn)的電池能量限制是整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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(diǎn)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限，使得其不能進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，傳統(tǒng)Internet網(wǎng)絡(luò)上成熟的協(xié)議和算法對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)而言開銷太大，難以使用，必須重新設(shè)計(jì)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（data centric）。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中人們只關(guān)心某個(gè)區(qū)域的某個(gè)觀測指標(biāo)的值，而不會(huì)去關(guān)心具體某個(gè)節(jié)點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)。 1.4

24、.3 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(shí)日，但是最近幾年，隨著計(jì)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(cuò)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(diǎn)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(jì)，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(shí)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(diǎn)

25、對(duì)外部空間進(jìn)行長時(shí)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(huì)活動(dòng)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用更是舉不勝舉。1.4.4 幾種路燈照明控制技術(shù)對(duì)比根據(jù)調(diào)研，目前路燈控制方式有人工控制方式、時(shí)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(dòng)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(shí)控方式是指在路燈控制器安裝定時(shí)器，定時(shí)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(hào)調(diào)制在輸電線上，

26、以控制路燈?？墒窃谟秒姼叻鍟r(shí)刻控制信號(hào)占用電力線容量，使得控制信號(hào)無法正常傳送到線路上，不僅在用電高峰狀態(tài)下不能實(shí)現(xiàn)路燈控制，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)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(dú)的GPSR路燈控制只是控制一條路上的路燈，無法實(shí)現(xiàn)單雙燈控制等節(jié)能算法，且造價(jià)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(duì)路燈節(jié)點(diǎn)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

27、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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(diǎn)的無線組網(wǎng)從而構(gòu)成一個(gè)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。1.5 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(jì)低成本、高效能、全自動(dòng)化的路燈照

28、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(xiàng)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(shí)時(shí)了解整個(gè)城市的照明情況，方便調(diào)控城市照明和日常維護(hù)。及時(shí)故障報(bào)警功能可讓路燈受損壞時(shí)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(dòng)執(zhí)行也可人工隨機(jī)管理，在晚上6點(diǎn)鐘將馬路上的單號(hào)燈或者雙號(hào)燈開啟（關(guān)閉）；到晚上24點(diǎn)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(diǎn)鐘全部關(guān)閉；可增加光度感應(yīng)器功能，在陰雨天

29、或沙塵暴等惡劣天氣下及能見度極低時(shí)，ZigBee控制器可自行控制開啟其照明狀態(tài)；另外及時(shí)位置報(bào)警功能可讓路燈受損壞時(shí)而無需人工巡視道路檢測即可自動(dòng)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(píng)估打下數(shù)字基礎(chǔ)。國家在政策方面不僅對(duì)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(cái)政部計(jì)劃今年中央財(cái)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(xiàng)目正是在這一背景下營運(yùn)而生的系統(tǒng)，對(duì)提高城市照明系統(tǒng)的可靠性、智能化、信息

30、化、低成本，具有十分重要的意義。2 無線LED路燈遠(yuǎn)程控制方案總體設(shè)計(jì)2.1 項(xiàng)目需求分析為了使設(shè)計(jì)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(jià)值，在本項(xiàng)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(xiàng)目的需求分析，對(duì)產(chǎn)品的功能和結(jié)構(gòu)做出整體性規(guī)范。2.1.1 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(shí)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(diǎn)。

31、以電力線載波方式為例，將路燈控制信號(hào)調(diào)制在輸電線上控制路燈?？墒窃谟秒姼叻鍟r(shí)刻控制信號(hào)占用電力線容量，使得控制信號(hào)無法正常傳送到線路上，不僅在用電高峰狀態(tài)下不能實(shí)現(xiàn)路燈控制，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)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(duì)現(xiàn)有路燈控制手段不足而設(shè)計(jì)的，本設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足以下要求：l 設(shè)計(jì)盡可能低成本、高性價(jià)比的LED路燈照明產(chǎn)品。目前LED路燈和無線控制器的價(jià)格都比較高，遠(yuǎn)程控制無線LED路燈系統(tǒng)的造價(jià)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(jì)和制造的過程中必須通過各種途徑，努力降低制造成本。l LED驅(qū)動(dòng)只占LED照明系統(tǒng)成本的很小部分,但它關(guān)系到整個(gè)系

