路燈系統是城市基礎設施的組成部分，是與人們日常生活緊密相關的市政公共設施。同時綠色照明是當今照明界的必然趨勢，隨著城市化進程的加快和城市規模和數量的擴大，照明消耗，照明電費日益高漲，加劇了我國日趨緊張的能源供應。因此建立路燈節能監控系統實現了路燈的集中控制、檢測與管理。結合相應的控制網絡確保按時、按需點亮每盞路燈，并能有效的節省路燈的用電，延長燈泡的壽命，降低維護的成本，是現代能效型社會的目標。

　　當前路燈節能系統組網的方案中有基于電力線載波通訊的組網方式，GSM短消息控制。ZigBee技術是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術。目前已經廣泛應用于無線網絡監控行業，并取得了較好的效果。提出了基于ZigBee技術的無線網絡的通訊系統。在降低成本的同時能夠克服電力線載波通訊中不能換相的問題，另外使用Mesh網絡進行通訊保障了無線通訊的可靠性。

　　1 系統方案以及ZigBee技術

　　在ZigBee網絡中的設備分為FFD(全功能設備)和RFD(簡化功能設備)兩種。FFD可以作為協調器和路由器使用，可以和FFD設備和RFD設備之間進行通訊；主要負責網絡的組建和維護以及路由。RFD設備一般為終端節點，互相之間不能通訊，完成信息的發送和接收。

　　ZigBee網絡支持星型網、集群樹狀網和網狀網三種拓撲。網狀網是一種高可靠性的AdHoc網絡，與集群樹狀網不同的是，具有路由功能的節點之間可以進行通訊，從而網狀網通過自組織和無線線路的功能可以提供多個數據通路。當最優路徑出現故障時，冗余的其他通路提供相應的路徑。因此網狀結構縮短了信息傳輸的延遲并提高了通訊網絡的可靠性。

　　路燈節能監控系統是由三層網絡來實現的，如圖1所示。

圖1系統網絡結構框圖

　　其中監控層主要有PC機完成系統的上位機監控畫面，以及控制指令的交互設計。中間層由每個子網的協調器組成，通過GPRS通訊技術將子網內的數據信息傳送到系統上位機。最后子網內采用ZigBee網狀網絡來實現路燈之間的通訊。將每個街道劃分為一個子區域，將街頭的路燈設置為協調器，其他的路燈節點設置為路由節點，最后通過ZigBee協議棧中的網絡層來實現Mesh網絡的構建。從而保證將每個節點上的信息及時地發送到相應的協調器。

　　2 控制器節點設計

　　控制器節點是組成網絡的基本，是網絡通訊的載體，是系統中的關鍵。其主要功能是實現信息的采集、無線通訊以及系統的控制。主要包括軟件設計和硬件設計。

　　2．1 控制器節點硬件設計

　　該節點以CC2430為主要的硬件平臺實現系統的設計。CC2430是Chipcon公司推出的用來實現嵌入式ZigBee應用的片上系統。在整個芯片上集成了模擬數字轉換器、定時器和AES協同處理器等其他外設。支持2．4 GHz，IEEE 802．15．4／ZigBee協議。

　　路燈控制器主要由電壓電流采集模塊、功率調節模塊、無線通訊模塊和CC2430組成。其中電流電壓采集模塊是通過相應的采集電路將信號調理到0～5 V之間的信號，利用CC2430中的ADC模塊來進行采樣，從而獲得路燈當前的電流和電壓的信息；功率調節模塊是由IR2159電子整流器組成的，利用CC2430中的定時器來輸出占空比不同的脈沖，調節DIM引腳上的電壓，從而調節路燈的照明亮度。最終實現對路燈的監控。圖2為CC2430的原理圖。

圖2 控制節點部分硬件原理圖

　　AIN0為電壓采集通道，AIN1為電流采集通道。SD，FMIN，DMIN分別對應IR2159電子整流器的三個控制引腳。其中SD為控制電子整流器的開關，FMIN為當前電子整流器的開關狀態，DMIN為IR2159的模擬調光接口，來控制光線輸出的亮度。

　　2．2 軟件設計

　　在控制節點之間，利用ZigBee通訊組成自組織的Mesh網絡。該設計采用TI公司發布ZigBee的協議棧，來簡化系統的軟件部分設計，其中程序的主要組成包括協議棧的配置以及驅動函數的編寫。

　　軟件部分是在IAR環境中OSAL操作系統上編程。首先在用戶應用層中初始化相關節點信息的配置以及相關事件處理的函數；然后在系統中添加任務。

　　在節點的配置過程中，首先確定應用中的設備類型，并為每個設備分配一個設備ID。然后確定設備間通訊的命令以及和每個設備的對應關系。創建簡單設備描述符結構，最后編寫相關的應用程序，確定綁定方案，使設備能夠正確的交換數據包。

　　在系統中終端為監控設備，應該配置為路由節點。從而實現Mesh網絡的組建。

　　終端設備包含兩個命令，它們分別是：輸入當前路燈狀態，主要是用來反饋當前路燈的電壓值和電流值，從而得到路燈的實時狀況；另外一個是，關于上位機對下位機的輸出控制指令來控制路燈的亮度以及開關。最終可以直接利用命令來控制各個功能的實現，從而保證了數據的安全性和通訊的可靠性，同時提高系統的通訊效率。

　　ZigBee中使用設備描述符數據結構來描述它們自己，包括在這些描述中的實際數據被定義在個人的設備描述符。

　　根據不同的命令實現相應的程序，在系統中主要包括對應NOW_STATE_CMD_ID命令的A／D采樣程序，得到路燈當前的電流以及電壓情況；以及LIGHT_CMD_ID命令的執行函數通過命令信息的數值調節IR2159的模擬信號輸入值，最終調節路燈的亮度。

　　最后進行控制信息從一個應用層到另一個應用層的綁定操作。綁定后允許應用層發送信息而不帶目的地址，APS層從它的綁定表格中確定目的地址，然后在信息前段加上這個目的地址或組地址。在路燈控制的過程中，其監控信息具有一定的群操作性。所以將每個節點的命令綁定每個終端控制節點并將其配置為路由節點，將每個區域的區域節點配置為協調節點。這樣按照一定的啟動順序后，經過網絡啟動以及網絡搜尋和加入，最終利用協議棧的網絡層可以組成相應的Mesh網絡。設備的程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

　　3 分析結果

　　在以上終端設計的基礎上實現了Mesh網絡的建立、通訊以及互操作性的測試，解決了網絡結構不穩定的問題。實驗表明能夠在部分路燈節點出現故障時，同樣能夠將所需的信息傳送到協調器上，同時由于采用的是Ad Hoc路由算法為最優路徑，傳輸時間有所減小。在此平臺上設計，路燈的照明方案實現對路燈信息的實時監控，從而達到節能的目的。

　　4 結論

　　介紹了基于ZigBee無線網絡技術的路燈節能監控系統，結合路燈分布的特點設計出無線的監控方案，在方便安裝的同時解決了電力線載波的跨相的同時，提高了系統的穩定性。滿足了節能路燈的通訊要求，最終解決了路燈節能系統的節電問題，系統中具有智能化，信息化的特點，在滿足人們照明要求的同時，避免了不必要的用電浪費，最終實現了節能的目的。