设计与实现 基于ZigBee的无线路灯 智能控制管理系统设计 蔡泽育 何小龙 广州市弘宇科技有限公司 【摘 要】文章介绍了一套新型的无线路灯智能管理系统的结构及功能，基于模块化设计技术，提出了无线路灯智能管 理系统的硬件、软件设计方案，以及关键技术，包括组网方式和数据传输的可靠性设计。 【关键词】ZigBee 无线路灯智能管理系统 现场基站 单灯控制器 上位机软件 现有的城市路灯控制系统缺乏灵活的智能化控制手 （1）现场基站 段，难于及时、准确掌握路灯设备的安全工作状态，更 现场基站进行路灯时序调整、数据记录、数据发 难实现路灯的精细化节能管理，已远远不能满足城市灯 送等操作。它负责控制网络的运行，将监控中心的命令 饰工程发展与管理的需要。 同时，道路照明已经不再是 简单的灯光的排列。对路灯的开 和关，不但是城市管理的重要一 环，而且已成为展示城市魅力的 名片和窗口。为了应对更高的节 能要求，提升城市形象与管理水 平，对城市路灯监控管理系统的 升级改造势在必行。由此，本文 设计了一套基于ZigBee的无线 路灯智能控制管理系统。 1 系统结构及组成部分 图1所示为无线路灯智能控 制管理系统结构，各主要组成部 分如下： 收稿日期：2011-07-08 图1 无线路灯智能控制管理系统结构 责任编辑：左永君 zuoyongjun@mbcom.cn 2011年第18期 61 

设计与实现 下达给单灯控制器，将控制器及线路信息反馈给监控中 ◆ 发射功率：4.5dBm 心，同时提供短信报警的功能。现场基站也可以选择光 ◆ 接收灵敏度：-97dBm 纤连接到后台服务器。 （2）单灯控制器 每盏路灯都装有无线路灯控制器，它们负责接收现 场基站发出的无线信号，从而控制路灯开关。该无线路 灯控制器可采集电流、电压等参数，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。 （3）上位机软件 通过软件的方式对系统进行控制、对灯具状态进 行监控，从而实现智能化、数字化的路灯管理，具体包 括： 2.2 单灯控制器 图2 现场基站模块图 ◆ 负责发送各控制指令，采集各数据及信息； ◆ 对数据进行统计与分析，形成汇总报表； ◆ 对故障进行提醒及报警； ◆ 对过往的历史数据进行查询； ◆ 对灯具进行编排、分组、控制。 2 硬件设计 2.1 现场基站 现场基站节点主要由GPRS通信模块、处理器、电 源模块和通信模块4个部分组成，处理器通过串口TTL电 平和GPRS通信模块进行数据交互，通过SPI串口连接通 信模块，电源模块通过220V交流转换为5V为处理器、 GPRS通信模块和通信模块提供电源。 （1）处理器 处理器使用基于ARM7的微处理器模块。 （2）通信模块 该通信模块CC2530是TI的第二代ZigBee®/IEEE 802.15.4标准的2.4GHz射频无牌ISM频段收发器，提供 了广泛的硬件支持帧处理、数据缓冲、突发传输、数据 加密技术、数据验证、信道评估、链路质量指示和帧定 时信息。 （3）主要技术指标 ◆ 工作频段：2.4GHz ◆ 信道：16个（间隔5M） 62 2011年第18期 单灯控制器主要由处理器、电源模块和通信模块3个 部分组成，处理器通过SPI串口连接通信模块，电源模块 通过220V交流转换为5V为处理器、通信模块提供电源。 图3 单灯控制器模块图 （1）处理器和电源接口 三种接口（RS232接口、RS485接口、PWM接口） 是根据路灯（LED灯、高压钠灯）电源提供的，要选择 性使用，处理器通过这些接口和路灯电源通信。 图4 单灯控制器和路灯通信模块图 责任编辑：左永君 zuoyongjun@mbcom.cn 

设计与实现 （2）主要技术指标 ◆ 工作频段：2.4GHz ◆ 信道：16个（间隔5M） ◆ 发射功率：4.5dBm ◆ 接收灵敏度：-97dBm ◆ 数据接口：RS232、485、I/O 3 软件设计 3.1 现场基站 现场基站软件主要功能包括：通过GPRS模块连接后 台服务器，处理后台软件通过GPRS模块发过来的数据， 处理通过CC2530和单灯控制器的交互，目标单灯控制器 的路由发现，目标单灯控制器路由。 图6 现场基站数据处理流程图 现场基站软件工作流程和数据处理流程分别如图5、 3.2 单灯控制器 6所示。 单灯控制器软件功能主要包括：通过ZigBee协议与 图5 现场基站软件工作流程图 图7 单灯控制器软件工作流程图 责任编辑：左永君 zuoyongjun@mbcom.cn 2011年第18期 63 

