无线led路灯远程控制方案与关键技术分析-毕业论文

目 录摘 要4Abstract51绪 论61.1课题背景61.2LED照明光源与驱动技术71.2.1大功率白光LED简介71.2.2LED电源驱动技术81.3短距离无线通信技术简介ZigBee技术介绍81.4无线传感器网络（WSN）101.4.1无线传感器网络（WSN）的结构101.4.2无线传感器网络（WSN）的特点111.4.3无线传感器网络技术现状和应用121.4.4几种路灯照明控制技术对比121.5本课题研究目标、内容和意义132无线LED路灯远程控制方案总体设计142.1项目需求分析142.1.1无线LED路灯远程控制系统的应用需求142.1.2硬件平台需求分析：152.1.3软件平台和路灯节能控制策略162.1.4系统指标要求172.2无线LED路灯远程控制系统结构172.3无线网络的构建192.3.1前端节点子网192.3.2远程监控网络193无线LED路灯远程控制关键技术分析213.1LED驱动的设计213.1.1电阻限流方式213.1.2恒压源223.1.3恒流源223.1.4LED调节亮度方式233.2LED路灯状态检测233.3系统组网233.4ZigBee网络的实现254系统软硬件设计考虑264.1LED节点驱动控制设计264.2状态检测与报警274.2.1温度感测274.2.2感光检测274.3无线模块的设计284.4MCU电路设计294.5节点固件设计305路灯控制模式和节能策略355.1路灯控制模式355.2节能策略366总结367谢 辞378参考文献37LED路灯远程控制方案与关键技术分析摘 要：城市照明系统是一个庞大的综合系统，在照明系统中使用LED路灯远程控制系统，不仅可以减少照明时间节省用电，而且可以降低管理开支。本文主要分析了LED照明技术和ZigBee协议组网技术，设计了一种无线LED路灯远程控制系统，构建为底层为路灯控制节点，中间为路由模块，顶层计算机控制终端。本设计基于TI公司的CC2480/ZigBee开发系统设计了无线控制平台，论证了网络拓扑结构的建立和固件流程图、上位机节能策略。本设计旨在提供一种基于ZigBee无线技术的城市路灯照明系统解决方案，目的是设计低成本、高效能、全自动化的城市照明系统。为实现路灯照明系统科学高效的控制和资源整合，实时了解整个城市的照明情况，提供了一种新的方法。 本设计的意义在于其高效的电力节约，实时监控增加了路灯照明系统的安全性、稳定性，单灯定位故障采集，可以省去大量人力进行巡检 ，节约维护开支。关键词： ZigBee 短距离无线通信 无线网络 照明控制 A key technology analysis of Wireless LED Street Light Remote ControlAbstract: City lighting system is a large comprehensive 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 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 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 meaning 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 绪 论1.1 课题背景当代社会，城市路灯照明 / 景观照明建设不仅带给人们光明与视觉享受，也成为展现城市魅力的重要窗口，但是在带来明亮、绚丽色彩的同时也带来了诸多的困扰 如：管理、费用、用电、电缆被盗等等问题。灯光照明用电占用电消耗约20% ，降低灯光照明用电是节约能源非常重要的途径。目前我国为实现可持续发展，大力支持发展绿色照明。关于绿色照明目前市场上主要是针对LED节能光源产品进行开发，而城市照明系统是一个最具潜力的绿色照明系统，通过智能照明控制装置，合理调整照明时间，不仅可以节省照明系统20以上的用电量，照明灯具的使用寿命也得到了极大的延长，而且大大降低了管理的费用。但是，当前国内外对于路灯照明系统科学高效的控制和资源整合的产品较少，功能不全面，而基于短距离无线通信技术的LED路灯远程控制方案正是根据我国现状而生的产物。基于ZigBee技术和LED光源的路灯系统，是一种自动化成度高、高效节能的城市照明系统。LED光源是一种高效能、环保、安全、耐用的新型照明光源，而无线控制技术其可以对于路灯照明系统进行科学高效的控制和资源整合，合理调整照明时间，不仅可以节省照明系统的用电量，而且可以延长照明灯具的使用寿命，减少日常维护的开支。LED远程控制路灯的开发研制生产已经成为发展十分诱人的朝阳产业。目前已经有国内顶尖的无线网络研发公司涉足这项新兴产业。然而无线LED路灯远程控制系统的标准还不明确，国内外开发的技术还不全面，应用还未广泛，这就需要我们继续对这一新兴技术进行深入的研究。1.2 LED照明光源与驱动技术LED照明技术就是一种高效能、环保、安全、耐用的新型照明技术。普通路灯用的荧光灯和HID灯虽价格相对便宜，但光效低（灯的热效应白白耗电）、寿命短、维护工作量大，但若使用LED，不仅光效高，而且寿命长，目前水平可连续工作时间10000小时以上，大大减小维护工作量。