【摘要】本文提出将一种全新的无线通信技术———ZigBee技术应用到城市道路LED路灯照明系统，利用ZigBee技术对LED路灯进行监控，并实现了LED路灯工作状态的自动检测和功率控制，为解决城市LED路灯照明系统的监控和节能问题提供了一种可行的方案。
【关键词】ZigBee技术简介特性发展应用
1城市路灯照明监控系统现状及Zigbee技术简介
路灯照明是城市基础设施的组成部分，在城市的交通安全、社会治安、人民生活和市容风貌中居于举足轻重的地位，而且标志着城市实力和成熟的程度。近年来，随着城市现代化建设的突飞猛进，城市路灯照明技术应用和城市路灯照明系统建设也取得了快速的发展。随着照明技术和材料工艺等方面的迅速发展，路灯在功能、性能和外观造型等方面已取得很大的提高，但大多数城市道路照明监控系统发展相对滞后，存在着一系列的问题，诸如系统复杂，难以统一管理；路灯覆盖面广，维护力量不足；路灯使用及损坏情况不能及时掌握及反馈，导致路灯维护的有效性和及时性不能满足要求，安全保障性差；开关控制效率低，用电浪费现象严重。因此，发展高效安全可靠的城市道路照明监控系统技术，对城市道路照明系统进行自动化、智能化的管理的重要性和迫切性日益提上日程。
自从上世纪八十年代起至今，从数据传输方面看，城市路灯照明监控系统发展可以分为四个阶段：
（1）八十年代末采用220V强电有线的控制方式；
（2）九十年代初期到中期利用电力线、电话线载波的控制方式；
（3）九十年代中期到末期采用230MHZ专用频道进行无线数据传输控制方式；
（4）二十一世纪初期至今采用利用移动运营商的短消息业务和GPRS/CDMA无线公网进行数据传输的方式和230MHZ数据传输控制方式。
电力线载波通信技术和GPRS无线通信技术成为目前城市路灯监控系统的主要方案，但也都存在较大的缺点。如电力线载波通信技术存在配电变压器对电力载波信号有阻隔作用、三相电力线间有很大信号损失、电力线存在固有的脉冲干扰等问题。采用GPRS传输数据虽然可以解决电力线通信存在的问题，但这种方式成本极高，而且还将导致很多无线通讯资源的浪费。
本文提出将一种全新的无线通信技术———ZigBee技术应用到城市LED路灯照明系统，利用ZigBee技术对LED路灯进行监控，实现了LED路灯的功率控制和LED路灯工作状态的自动检测功能，解决城市LED路灯照明系统的监控和节能问题。
ZigBee技术是一种新兴的无线通信技术，它是针对无线网络技术在工业自动控制领域的需求而开发的，具有低数据传输速率、低功耗、低成本、网络容量大、时延短、网络的自组织、自愈能力强、通信可靠等特点。ZigBee技术在低速率、低功耗领域有着重要的应用，将ZigBee技术应用到城市LED路灯照明系统解决其监控和节能问题，主要有以下优点：
ZigBee技术的网络容量十分巨大，理论上一个协调器能容纳最大节点个数可以达到65535个，每个路由器也能容纳255个节点。这在照明监控系统应用上是其它技术无法比拟的优势。通常，我们可以把一个区域的路灯用一个协调器来控制。
在路灯控制系统中，需要传输的数据量很少，只需几分钟甚至几十分钟发送一次数据。每次发送的数据量也很小，所以ZigBee技术的低速率的特点恰好适合应用在这个控制领域中。利用ZigBee技术低功耗的特点，实现节能的目的。ZigBee工作在2.4G的免费频段上，不会像使用GPRS一样浪费许多无线电的资源。
ZigBee技术是一种自组织网络，网络拓扑结构可以随意变动，而且ZigBee网络具有自愈功能，网络不会因为一个或几个节点坏掉而瘫痪；也不会因为增加一个或几个节点而影响整个网络的工作。ZigBee技术可以多跳路由，与普通的多跳不同，自组织网络的多跳路由是一块普通的节点来完成的。这些优点应用在道路照明监控系统中是十分有利的，因为道路的环境比较复杂。假如两盏路灯之间遇到大的障碍物时，我们可以通过增加冗余节点的方式来改变网络的拓扑结构，从而绕过障碍物使整个网络畅通。
