基于ZigBee 的校园无线路灯控制系统的设计

2020-05-27詹金金

通信电源技术 2020年6期

詹金金

（平顶山技师学院，河南平顶山 467000）

0 引言

在城市照明系统中，高校校园路灯照明耗电占了相当的比重。因此，随着我国能源需求越来越大，提出高效节能的照明技术也势在必行，既可以节约能源，同时给社会带来一定的经济效益。与其他的无线通信技术如Wi-Fi、蓝牙、UWB 等相比，ZigBee 技术弥补了的低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，其成功的关键在于丰富而便捷的应用[1]。本文以校园路灯控制系统为研究对象，提出并设计了一个基于ZigBee 无线网络技术的校园路灯控制系统，包括校园路灯系统的硬件设计和软件设计两部分。

1 系统的总体设计

1.1 系统网络结构

ZigBee 网络可以通过无线通信组成星状、串（树）状、以及网状三种网络结构[2-5]。根据校园路灯控制系统的特点，这里采用多路由树型网络结构进行组网，网络结构如图1 所示。在树状结构中，节点类型分为协调器、路由器和终端节点三种，其中系统里只有一个协调器，充当中心节点，负责网络的建立与管理，并显示当前路灯无线网络的状况。路由节点可作为中继控制器来传递信号，同时它也可以作为终端节点控制路灯的开关。而终端节点只能接收信号并控制当前路灯。

图1 校园路灯无线控制系统网络结构图

1.2 系统整体结构

校园路灯无线控制系统的硬件设计以无线单片机CC2430 为核心，主要包括直流稳压电源模块、LED 驱动电路模块、LED 故障检测电路和CC2430 无线收发模块等。在整个无线网络中，每盏路灯对应一个ID，每个终端节点和路由分别控制单盏路灯，并由传感器获取的信息数据，再通过无线收发模块传送给网络协调器，协调器将收到的数据通过串口发送给PC 机。当LED 路灯出现故障时，检测电路会发生报警信号并发送给PC 机，便于路灯及时的检修与维护。系统的整体硬件结构框架如图2 所示。

2 系统的硬件电路设计

2.1 CC2430 无线收发模块

本设计选用CC2430 为核心控制芯片，作为无线通信模块，它具有标准的8051 增强型处理器，是一颗真正的系统芯片CMOS 解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee 为基础的2.4 GHz 波段应用对低成本、低功耗的要求。CC2430 芯片外部有20 个通用的I/O 口，其中P0 口8 个管脚可以直接连接外部模拟量输入，内部有14 位高速ADC，满足各类传感器的输入和A/D 转换[6]。CC2430 典型外围电路如图3 所示。

由于CC2430 将8051 内核与无线收发模块集成到一个芯片当中，因而简化了很多外围电路设计。该芯片采用0.18 μm 的CMOS 工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA，在接收和发射模式下电流损耗分别小于低于27 mA 或25 mA[7]。因此，CC2430 芯片整体比较节能，其低功耗的特点十分适合路灯无线数据的采集与控制。

图2 校园路灯无线控制系统硬件设计框图

图3 CC2430 典型外围电路图

2.2 LED 驱动电路

目前，大功率LED 的驱动芯片很多，只有选择一款适合本设计的芯片才能保证LED 正常可靠地工作。PAM2842 芯片的输入电压范围为直流5.5～24 V，使用外部电流检测电阻来决定其输出电流，最大输出电流为1.75 A，并且具有过压、欠压、过温和过流保护等功能，价格也便宜。所以，本文选择PAM2842 芯片作为LED 的驱动器。LED 驱动电路如图4 所示。

图4 LED 驱动电路

2.3 协调器和路由器设计

协调器和路由器均采用CC2430 无线单片机。协调器主要由CC2430 无线收发模块、液晶显示电路、串口扩展电路以及电源部分等组成，如图5 所示。液晶显示部分主要用来显示目前网络的状态，而串口部分可以通过外部一个RS-232 模块，将获得的数据信息传到计算机。其中，液晶显示选用Nokia3310（见图6），它是84×48 点阵液晶显示屏，接口为SPI，工作电压为3.3 V。该LCD 的驱动芯片为PCD8544，是低功耗的控制驱动器，所有必需的显示功能集成在一块芯片上，只需要很少的外部元件，并且功耗很小。路由器的设计与协调器的设计基本相同，只是没有液晶显示部分，而又加入了光敏电阻。光敏电阻可用于光线的测量，从而获得环境的亮度，当节点检测到当前的光线状况时，可以通过判断自己的光线情况决定是否打开路灯。图7 为光敏电阻连接电路。

图5 协调器结构图

图6 液晶显示电路

图7 光敏电阻连接电路

3 系统软件设计

本系统的软件开发平台是基于Chipcon 公司的ZigBee2006 协议栈，在IAR Embedded Workbench 开发环境中进行的。整个系统的软件设计主要包括网络协调器、路由器和终端节点三部分。首先，网络协调器开始初始化，负责ZigBee 无线网络的建立、地址的分配和终端节点的加入、节点设备数据的更新与采集以及网络状态的自动更新。网络连接建立成功后，路由节点加入网络，处于监控状态，主要负责接收信息或决定是否转发信息。终端节点可以将自身路灯的状态信息发送给路由器，再经路由器转发给协调器，然后接收来自协调器的控制信号，按控制命令控制路灯的开或关。