LED光源具有使用低压电源、耗能少、适用性强、稳定性高、响应时间短、体积小、对环境无污染、坚固耐用、多色发光等的优点，虽然价格较现有照明器材昂贵，仍被认为是它将不可避免地取代现有照明器件。LED照明技术初次投入成本较高使得其在市场推广有一定困难，但是由于路灯是政府投资项目，有雄厚的财政支持，非常适合推广LED照明技术。一旦首次投入，既环保又耐用，后期电费和维护费用低廉。目前澳大利亚首都堪培拉的一条街道已用了白光LED作路灯照明，我国台湾省台北也有一条街道全部使用了LED路灯照明，大陆也有很多城市开展这方面的试点工作，城市交通指示灯已经用LED取代早期的交通秩序指示灯。可以预见不久的将来，LED路灯必然会取代现有的传统路灯照明。1.2.1 大功率白光LED简介自从出现LED以来，人们一直在努力追求实现固体白光照明光源，随着LED制造工艺的不断进步和新型材料的开发及应用，使白光LED的性能不断完善并进入实用阶段。大功率白光LED的出现，使LED应用领域跨足至高效照明光源市场。大功率白光LED在寿命上有很大的优势，而白炽灯及其他一些传统光源在很多技术方面提升的空间已经很小了。LED光谱分布情况决定了其色纯度和饱和度是传统光源无法比拟的，因此具有很强的竞争优势。LED的封装技术决定了其光源发光性非常强，大功率白光LED单只光效高，单位体积小巧，设计弹性很大，可最大限度配合灯光载体的结构特点，且安装方便。白光LED主要有两种实现方式：一种是使用LED芯片和白光荧光粉；另外是使用RGB 3色LED芯片。目前多采取第一种方式。目前白炽灯和卤钨灯，其光效为1224lm/W；荧光灯和HID灯的光效为50120lm/W。对于白光LED，在1988年，白光LED的光效只有5ml/W，到了1999年已达到了15lm/W，而在2000年时，白光LED的光效已达到25lm/W，预计到了2015年时，白光LED的光效可达到150200lm/W。那时白光LED的工作电流可达安培级，足以取代现有技术，成为主流光源。1.2.2 LED电源驱动技术目前LED均采用直流驱动，因此LED需要一个电源适配器，即LED驱动电源。在设计中应根据电网的用电规则和LED的驱动特性要求，选择的设计驱动电源。LED驱动只占LED照明系统成本的很小部分,但它关系到整个系统性能的可靠性和效率。驱动电路除了要满足安全要求外，对效率的要求也十分高。LED驱动有三种方案: a.阻限流驱动方案:就是简单的在LED的回路中串接电阻,通过调节电阻的阻值,可以改变LED的驱动电流。因此这种电路效率较低，受电源变动影响较大，不适合驱动大功率LED。b.恒压驱动方案:就是使用稳压元件，保持LED两端的电压不变。但是此电路除了保证LED 的基本恒定输出外，效率还是很低的。c. LED恒流驱动使用使用双级设计，第一级将AC输入电源转换成DC恒压电压，第二级将恒压电源转换成0.9A恒流源。此方案电源转化效率更高了，保证系统的高效率。综上所述，应尽可能不采用电阻或串联稳压电路作为LED 驱动器的限流主电路，而应该采用专用高效恒流电路，如方案c，这样才能保证LED系统的高效率。1.3 短距离无线通信技术简介ZigBee技术介绍短距离无线通信技术是目前新兴的通信网络技术，其使用可以使电子产品更加智能化，使我们的生活更加方便。无线通信在家电智能化、医疗领域、城市停车控制等诸多领域有着很大的用途。下面介绍几个短距离无线通信技术协议标准。Wi-Fi Wi-Fi是IEEE定义的一个无线网络通信的工业标准（IEEE802.11）。其主要特点是数据传输速率高、建网快、移动性好、组网灵活，有良好的发展前景。但是Wi-Fi不具备低功耗、低成本、节点容量的优势，因此在架设无线传感器网络上没有优势。蓝牙Bluetooth蓝牙技术是一种无线通信标准，能够在短距离范围内无线连接电脑、便携设备、PDA、移动电话、数码相机、蓝牙耳麦、键盘甚至是无线鼠标。蓝牙技术使用全球通用的频段2.4GHz，以确保能在世界各地通行无阻。蓝牙技术有着高保密性、高速率的特点，应用在主流消费性产品中。但是蓝牙技术使用需要向协会交纳专利费，且成本较高，通信距离太近（15m），不适于在工业数据传输中应用。ZigBeeZigBee技术是一种新兴的短距离低速率低功耗的无线网络技术。ZigBee的基础是IEEE 802.15.4协议。ZigBee技术在完全采用IEEE802.15.4标准的物理层和媒体接入控制层的基础上规定了网络层和支持的应用服务。ZigBee可以工作在868MHz，915MHz和2.4GHz三个频段上。我国采用的是2.4GHz频段。该频段是全球通用的免付款、免申请的工业、科学、医学(ISM)频段。其数据传输速率为250kbps/s。ZigBee技术的标准传输距离为75m，在增加了RF发射功率后，可增加到13km。ZigBee的特点主要有以下几个方面：l 低功耗。在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持一个节点工作624个月甚至更长。这是ZigBee突出的优势。使用相同的电力，蓝牙技术能工作数周、Wi-Fi仅能工作数小时。l 低成本。通过大幅简化协议（不到蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求。