设计与实现 现场基站连接，与现场基站交互数据，目标单灯控制器 和单灯开、关、查询功能； 的路由发现，目标单灯控制器路由。 ◆ “三遥”功能：实现自动运行和手动控制，使用 单灯控制器入网的过程如下：子设备首先通过广播 控制平台对路灯进行远程遥控、自动报警、选测； 的形式发送入网请求命令帧，在信号辐射范围之内的所 ◆ 数据采集：实现单灯电压、电流、功率、有功功 有潜在父设备在接收到入网请求命令帧后，随即延迟一 率、无功功率等数据参数采集； 段时间，然后发送入网反馈信标帧，子设备在接收到信 ◆ 状态查询：通过互联网实现对路灯状态、电流电 标帧后，选择一个离现场基站跳数最少的作为父节点， 压、电量等数据的远程查询； 至此入网过程就结束了。 ◆ 定时控制：设定单次模式、每天模式、节约模式 和日出日落模式； ◆ 故障报警：路灯故障时向监控中心报警显示故障 灯号或地理位置； ◆ 报表功能：形成电流、电压、功率等电量报表和 运行日志报表； ◆ 数据存储：存储系统设备的执行历史记录； 图8 入网流程图 ◆ 维护拓展：远程参数设置和维护及其它功能拓 单灯控制器数据处理流程如图9所示： ◆ 自动校时系统：在保证集中控制器与通信服务器 展； 图9 单灯控制器数据处理流程图 4 上位机软件设计 （1）上位机软件功能 ◆ 远程监控：在监控中心通过上位机软件监控各灯 的状态，不需要人工巡查； ◆ 控制功能：实现分区域（组）开、关、查询功能 图10 上位机软件工作流程图 64 2011年第18期 责任编辑：左永君 zuoyongjun@mbcom.cn 

设计与实现 正常连通的情况下，系统时钟自动与通信服务器时钟同 电能的消耗也会起到较大的作用，符合国家节能减排的 步，系统定时自动对终端设备进行精确校时； 发展战略。 ◆ 易扩展性：系统超强的扩展性，可以任意扩展多 条道路的灯具并进行管理和控制。 （2）上位机软件开发流程 参考文献 [1]李文仲,段朝玉. ZigBee无线网络技术入门与实践[M]. 北 上位机采用C/S模式设计，使用C#语言开发，数据 京: 北京航空航天大学出版社,2007. 库采用SQL Server2005，通信基于TCP/IP协议。上位机 软件运行的服务器必须提供一个外网IP地址和一个端口 号，以便GPRS模块连接。 （3）上位机软件工作流程 上位机软件工作流程如图10所示。 [2]孙利民. 无线传感器网络[M]. 北京: 清华大学出版社, 2005. [3]钟永峰,刘永俊. ZigBee无线传感器网络[M]. 北京: 北京 邮电大学出版社,2011. [4]崔逊学,赵湛,王成. 无线传感器网络的领域应用于设计技 术[M]. 北京: 国防工业出版社,2009. ★ 5 总结 随着计算机技术、通信技术、控制技术的发展和人 们物质生活水平的提高，家居智能化已成为国内外的一 个研究热点。基于ZigBee技术的无线智能照明系统目前 主要应用在智能大厦和高档住宅，随着技术水平的不断 完善，相关产品的价格会逐步降低，巨大的民用市场将 是最终的发展方向。本文设计的无线路灯智能管理系统 在提高照明系统的信息化、智能化程度的同时，对节约 【作者简介】 蔡泽育：助理工程师，本科毕业于桂 林电子科技大学，现任职于广州市弘 宇科技有限公司，研究方向：低速、 近距离无线技术。 ITU：韩国信息化程度全球第一 中国排80位 9月15日，联合国下属的国际电信联盟（以下简称“ITU”）发布报告称，韩国是2010年全球互联网和通讯业 最发达的市场，互联网接入水平、使用量和使用技巧都很高，而高速互联网服务也保持在很多低收入国家可以承 受的水平。 ITU的数据显示，发达国家的移动用户过去一年间增长20%，总量超过50亿，渗透率超过100%，即平均每人 拥有超过一台移动设备。而发展中国家则增长70%。 移动宽带也在快速增长，尤其是在固定宽带覆盖率较低的发展中国家。但由于每月1GB流量的移动宽带套餐 费用超过印度、马里、肯尼亚、巴西等国人均月收入的10%，这些国家的很多人仍然无法使用高速互联网。 ITU秘书长哈玛德•图埃（Hamadoun Toure）在报告中称：“得益于‘移动奇迹’，即使是最不发达的地区也 可以获取信息和通讯服务。我们当前的挑战是复制宽带领域的成功。” ITU称，互联网在发展中国家的人口覆盖率仅为21%，而发达国家则高达70%。 2008至2010年间，全球固定宽带价格下降了52%，但非洲的平均花费仍是人均月收入的3倍，而发达国家的 这一比例仅为1.5%。 瑞典、冰岛、丹麦、芬兰的互联网和通讯业发达程度仅次于韩国。美国位列第17位，中国则位居第80位。 责任编辑：左永君 zuoyongjun@mbcom.cn 2011年第18期 65