32、統(tǒng)性能的可靠性和效率。LED驅(qū)動(dòng)的主要要求有：驅(qū)動(dòng)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)8090%。驅(qū)動(dòng)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(dòng)器可以對(duì)LED的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，提供PWM或線性調(diào)光。l 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(gè)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(diǎn)設(shè)置是一個(gè)難點(diǎn)。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。l 遠(yuǎn)程監(jiān)測控制傳輸協(xié)議。ZigBee是一個(gè)低速率低功耗的WSN網(wǎng)絡(luò)，工作在2.4GHz公共頻段，

33、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(jì)通信協(xié)議的時(shí)候需要考慮到抗干擾和可靠性，保證控制準(zhǔn)確可靠。2.1.2 硬件平臺(tái)需求分析：系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)工程了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布脚_(tái)，是實(shí)現(xiàn)路燈檢測控制功能的基本保障。所以在設(shè)計(jì)總體方案前，需要對(duì)節(jié)點(diǎn)硬件應(yīng)具備的性能做出分析。首先，MCU是整個(gè)硬件節(jié)點(diǎn)的核心，其性能應(yīng)當(dāng)滿足：l 處理速度快，l 擁有較大的儲(chǔ)存空間，l 功耗低，l 集成度高，減少外圍器件的使用，l 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(diǎn)上使用的傳感器也是必須考慮的因素，因?yàn)樗苯佑绊懼鴤鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的體積和性能。最后在

34、搭建硬件平臺(tái)時(shí)，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。2.1.3 軟件平臺(tái)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(dòng)組網(wǎng)、路由轉(zhuǎn)發(fā)跳轉(zhuǎn)。節(jié)點(diǎn)應(yīng)該能自動(dòng)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(shí)，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(duì)于整個(gè)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

35、擇。采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，通過眾多節(jié)點(diǎn)的無線組網(wǎng)從而構(gòu)成一個(gè)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(duì)單盞路燈基于時(shí)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(dòng)執(zhí)行也可人工隨機(jī)管理在晚上6點(diǎn)鐘將馬路上的單號(hào)燈或者雙號(hào)燈開啟（關(guān)閉）；到晚上24點(diǎn)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(diǎn)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(shí)，ZigBee

36、控制器可自行控制開啟其照明狀態(tài)；另外及時(shí)位置報(bào)警功能可讓路燈受損壞時(shí)而無需人工巡視道路檢測即可自動(dòng)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(píng)估打下數(shù)字基礎(chǔ)。2.1.4 系統(tǒng)指標(biāo)要求l 容納路燈數(shù)：每個(gè)無線LED路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)控制路燈應(yīng)不少于1000盞?？刂品秶鷳?yīng)覆蓋至少1平方公里。l 組網(wǎng)延時(shí)：在單個(gè)協(xié)調(diào)器情況下，組網(wǎng)用時(shí)在20s以內(nèi)。l 控制延時(shí)：信息在路燈和協(xié)調(diào)器之間的傳輸延時(shí)應(yīng)該在10s以內(nèi)，保證控制的實(shí)時(shí)性。l 數(shù)據(jù)

37、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3075m距離速率為40kbps；300m速率為20kbps。l 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。l 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(gè)路由節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，應(yīng)能及時(shí)啟用備用的路由鏈路，保障協(xié)調(diào)器對(duì)終端節(jié)點(diǎn)的有效控制。路燈的故障率應(yīng)該小于5%。2.2 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(diǎn)，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)。控制中心路燈控制終

38、端轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)路燈終端節(jié)點(diǎn)路燈終端節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)路燈終端節(jié)點(diǎn)路燈終端節(jié)點(diǎn)路燈終端節(jié)點(diǎn)圖2.1 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(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)MCU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；功率檢測模塊，檢測LED功率情況、供電故障并向上報(bào)警，無線模塊，負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)框架圖如下：PWM調(diào)光SPI/串口MCUMSP430Led電源驅(qū)動(dòng)模塊電壓電流、溫度、光感傳感器模塊CC2

39、480無線通信模塊圖2.2 路燈終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)2.3 無線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建2.3.1 前端節(jié)點(diǎn)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(diǎn)即為WSN 中的終端節(jié)點(diǎn)（RFD），控制中心監(jiān)控系統(tǒng)為協(xié)調(diào)器（COORD），實(shí)現(xiàn)COORD與RFD之間無線通信的為路由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)（ROUTER）。本設(shè)計(jì)采用星型網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)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(diǎn)為路燈控制終端，在WSN對(duì)應(yīng)的模型為RFD，路燈終端節(jié)點(diǎn)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(shí)時(shí)狀況。網(wǎng)絡(luò)中的路由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，在WSN對(duì)應(yīng)模型為ROOTER，也是配置