按预测分析，以8051的8位微控器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点则至少4KB代码，而且ZigBee免收协议专利费。l 低速率。ZigBee工作在250kb/s的通信速率下，可满足低速率传输数据的应用要求。l 近距离。ZigBee节点间的传输距离一般为10100m之间，在增加RF发射功率后，可增加到13km。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。l 短延时。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需要15ms，节点连接进入网络只需要30ms，从而进一步节省的电能。相比之下，蓝牙需要310s、Wi-Fi需要3s。l 高容量。ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构。一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。l 高安全。ZigBee提供了3级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单（ACL）防止非法获取数据和采用高级加密标准（AES128）的对称密码，以灵活确定其安全属性。l 免执照频段。采用直接序列扩频在工业、科学、医疗的2.4GHz（全球）（ISM）频段。本设计使用ZigBee技术的优势在于通讯频段多，无通讯费用，ZigBee技术低成本、功耗低。1.4 无线传感器网络（WSN）随着无线通信和低功耗嵌入式技术的发展,无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)应运而生，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络（Ad-hoc网络）。这些传感器节点内置有集成的传感器、数据处理单元和通信模块，通过一定的协议自组织起来，借助节点中内置的形式多样的传感器测量我们所需要的信号，并通过短距离无线低功率通信技术将信息发送给观察者。1.4.1 无线传感器网络（WSN）的结构无线传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor node)、汇聚节点(sink node)和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域(sensor field)内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配 置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。Sink节点任务管理节点监测区域Internet/GPRS图1.1 无线传感器网络（WSN）的结构1.4.2 无线传感器网络（WSN）的特点无线传感器网络的特点： (1)数量大、密度高。由于传感器网络节点的微型化，每个节点的通信和传感半径很有限，一般为十几米范围之内，而且为了节能，传感器节点大部分时间处于睡眠状态，所以往往通过铺设大量的传感器节点来保证网络的质量。(2)节点有一定的故障率。由于传感器网络可能工作在恶劣的外界环境之中，网络中的节点可能会由于各种不可预料的原因而失效，为了保证网络的正常工作，要求传感器网络必须设计成具有一定的容错能力，允许传感器节点具有一定的故障率。(3)电池能量、计算能力和存储容量等方面有限制。由于传感器节点微型化，节点的电池能量有限，而且由于物理限制难以给节点更换电池，所以传感器节点的电池能量限制是整个传感器网络设计最关键的约束之一，它直接决定了网络的工作寿命。另一方面，传感器节点的计算和存储能力有限，使得其不能进行复杂的计算，传统Internet网络上成熟的协议和算法对传感器网络而言开销太大，难以使用，必须重新设计简单有效的协议及算法。(4)传感器网络的拓扑结构变化很快。(5)以数据为中心（data centric）。在传感器网络中人们只关心某个区域的某个观测指标的值，而不会去关心具体某个节点的观测数据。 1.4.3 无线传感器网络技术现状和应用虽然无线传感器网络的大规模商业应用，由于技术等方面的制约还有待时日，但是最近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经为数不少的无线传感器网络开始投入使用。无线传感器网络的应用：在军事上，由于无线传感器网络具有自组织性、容错能力，特别适合恶劣的战场环境，能很好完成敌方信息的搜集和处理工作。无线传感器网络大面积、低成本、随机分布的节点能方便地获取环境科学中需要的随机信息的监测与统计，例如监测海洋、大气、降雨量、土壤成分等。通过置于病人身上的传感器，医生可监测病人的生理情况，更全面及时地了解病况，并能为远程医疗提供帮助。在空间探索方面，可利用传感器节点对外部空间进行长时间探测，以获得更多数据。无线传感网的自组织、微型化、高感知能力，使其具有极为广泛的商业运用，如服务业采用无线传感器网络负责商品流通、服务环境秩序、金融流通安全等。在各种社会活动中，无线传感器网络的应用更是举不胜举。