基于 ZigBee 的智能校园路灯调控系统的设计
摘要：以大学校园环境中的路灯设备的应用特点作为研究对象，设计了一种基于 ZigBee 技术的智能路灯调控系统。系统采用 MPS430F49 微控制器作为底层硬件控制及数据处理核心，CC2430/ZigBee 无线模块为中间信息交换平台，计算机为顶层监控终端的远程控制中心，实现了对校园路灯的智能调控。
关键词：CC2430/ZigBee；照明控制；无线网络；MSP430F149中图分类号：TM923.5；TP277 文献标识码：A 文章编号：1673-1131（2015）10-0050-02.
0 引言
作为校园里最为重要基础设施之一，路灯照明设备在校园安全、校园风貌和学生的日常学习生活中具有举足轻重的地位。针对校园环境及道路状况的特殊性，以及路路灯控制节能环保与智能化的发展趋势，本文设计了一种基于无线通信协议 ZigBee 技术的智能校园路灯调控系统。
1 Zigbee/CC2430 模块与 MSP430F149 单片机简介CC2430 芯片是用来实现 ZigBee 技术应用的单片系统，支持 IEEE802.15.4 /ZigBee 协议。其内部集成了 8051 内核和2.4 GHz 射频收发器，8 路 ADC、AES 和 MAC、以及 USART等外设，挂起方式下，芯片的电流小于 0.6 A，功耗极低。在此芯片基础上增加电源以及实时系统时钟，即可以实现嵌入式ZigBee 片上系统的应用。
MSP430F149 是一款 TI 公司生产的 16 位的超低功耗的混合信号微处理器，芯片内集成了 A/D、D/A 模块，SPI 及USART通讯模块，适合用于低功耗设备的核心控制，其丰富的片内资源可以满足大多数控制系统的设计要求。
2 系统整体方案的设计
2.1 系统整体框图
针对无线智能路灯调控系统的设计问题，将整个系统划分成三个模块分别进行研究，即：自动检测电路、无线传输模块、PC 监控模块，整体结构如图 1 所示。 2.2 系统各模块的设计2.2.1 自动检测电路的设计自动检测电路中的传感器与单片机电路一起直接固定在各路灯的支架臂上，针对设备故障的检测，采用了温度传感器对路灯节点进行温度检测，同时在路灯的配电电路中安装霍尔传感器检测有无电流通过，根据温度及电流判断路灯的工作状态是否正常。 道路信息的检测则采用了 MSP430F149 单片机分别控制光敏传感器、超声波传感器采集道路光照亮度、有无人及车辆通行等信息，并将信息通过 ZigBee 无线传输模块实时反馈到PC 中，从而实现对道路信息的实时监测；2.2.2 无线传输模块设计由于校园内的路灯数目不多，并且整个智能调控系统自动控制的参量有限，故所需传输的信息量很少，每次发送信息的时间间隔与信息的量也都很少。根据以上的应用特点，本系统采用以 ZigBee/CC2430 为核心的无线传输模块，利用其低速率、低功耗、高可靠性等特点，实现系统对节能性的需求，同时ZigBee工作在 2.4G的全球通用免费频段上，不会像使用GSM或者CDMA网络一样浪费许多无线电的资源，因此可以大幅地节省开发成本。
2.2.3 PC 监控模块设计
PC 机通过无线智能网络采集到的路灯状态，例如环境光照强度、故障率、耗电量等，根据实际情况设定相应的阈值来使监控中心自动向路灯节点发送改变工作状态的控制命令。
路灯节点根据这些命令对路灯进行操作，从而实现系统的灵活控制及每盏路灯的精确控制。
3 系统的硬件及软件设计
3.1 系统的硬件设计
系统硬件由安装在路灯灯杆上的路灯节点、路由节点，传感器模块，微控制模块以及无线网络及其监控中心组成，具体硬件结构如图 2 所示，以下分别介绍硬件设计方案中所涉及的各个模块的详细信息。 3.1.1 传感器模块设计温度传感器：通过对路灯电路的温度的检测，通过判断是否有异常升温，从而对系统工作状态进行评估，选用非接触式数字温度传感器DS18B20，其测温范围在-55℃至+125℃之间，最高分辨率为 0.0625℃，且具有易操作、体积小、成本低等特点。
光敏传感器：用于检测路灯周围环境的光照强度，设计选用光电倍增管，它是基于外光电效应的基本光电转换器件，具有体积小、灵敏度高、操作简单等特点.
超声波传感器：选用HC-SR04 超声波传感器模块，该模块性能稳定，测度距离精确，用于检测接近路灯的人或车辆。
由以上三个传感器模块组成的环境监控硬件模块能实时监控路灯的工作情况，并通过 MSP430 将数据发送到监控中心，由监控中心决定是否发送指令改变路灯的工作模式。
3.1.2 路灯子节点和路由节点的硬件设计
在系统的实际应用过程中路由节点与路灯子节点处于长时间工作状态，故需要其硬件结构简单，从而有效地降低系统功耗，本设计的路由节点与路灯子节点均采用 CC2430 模块，片内集成了 32MHZ 的系统时钟与 32.768KHZ 的实时时钟、JTAG 接口、UART 接口天线以及电源模块。路由节点与路灯子节点的硬件结构图如图 3 所示：
图 3 路由节点与路灯子节点的硬件结构图
3.1.3 故障检测模块设计
采用精密线性霍尔磁敏传感器，将线缆安装于互感器的电磁环境中，若发现电缆故障或偷盗情况，可迅速反应并通过ZigBee 传输网络将报警信号发送到主控端，报警信号中含有路灯编号及位置信息，故管理人员可以及时采取措施对设备进行相应的维护。
3.2 系统的软件的设计
根据环境监控硬件电路的各个传感器模块的操作方式与单片机通讯协议以及对 CC2430/ZigBee 模块自组网的操作，运用 IAR 软件进行编程实现对各个硬件模块的无线控制，数据传输，以及由 ZigBee 网络实时显示信息。监控中心的软件设计主要包括PC机的人机交互界面与系统状态显示软件，可以用 Java 语言编写相应的用户程序。
参考文献：
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