40、在路燈燈桿上，也可以對(duì)路燈實(shí)現(xiàn)控制。和終端節(jié)點(diǎn)不同的是，其還要負(fù)責(zé)路由轉(zhuǎn)發(fā)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。其硬件結(jié)構(gòu)與終端節(jié)點(diǎn)差別不大。2.3.2 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(shí)現(xiàn)覆蓋整個(gè)城市的WSN很困難。如果使用中繼路由的方式實(shí)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(gè)小的子網(wǎng)，每個(gè)子網(wǎng)覆蓋幾個(gè)到十幾個(gè)街區(qū)，每個(gè)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)23次，保證網(wǎng)絡(luò)可靠性。子網(wǎng)和中央控制中心使

41、用GPRS網(wǎng)絡(luò)來傳輸數(shù)據(jù)。總控GPRSGPRSGPRSZigBeeZigBeeZigBee協(xié)調(diào)器路由節(jié)點(diǎn)圖2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)3 無線LED路燈遠(yuǎn)程控制關(guān)鍵技術(shù)分析3.1 LED驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)3.1.1 電阻限流方式阻限流驅(qū)動(dòng)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(dòng)電流。圖3.1 電阻限流方式圖3.1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(gè)LED 穩(wěn)定工作，這種電路的致命缺點(diǎn)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(shí)，R1 的壓降占總輸出電壓的40，輸出電路在R1 上

42、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(dòng)時(shí)，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(shí)，在電源電壓在10的范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，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(dòng)影響較大，不適合驅(qū)動(dòng)大功率LED。3.1.2 恒壓源恒壓驅(qū)動(dòng)方案:就是使用穩(wěn)壓元件，保持LED兩端的電壓不變。圖3.2恒壓驅(qū)動(dòng)方案圖3.2是在圖3.1 的基礎(chǔ)上加了一個(gè)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(huì)因?yàn)殡娫措妷旱牟环€(wěn)定造成LED 的超載。但是此電路除了保證

43、LED 的基本恒定輸出外，效率還是很低的。因?yàn)镸C7809 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/W25lm/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。 3.1.3 恒流源恒流驅(qū)動(dòng)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(dòng)是最好的選擇。大功率LED都是采用采用恒流驅(qū)動(dòng)方式。LED恒流驅(qū)動(dòng)使用使用雙級(jí)設(shè)計(jì)，第一級(jí)將AC輸入電源轉(zhuǎn)換成DC恒壓電壓，

44、第二級(jí)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(gè)技術(shù)方案在下一章詳細(xì)介紹。3.1.4 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(shí)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(huì)感受到反復(fù)時(shí)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(shí)現(xiàn)PWM調(diào)制。這里采取后者的方法。3.

45、2 LED路燈狀態(tài)檢測本設(shè)計(jì)終端路燈節(jié)點(diǎn)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(dòng)關(guān)閉，并向控制中心報(bào)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(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)持到道路能見度低，路燈也可自動(dòng)打開，保證道路正常照明。使用溫度傳感器，實(shí)時(shí)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

46、燈關(guān)閉，并將報(bào)警信息通過ZigBee模塊后發(fā)送給控制中心。具體電路實(shí)現(xiàn)見后面一章。3.3 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(diǎn)：可靠性不佳，如果某個(gè)路由節(jié)點(diǎn)不工作，直接導(dǎo)致后面的節(jié)點(diǎn)癱瘓。優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)較簡單，成本低，維護(hù)簡單。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器Coordinator路由節(jié)點(diǎn)ROUTER路由節(jié)點(diǎn)ROUTER路由節(jié)點(diǎn)ROUTERRFD圖3.4 鏈狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：優(yōu)點(diǎn)：如果網(wǎng)絡(luò)中有節(jié)點(diǎn)脫離網(wǎng)絡(luò)，無法正常工作，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)將自動(dòng)路由到一個(gè)替換節(jié)點(diǎn)保證系統(tǒng)正常工作。缺點(diǎn)：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(jì)采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。協(xié)調(diào)器ZigBee路由