1.4.4 几种路灯照明控制技术对比根据调研，目前路灯控制方式有人工控制方式、时控方式、电力载波控制、GPRS控制、ZigBee控制等。人工控制方式是由值班员手动进行开关等的操作，显然这种方式工作量大，效率低，在目前的路灯控制中不适用。时控方式是指在路灯控制器安装定时器，定时开关路灯，功能单一，不能根据季节和天气调整。电力线载波方式是指将路灯控制信号调制在输电线上，以控制路灯。可是在用电高峰时刻控制信号占用电力线容量，使得控制信号无法正常传送到线路上，不仅在用电高峰状态下不能实现路灯控制，严重时还会影响其整体照明亮度。成本怎样技术成熟？GPRS控制路灯是使用GPRS模块并使用通信公司的服务。GPRS控制范围广，模块化好，集成度高，抗干扰能力强。但是单独的GPSR路灯控制只是控制一条路上的路灯，无法实现单双灯控制等节能算法，且造价高昂，使用费用较高基于ZigBee技术的无线路灯控制是最近提出的，用无线通信方式对路灯节点进行管理的，这种方式有很多优势：通讯频段多，组网能力强，无通讯费用。城市路灯可以自行组网，不用购买通信公司的服务。ZigBee技术不需要专利费、硬件成本低、功耗低。架设ZigBee无线传感网络(WSN)的成本是所有无线技术中最低的，功耗极低，非常节能。应用WSN，可以实现实时监控，有多种路灯控制方式，在路灯系统上使用节能算法，达到更好的节能目的。ZigBee技术也有不足：距离短，传输数据速率低，工作频段易受干扰。因此ZigBee技术是我们的首选。采用ZigBee无线网络，通过众多节点的无线组网从而构成一个基于ZigBee的无线传感器网络（WSN），这样不仅省去了架设线路的费用，维护管理开支也比较低。1.5 本课题研究目标、内容和意义本课题旨在提供一种无线技术的LED路灯照明系统解决方案，目的是为设计低成本、高效能、全自动化的路灯照明设施作准备。目前的LED路灯系统主要使用有线线路控制，本项目的新颖之处就在于使用了无线控制模块，可以在城市信息控制中心整合控制全城的路灯照明系统，实时了解整个城市的照明情况，方便调控城市照明和日常维护。及时故障报警功能可让路灯受损坏时无需人工检测即可给检测人员提供准确的定位，取代了传统的巡视道路这一大成本投入的老模式，使得现代无线技术更加节能和“人性化”。应用无线远程控制技术的LED路灯照明系统，可设定程序自动执行也可人工随机管理，在晚上6点钟将马路上的单号灯或者双号灯开启（关闭）；到晚上24点以后，调节到半亮度或1/3亮度状态以减少其电能；早上5点钟全部关闭；可增加光度感应器功能，在阴雨天或沙尘暴等恶劣天气下及能见度极低时，ZigBee控制器可自行控制开启其照明状态；另外及时位置报警功能可让路灯受损坏时而无需人工巡视道路检测即可自动提示给检测人员进行准确定位，取代了人车传统的巡视道路这一大成本投入的老模式，使得现代无线技术更加节能和“人性化”。无线路灯控制器可将采集电流、电压、功率因素等参数，通过无线智能控制方式传输到控制中心，为节能等评估打下数字基础。国家在政策方面不仅对新能源大力支持，也非常重视工业和生活中照明领域的节能。财政部计划今年中央财政将加大高效照明产品推广力度，大力推广节能的使用范围。而本项目正是在这一背景下营运而生的系统，对提高城市照明系统的可靠性、智能化、信息化、低成本，具有十分重要的意义。2 无线LED路灯远程控制方案总体设计2.1 项目需求分析为了使设计的系统能够满足路灯控制的要求，具备较强的应用价值，在本项目调研的过程中，除了在网络上查找大量资料外，还同了北京、深圳等多家技术公司的工作人员进行了交流，详细了解了路灯照明和控制领域的发展现状和需求，分析了ZigBee无线传感器网络在路灯控制领域的应用前景。根据所了解到的情况，完成项目的需求分析，对产品的功能和结构做出整体性规范。2.1.1 无线LED路灯远程控制系统的应用需求根据调查，目前路灯控制目前路灯控制方式有人工控制方式、时控方式、电力载波控制、GPRS控制等。这些控制方法各有各的优缺点。以电力线载波方式为例，将路灯控制信号调制在输电线上控制路灯。可是在用电高峰时刻控制信号占用电力线容量，使得控制信号无法正常传送到线路上，不仅在用电高峰状态下不能实现路灯控制，严重时还会影响其整体照明亮度。基于无线传感网络的无线LED远程路灯控制系统正是应对现有路灯控制手段不足而设计的，本设计应该满足以下要求：l 设计尽可能低成本、高性价比的LED路灯照明产品。目前LED路灯和无线控制器的价格都比较高，远程控制无线LED路灯系统的造价与传统有线控制的白炽灯或荧光灯相比相差很大，在设计和制造的过程中必须通过各种途径，努力降低制造成本。l LED驱动只占LED照明系统成本的很小部分,但它关系到整个系统性能的可靠性和效率。LED驱动的主要要求有：驱动器应该要有较高的功率转换效率，目前高的功率转换效率可达8090%。驱动电路要满足安全要求，有完善的保护电路，如低压锁存、过压保护、过热保护、输出开路或短路保护。驱动器可以对LED的亮度进行调节，提供PWM或线性调光。l 无线组网选用的无线协议和传输模块，必须要经济可靠、功耗低，方便远程控制。ZigBee网络是一个短距离的的数据网络，其网络中转和节点设置是一个难点。为了保证网络设置的健壮性和可靠性，应该使用ZigBee网状拓扑结构，使网络有充分冗余。l 远程监测控制传输协议。