利用ZigBee技术可以节省监控系统的成本，因为ZigBee技术比GPRS等技术成本要低很多，而且可以在监控中心控制路灯的开关，更加灵活的操作。
2基于Zigbee技术的城市道路照明监控系统的方案设计
城市道路LED路灯照明监控系统的方案设计包括软件和硬件两部分。整个系统方案如图1所示。
硬件部分是以Zigbee模块为核心，包括LED驱动电路、LED路灯状态检测及功率控制电路，以及直流稳压电源电路等数个硬件电路模块。本项目中采用成都无线龙公司生产的ZigBee模块———C51RF-Lbee-SMA，该模块以TI（德州仪器）生产的ZigBee芯片CC2430为核心，由无线SOC、功率放大器（PA）和低噪声放大器（LNA）组成；LED驱动电路是一个恒流驱动电路；检测电路通过检测LED驱动电路产生的电流检测信号，由软件来判断LED路灯工作状态的好坏；功率控制电路通过控制输出给LED驱动电路的控制信号，控制LED路灯的工作功率；直流稳压电源电路提供Zigbee模块及其他电路模块正常工作所需要的5V和3.3V直流供电。
对于单盏路灯的监控系统的方案如图2所示。
图1系统方案图
图2单盏路灯监控系统方案
软件部分包括应用ZigBee技术对道路照明系统的监控部分的程序，包括ZigBee协议栈物理层，网络层及应用层的程序。ZigBee协议栈应用层部分的程序由LED路灯工作功率控制和LED路灯状态检测两部分程序组成，还有保证Zigbee无线通信数据收发的安全可靠性的程序。网络层中有协议栈的路由的设置，网络拓扑结构的设置。物理层中的配置程序需要设置网络的PANID和信道，只有设置好这些参数后才能正常通信，并区分开其它的ZigBee网络。功率控制部分主要是通过Zigbee模块中的核心芯片CC2430的定时器产生一个方波，在项目中我们设定的是固定频率的方波（频率为2KHz），通过改变占空比的方式来改变LED驱动电路中的电流大小。检测路灯好坏是通过Zigbee模块的CC2430的AD口读取口上电平的值，高电平代表路灯异常，并及时地在电脑界面上显示出来。具体的程序设计这里由于篇幅所限不再一一列出。
ZigBee协议栈由物理层（PHY）、媒体接入控制层（MAC）、网络层（NWK）和应用层（APL）组成。协议栈的每层为上层提供服务接口，使上层可以方便的调用下层的函数。关于ZigBee协议栈的构成及协议栈各层的的相关内容，以及使用的开发工具包括IAR、物理地址修改软件、数据分析仪等由于篇幅所限就不再赘述。
三、系统测试
系统测试包括ZigBee网络测试以及对整个道路LED路灯照明监控系统的测试。
Zigbee网络测试主要测试网络的组网能力、组网时间、网络容量、网络深度（跳数）及网络的稳定性。在本项目中重点对网络容量、网络深度（跳数）以及网络组网稳定性进行了测试。这里由于篇幅所限不再详述。
道路照明监控系统的总体测试主要是测试系统实现的功能和整个系统的稳定性，包括对LED路灯工作状态能否正常自动检测，对LED路灯的功率控制是否安全有效，以及ZigBee整体网络工作的稳定性等。
整个系统的测试在某园区完成，把园区道路上的10盏LED路灯安装上路灯监控系统。监控中心设在室内，通过操作界面对路灯进行控制。每盏LED路灯之间的间隔大约是30m。
控制时，只要在监控中心的操作界面上设定控制的时间，路灯就能够完成功率的自动控制，并且及时反馈路灯的工作状态等信息。路灯的默认状态是全功率状态，功率控制分为5个档位，可以根据不同的时间段来选择。如果有路灯不能正常工作，系统界面上会弹出提示警示。
综合上述，本文设计的城市道路LED路灯照明监控系统应用Zigbee技术，实现了对城市道路LED灯照明系统的监控，实现了对LED路灯工作状态的自动检测和功率控制，能够很好地实现项目所要求的功能，是一种能较好地解决城市LED路灯照明系统的监控和节能问题的方案。