47、節(jié)點(diǎn)ZigBee路由節(jié)點(diǎn)圖3.5 網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZigBee路由節(jié)點(diǎn)3.4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的實(shí)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(gè)網(wǎng)絡(luò)、維護(hù)鄰居設(shè)備表、對(duì)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(gè)空信道來建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，然后選擇一個(gè)隨機(jī)的PANID并開始監(jiān)聽此信道同時(shí)協(xié)調(diào)器還有一個(gè)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(gè)網(wǎng)絡(luò)建立成功后，便要考慮路由節(jié)點(diǎn)和RFD節(jié)點(diǎn)如何加入到網(wǎng)絡(luò)中去路由節(jié)點(diǎn)和RFD節(jié)點(diǎn)通過調(diào)用aplJoinNetwor

48、k()函數(shù)加入到協(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)中。路由節(jié)點(diǎn)和RFD節(jié)點(diǎn)掃描信道找到協(xié)調(diào)器并申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，獲取協(xié)調(diào)器的地址，同時(shí)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(diǎn)則進(jìn)人休眠狀態(tài)，直到有命令或數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)才被喚醒。4 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)考慮4.1 LED節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)此方案使用ti公司生產(chǎn)的UCC28810EVM-002評(píng)估板。UCC28810EVM-002 評(píng)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(jì)可將通用電源 (90265VRMS) 轉(zhuǎn)換成0.9A 恒流源，能夠驅(qū)動(dòng) 100W LED 負(fù)載。圖4.1 UCC28810EVM-002

49、電路圖此電路使用雙級(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(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(dòng)輸出，用以驅(qū)動(dòng)回掃降壓或升壓開關(guān)ISENSE這個(gè)引腳檢測瞬時(shí)在外部開關(guān)的開關(guān)電流，并且利用這個(gè)

50、信號(hào)為電流檢測比較器作內(nèi)部坡道TZE這個(gè)引腳作為零能量檢測比較器輸入VDD輸入電源VINS這個(gè)引腳檢測瞬時(shí)校準(zhǔn)輸入電壓，通過一個(gè)外部分壓器VSENSE這個(gè)引腳是跨導(dǎo)放大器的反向輸入，通常接2.5V；同時(shí)也是過壓比較器的輸入第一級(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

51、) 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)。4.2 狀態(tài)檢測與報(bào)警4.2.1 溫度感測由于大功率白光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3.0 V至5.5 V，無需備用電源。測量溫度

52、范圍為-55 C至+125 ，在-10 C至+85 C范圍內(nèi)精度為0.5 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(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)。4.2.2 感光檢測本設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)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4.2 光敏三極管電路圖4.3 無線模塊的設(shè)計(jì) 目前TI公司已經(jīng)先后推出了支持ZigBee協(xié)議的2.4 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)

53、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(jì)，縮短上市時(shí)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(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。其無線性能出色，功耗很低。CC2480電路圖如圖4.3所示。圖4.3 CC2480/ZigBee模塊電路圖電路晶振XTAL1選用32MHz，晶振XTAL2選用32.

54、768 kHz。32.768 kHz 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。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，可以使用額外的RTS/CTS線作為流控制（flow control）線，8N1數(shù)據(jù)格式，DCE信號(hào)連接。UART模式提供雙向異步傳輸，而同步字不會(huì)影響到傳輸功能。一個(gè)異步傳輸字節(jié)包括1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)校驗(yàn)位和1個(gè)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)

55、，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。4.4 MCU電路設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)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(hào)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(diǎn)。MCU電路圖如下：圖4.4 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(jì)選用的是MSP430F149。MSP430F1xx MCU系列提供業(yè)界較低的電流消耗，工作電壓為1.8 V，實(shí)時(shí)時(shí)鐘待機(jī)電流的消耗僅為 1.1 uA，而運(yùn)行模式電流低至 300 uA (1 MHz)，從休眠至正常工作整個(gè)喚醒過程僅需6 us。MSP430單片機(jī)系統(tǒng)外界8MHz 和32.768KHz兩個(gè)晶振。單片機(jī)的P3.4、P3.5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(shí)現(xiàn)串口通信，如圖4.5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)。4.5 節(jié)點(diǎn)固件設(shè)計(jì)在該系統(tǒng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都使用了ZigBee協(xié)議，在