ZigBee是一个低速率低功耗的WSN网络，工作在2.4GHz公共频段，外界干扰大，抗干扰性能主要靠协议机制来保证，所以设计通信协议的时候需要考虑到抗干扰和可靠性，保证控制准确可靠。2.1.2 硬件平台需求分析：系统中各个节点工程了系统数据传输的硬件平台，是实现路灯检测控制功能的基本保障。所以在设计总体方案前，需要对节点硬件应具备的性能做出分析。首先，MCU是整个硬件节点的核心，其性能应当满足：l 处理速度快，l 拥有较大的储存空间，l 功耗低，l 集成度高，减少外围器件的使用，l 可靠性好。其次，无线收发模块负责数据的传输，其应该为数据可靠、稳定的传输提供保证。除了上述两方面外，节点上使用的传感器也是必须考虑的因素，因为它直接影响着传感器节点的体积和性能。最后在搭建硬件平台时，还应该考虑系统的扩展性和成本问题。应该在保证系统可扩展性的基础上，尽量降低成本，以提高市场竞争力。2.1.3 软件平台和路灯节能控制策略无线LED远程路灯控制系统网络的软件是在某种无线通信协议的基础上开发的。其协议应该支持多设备加入、自动组网、路由转发跳转。节点应该能自动采集路灯运行情况的各种数据，并可靠地传输数据。当传输距离超过了通信距离时，能够以多跳方式传输数据。从上面的方向可以看出，选择一种合适的无线通信协议，对于整个系统的性能至关重要。然而，目前具有良好组网性能的短距离通信协议较少，而且许多使用费用较高。ZigBee技术的出现，为人们构建无线传感器网络提供了一种很好的选择。采用ZigBee无线网络，通过众多节点的无线组网从而构成一个基于ZigBee的无线传感器网络（WSN），这样不仅省去了架设线路的费用，维护管理开支也比较低。 为了减少路灯电能消耗，可以通过光敏传感器根据周围亮度的高低，调节路灯功率的大小，远程控制隔盏照明。除了针对单盏路灯基于时间和亮度的节能控制，还可以通过大区域道路照明的节能策略算法，达到节能的目的。例如可设定程序自动执行也可人工随机管理在晚上6点钟将马路上的单号灯或者双号灯开启（关闭）；到晚上24点以后，调节到半亮度或1/3亮度状态以减少其电能；早上5点钟全部关闭；使用光敏传感器，在阴雨天或沙尘暴等恶劣天气下及能见度极低时，ZigBee控制器可自行控制开启其照明状态；另外及时位置报警功能可让路灯受损坏时而无需人工巡视道路检测即可自动提示给检测人员进行准确定位，取代了人车传统的巡视道路这一大成本投入的老模式，使得现代无线技术更加节能和“人性化”。无线路灯控制器可将采集电流、电压、功率因素等参数， 通过无线智能控制方式传输到控制中心，为节能等评估打下数字基础。2.1.4 系统指标要求l 容纳路灯数：每个无线LED路灯远程控制系统控制路灯应不少于1000盏。控制范围应覆盖至少1平方公里。l 组网延时：在单个协调器情况下，组网用时在20s以内。l 控制延时：信息在路灯和协调器之间的传输延时应该在10s以内，保证控制的实时性。l 数据传输速率：在无遮挡物环境下10m左右速率为250kbps；空旷环境下3075m距离速率为40kbps；300m速率为20kbps。l 节能率：在使用节能算法前，使用LED节能路灯应比普通路灯节能50%。使用节能控制算法后应比系统未使用节能算法前节能30%以上。l 可靠性：通信误码率小于1%。无线控制网络应就较高可靠性，在一个路由节点故障时，应能及时启用备用的路由链路，保障协调器对终端节点的有效控制。路灯的故障率应该小于5%。2.2 无线LED路灯远程控制系统结构硬件分三部分组成：安装在路灯灯杆上的终端控制节点，控制中心的监控系统，负责实现终端控制节点和控制中心通信的路由节点。控制中心路灯控制终端转发节点路灯终端节点路灯终端节点转发节点路灯终端节点路灯终端节点路灯终端节点图2.1 无线LED路灯远程控制系统结构控制中心的监控系统由pc机和无线收发模块组成，主要负责建立和管理路灯控制网络，显示路灯状况信息和发送控制命令，协调整个路灯系统的运作。路灯终端节点包括LED电源驱动，为大功率LED提供电力，并能根据MCU控制信号控制LED的工作情况；光敏传感器、温度传感器，直接将LED工作状况传输给控制模块；功率检测模块，检测LED功率情况、供电故障并向上报警，无线模块，负责传输数据。节点框架图如下：PWM调光SPI/串口MCUMSP430Led电源驱动模块电压电流、温度、光感传感器模块CC2480无线通信模块图2.2 路灯终端节点结构2.3 无线网络的构建2.3.1 前端节点子网把模型放到WSN模型中来，安装在路灯灯杆上的终端控制节点即为WSN 中的终端节点（RFD），控制中心监控系统为协调器（COORD），实现COORD与RFD之间无线通信的为路由转发节点（ROUTER）。本设计采用星型网络，一个网络中只有一个协调器，负责建立网络和管理网络，显示状况信息和发送控制命令。网络中的终端节点为路灯控制终端，在WSN对应的模型为RFD，路灯终端节点配置在路灯灯杆上，装有路灯控制器、无线模块，接收控制命令和发送路灯的实时状况。网络中的路由转发节点，在WSN对应模型为ROOTER，也是配置在路灯灯杆上，也可以对路灯实现控制。和终端节点不同的是，其还要负责路由转发终端节点的数据。其硬件结构与终端节点差别不大。2.3.2 远程监控网络远程网络使用ZigBee+GRPS网络的混合网络。由于ZigBee无线网的标准传输距离只有75m，即使使用扩展天线也只有200m，要实现覆盖整个城市的WSN很困难。如果使用中继路由的方式实现的话，成本不低，网络过大，可靠性无法保证，不好控制。所以将城市路灯组网划分成若干个小的子网，每个子网覆盖几个到十几个街区，每个子网中有几百盏路灯，子网内部使用ZigBee建立的WSN控制路灯，其终端和协调器之间最多路由跳转23次，保证网络可靠性。子网和中央控制中心使用GPRS网络来传输数据。总控GPRSGPRSGPRSZigBeeZigBeeZigBee协调器路由节点图2.3 远程监控网络3 无线LED路灯远程控制关键技术分析3.1 LED驱动的设计3.1.1 电阻限流方式阻限流驱动方案就是简单地在LED的回路中串接电阻,通过调节电阻的阻值,可以改变LED的驱动电流。图3.1 电阻限流方式图3.1是传统的限流电路，电网电源通过降压变压器降压；桥式整流滤波后，通过电阻R1限流来使2 个LED 稳定工作，这种电路的致命缺点是：电阻R1的存在是必须的，R1 上的有功损耗直接影响了系统的效率，当R1 分压较小时，R1 的压降占总输出电压的40，输出电路在R1 上的有功损耗已经占40，再加上变压器损耗，系统效率小于50。当电源电压在10的范围内变动时，流过LED 的电流变化将25，LED 上的功率变化将达到30。当R 分压较大时，在电源电压在10的范围内变动时，虽说能使输出到LED 的功率变化减少，但系统效率将更低。因此这种电路效率较低，受电源变动影响较大，不适合驱动大功率LED。3.1.2 恒压源恒压驱动方案:就是使用稳压元件，保持LED两端的电压不变。图3.2恒压驱动方案图3.2是在图3.1 的基础上加了一个集成稳压元件MC7809，使输出端的电压基本稳定在9V，限流电阻R 可用得很小也不会因为电源电压的不稳定造成LED 的超载。但是此电路除了保证LED 的基本恒定输出外，效率还是很低的。因为MC7809 和R1 上的压降仍占很大比例，其效率仅为40左右。上述这类电路的应用，系统总的每瓦输出流明仅为20lm/W25lm/W，是根本不能称为节能的照明产品的。为了达到既能使LED 稳定工作，又能保持高的效率，应采用低功耗的限流元件和电路来使系统效率提高。 3.1.3 恒流源恒流驱动方案，顾名思义就是保持LED的电流一直不变，让LED在恒定电流的条件下工作，要想提高LED的发光的效率和稳定度，减少LED的光衰度，恒流驱动是最好的选择。大功率LED都是采用采用恒流驱动方式。LED恒流驱动使用使用双级设计，第一级将AC输入电源转换成DC恒压电压，第二级将恒压电源转换成恒流源。此方案电源转化效率更高了，保证系统的高效率。这个技术方案在下一章详细介绍。3.1.4 LED调节亮度方式调节LED亮度的方法主要有两种。一种是改变恒定电流，一种是改变脉冲调制（PWM）。改变恒定电流的方式比较简单，但是由于LED是电子与空穴再结合时发光，光束依赖于电流。电流小的情况下，光束和电流基本是成正比的，但当LED电流增大，热量随之增大，导致发光效率变低，光束和电流就不成正比了。 在改变脉冲占空比的方法（PWM调制）中，由于反复接受瞬间闪光后，人眼会感受到反复时间内的平均亮度，根据脉冲占空比改变亮度。且使用MCU，容易实现PWM调制。这里采取后者的方法。3.2 LED路灯状态检测本设计终端路灯节点使用多种传感器，如光敏电阻传感器、温度传感器，测量周围环境情况和路灯的工作情况，并将处理器的数据发送到控制中心，由控制中心决定路灯的工作模式和状态。如果传感器的测量值超过了阈值，则路灯自动关闭，并向控制中心报警。使用光敏电阻传感器测量周围环境的光亮度，当傍晚时周围环境还有余光时，将路灯开启为单双灯模式，当晚上天全黑了以后，将路灯全部打开，当凌晨4点左右出现晨光时将路灯调节成半功率工作模式。在阴天和沙尘暴天气时，光敏传感器坚持到道路能见度低，路灯也可自动打开，保证道路正常照明。使用温度传感器，实时监控路灯的温度情况，如果路灯工作发生了异常，路灯控制器控制路灯关闭，并将报警信息通过ZigBee模块后发送给控制中心。具体电路实现见后面一章。3.3 系统组网系统有两种网络结构选择：链状拓扑网络：缺点：可靠性不佳，如果某个路由节点不工作，直接导致后面的节点瘫痪。优点：系统较简单，成本低，维护简单。网络协调器Coordinator路由节点ROUTER路由节点ROUTER路由节点ROUTERRFD图3.4 链状拓扑网络网状拓扑结构：优点：如果网络中有节点脱离网络，无法正常工作，节点数据将自动路由到一个替换节点保证系统正常工作。缺点：中继路由比链状结构要多很多，成本增加，需要有一套路由转发规则，维护复杂程度增加。本设计采用网状拓扑结构。协调器ZigBee路由节点ZigBee路由节点图3.5 网状拓扑结构ZigBee路由节点3.4 ZigBee网络的实现网络的建立，在ZigBee网络中，网络协调器具有建立一个网络、维护邻居设备表、对逻辑网络地址进行分配、允许设备MAC层应用层的连接或断开网络的功能网络协调器在进行一些初始之后。调用aplFormNetwork()来建立网络协调器通过扫描一个空信道来建立一个新的网络，然后选择一个随机的PANID并开始监听此信道同时协调器还有一个目前连接设备的列表。以支持其他设备加入网络网络的加入，当一个网络建立成功后，便要考虑路由节点和RFD节点如何加入到网络中去路由节点和RFD节点通过调用aplJoinNetwork()函数加入到协调器建立的网络中。路由节点和RFD节点扫描信道找到协调器并申请加入网络，获取协调器的地址，同时将自己的地址发送给协调器网络加入成功后，网络节点则进人休眠状态，直到有命令或数据发送时才被唤醒。4 系统软硬件设计考虑4.1 LED节点驱动控制设计此方案使用ti公司生产的UCC28810EVM-002评估板。UCC28810EVM-002 评估板 (EVM) 是一款恒流非隔离式电源，适用于街道、停车场或区域范围照明等高亮度 LED 照明应用。该设计可将通用电源 (90265VRMS) 转换成0.9A 恒流源，能够驱动 100W LED 负载。图4.1 UCC28810EVM-002电路图此电路使用双级设计，第一级是UCC28810的转换模式电路，将AC电源转换成36V的DC电源。第二级也采用UCC28811的转换模式，将恒压源转换为09A恒流源。电路中使用的TI公司的UCC28810 和UCC28811芯片是通用照明电源控制器，具有PFC（功率因数校正）功能，确保设计方案满足各种标准设定的谐波电流或功率因数要求。并且UCC28810/11控制器提供如电流峰值限制、复位定时器、过压保护（OVP）和使能等特性，引脚介绍：EAOUT跨导误差放大器的输出GND器件的参考地GDRV门驱动输出，用以驱动回扫降压或升压开关ISENSE这个引脚检测瞬时在外部开关的开关电流，并且利用这个信号为电流检测比较器作内部坡道TZE这个引脚作为零能量检测比较器输入VDD输入电源VINS这个引脚检测瞬时校准输入电压，通过一个外部分压器VSENSE这个引脚是跨导放大器的反向输入，通常接2.5V；同时也是过压比较器的输入第一级在低负荷状态运行下，升压跟随器可跟踪 AC 输入的峰值电压，实现更高效率。第二级将 PFC 输出电压转换为 0.9A 的固定电流，以驱动 LED 负载。第二级不仅可接受 PWM调光输入 (从外部或从板级电路均可)，而且还可相应开启或关闭，从而实现LED 电流的 PWM 调光。此方案的优势在于，使用了高效的专用驱动IC，电源转化效率更高了，在低负荷线路 (low-line) 运行状态下，升压跟随器可跟踪 AC 输入的峰值电压，在输入电压15的变动时，仍能保持输出电流变动稳定在10内。4.2 状态检测与报警4.2.1 温度感测由于大功率白光LED照明和驱动器发热量都很大，所以需要一个温度感测传感器，实时监控路灯的温度，并向控制中心反映，如果温度超过警戒温度，控制器进入报警模式，将自动关闭路灯，并向控制器发送报警命令。温度传感器使用DS18B20。DS18B20是DALLAS生产的一款数字温度传感器。其特点有：独特的一线接口，只需要一个端口即可通信。电路无需外部元件，可用数据总线供电，也可外接VCC。工作电压范围广，为3.0 V至5.5 V，无需备用电源。测量温度范围为-55 C至+125 ，在-10 C至+85 C范围内精度为0.5 C。DS18B20具有工作电路简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点。DS18B20应用范围包括恒温控制，工业系统，消费电子产品温度计，或任何热敏感系统。4.2.2 感光检测本设计使用光敏三极管作为感光元件测量周围环境的亮度，处理器实时将周围环境的亮度通过无线模块反馈给控制中心，由控制中心决定是否打开路灯。电路图如下：图4.2 光敏三极管电路图4.3 无线模块的设计 目前TI公司已经先后推出了支持ZigBee协议的2.4 GHz的射频收发器CC2420和ZigBee的片上系统解决方案CC2430，以及第二代射频收发器CC2520芯片。CC2480是 TI 公司在2008年4月30日推出的首款经 ZigBee认证的新 Z-Accel 系列网络处理器。它能够简化设计，缩短上市时间。Z-Accel 简化了将 ZigBee 功能添加到新的或现有应用的操作，并允许客户与任何 MCU 进行灵活协作。无线通信模块使用CC2480/ZigBee模块，在单个芯片上集成了ZigBee射频前端、模拟数字转换器、定时器，支持2.4GHzIEEE802.15.4协议。其无线性能出色，功耗很低。CC2480电路图如图4.3所示。图4.3 CC2480/ZigBee模块电路图电路晶振XTAL1选用32MHz，晶振XTAL2选用32.768 kHz。32.768 kHz 的晶振用于睡眠模式给期间提供时序，这样降低电流、可以减少功耗。CC2480模块提供USART模块，可以工作在同步模式或异步模式，提供UART模式和SPI模式同控制电路连接。在异步串口接口模式下，使用UART模式。在UART模式，接口使用RXD/TXD两根线作为接口。波特率为115200，可以使用额外的RTS/CTS线作为流控制（flow control）线，8N1数据格式，DCE信号连接。UART模式提供双向异步传输，而同步字不会影响到传输功能。一个异步传输字节包括1个起始位，8个数据位，1个校验位和1个结束位。CC2480还可以使用同步SPI模式，工作在同步从机状态，工作频率可达4MHz。这样通过编写相应的ZigBee协议，CC2480模块可以直接与上位机之间通过串口通信。我们选用异步串口模式。4.4 MCU电路设计节点用MSP430超低功耗单片机作为MCU，MSP430是TI 公司生产的一款超低功耗 16 位 RISC 混合信号处理器。具有超低功耗，高度集成，丰富的片上外围模块等特点。MCU电路图如下：图4.4 控制模块MSP430电路图MSP430 单片机目前主要以 FLASH 型为主。本设计选用的是MSP430F149。MSP430F1xx MCU系列提供业界较低的电流消耗，工作电压为1.8 V，实时时钟待机电流的消耗仅为 1.1 uA，而运行模式电流低至 300 uA (1 MHz)，从休眠至正常工作整个唤醒过程仅需6 us。MSP430单片机系统外界8MHz 和32.768KHz两个晶振。单片机的P3.4、P3.5端口设置成串口 0（ USART0）的收发口与CC2480的异步串口相连，他们之间实现串口通信，如图4.5所示。单片机发送数据给CC2480，CC2480就可以无线发送出去，CC2480接收到无线数据也透明传送给单片机。4.5 节点固件设计在该系统中，每个节点都使用了ZigBee协议，在ZigBee协议中已经提供了众多的函数，包括新建网络，设备加入离开网络，发送网络信标帧，寻找父节点和子结点，发送和接收数据包等。在系统工作的过程中网络协调器负责建立网络和接收节点发送来的路灯信息，根据路灯的状况发送控制信号到路灯节点。ROUTER节点处于监控状态，接受其他节点发送的信息并决定是否转发，同时将自身路灯的信息发送到协调器；接受协调器的控制信号，控制路灯打开或关闭。RFD节点功能最简单，只用随时接收协调器发送的控制命令，并向上返回路灯目前状态。协调器工作首先初始化CC2480，然后初始化协议并打开中断。之后程序开始建立一个网络，如果网络建立成功，则显示相应的网络协调器的物理地址、现在建立网络的ID号和频道号。对于路由节点，程序首先初始化CC2480，然后打开传感器电源，之后初始化协议栈，并开始发送加入网络请求信号，等待网络协调器或前面的路由器节点响应，并给自己分配网络地址。如果加入网络成功，通过串口扩展口可以得到网络的网络地址、路由节点自己的物理地址和接入网络协调器或前面路由节点的物理地址等数据。在RFD节点上程序同样首先初始化CC2480，打开传感器电源，之后初始化协议栈，并开始发送加入网络请求信号，等待前面的路由器节点响应，并给自己分配网络地址。如果加入网络成功，同样通过串口扩展口可以得到加入网络的网络地址、自己的物理地址和加入的路由节点的物理地址等数据信息。协调器程序流程图：初始化协调器建立新的网络是否改变路灯状态？接收终端设备数据网络建立成功？发送控制命令道终端设备NNYY图4.5协调器程序流程图路由器流程图：初始化加入网络进入监控状态根据信号路灯开关，并转发送到下一个节点判断接受到的信号给该节点分配网络号并显示加入网络信号控制信号图4.6 路由器流程图RFD节点程序流程图：发送加入网络信号初始化加入网络是否成功如果电源为打开状态根据光线控制路灯开关进入监控状态如果受到控制信号就做相应处理NY图4.7 RFD节点程序流程图5 路灯控制模式和节能策略5.1 路灯控制模式根据不同上位机的不同控制命令，路灯节点有如下几种不同的控制模式。1) 单双灯开启模式。这个模式有两种情况，编号是奇数的灯开启或者编号是偶数的灯开启。当路灯节点接收到单双灯开启命令以后，路灯会根据自身的ID编号，选择开启还是关闭。这种模式应用于傍晚能见度较高或者阴雨天或沙尘暴等恶劣天气城市能见度不佳时。一般是单双灯轮流开启关闭，保证LED路灯工作时间大致相同以延长其寿命。2) 全功率开启模式。当路灯节点接收到全功率开启模式以后，路灯开始工作，并会以全功率打开，亮度最大。这种模式一般在晚上人车流量大时和节假日开启。3) 半功率开启模式。当路灯节点接收到全功率开启模式以后，路灯开始工作，但不会以全功率模式工作，而是通过LED驱动 模块的PWM调光机制，将LED的功率控制在额定值的一半，这样起到了节约电力的作用。4) 随机选择关闭模式。这种模式也是为了节约电力和延长路灯寿命的方法。在人流不大的道路上发给路灯随机关闭模式命令，路灯节点接收命令后，以一定概率（如20%）自行熄灭30分钟，由于路灯是随机熄灭的，不会影响到整体的照明情况。5) 功率异常报警模式。这种模式不是上位机发给的命令。当路灯节点检测到功率故障的时候（如LED二极管短路、功率过小或过大），路灯将自行切断照明电源，并向上位机报警。5.2 节能策略整个无线LED远程照明系统使用一系列节能照明算法来保证城市照明的正常工作和起到节约电力的作用。1) 常规策略：在傍晚时分，道路上尚有余光，这时上位机发送单双灯开启模式，道路路灯交替开启一半。到晚上8点钟，人车流量较大，上位机发送全功率开启模式，晚上12点钟后，道路车辆减少，开启半功率模式，节约电力。早上当道路亮度达到关闭阈值，将路灯全部关闭。在人流较小的道路，开启；路灯随机选择关闭模式，路灯随机关闭一部分（预设值为20%），用以节约电力。2) 特殊策略：通过光敏传感器功能，在阴雨天或沙尘暴等恶劣天气下及能见度极低时，路灯节点可自行控制单双灯开启模式，保证道路能见度。在节假日人流量大时全夜开启全功率模式。3) 监测策略：当路灯节点发生功率故障时，进入功率异常报警模式，并向上位机发送报警命令。上位机这时查看整个道路的工作状态，分析是单个路灯故障还是供电问题，并通知检修人员故障路灯的位置和故障原因。4) 节能评估：路灯节点将采集电流、电压、功率因素等参数， 通过无线ZigBee模块传