基于ZigBee的无线智能路灯控制系统

摘 要

目前我国科学技术发展迅速，高新技术不断完善发展，但是公共照明方面智能化程度仍然低下，存在一些缺陷，从而产生了路灯通信不稳定、管控不方便、电力和人力资源浪费等隐患。为改善这种局面，攻克公共照明系统中现存的难关，本文将基于拥有诸多优点的短距离无线通信技术ZigBee技术来设计一种无线智能路灯控制系统，预期此种系统可以成功实现对路灯的即时监测以及远程控制。本文将依照总分总的逻辑顺序进行叙述：首先介绍基于ZigBee的无线智能路灯控制系统课题的研究背景和现状、研究目的及意义；其次介绍ZigBee技术的相关知识；然后进行基于ZigBee的无线智能路灯控制系统的硬件部分研究设计和软件部分的程序开发；最后记录安装的结果和测试的数据。
关键词：ZigBee 无线智能路灯 控制 浪费 设计

1 硬件方案

1.硬件方案设计

硬件方案设计包括协调器节点和终端节点设计。协调器节点需要实现的功能有：实时监测的功
能、对终端节点的控制功能、与上位机及终端节点进行通信的功能。终端节点需要实现的功能有：天黑及有人的感应功能、照明灯亮灭的功能、以及与协调器节点通信的功能。

2 核心芯片选型

设计核心芯片选用E18-MS1-PCB CC2530 ZigBee 模块。它是体积极小的一款无线模块，是一款高品质工业级元器件，应用范围极广，芯片有着丰富的引脚，可以实现大量的功能。
E18-MS1-PCB采用美国德州仪器（TI）公司原装进口CC2530射频芯片，芯片内部集成了8051单片机及无线收发器，并适用于ZigBee设计及2.4GHz IEEE 802.15.4协议[6]。

3 协调器节点硬件设计

协调器节点由CC2530模块、电源模块、WIFI通信模块、显示模块、按键控制模块组成，与上位机和终端节点进行无线通信从而进行数据传输。

1.CC2530接口电路模块
CC2530 模块是电路的核心部分，其内部集成了通信芯片，有用户控制IO口和串行数据等功能接口，根据所烧录的程序进行工作。CC2530核心板接口电路图和实物图如图3.7所示。此模块搭建出复位电路，为CC2530模块提供复位信号；同时为各个单元电路分配固定控制引脚，建立核心板与单元电路之间的信息通信。

图3.7(a) CC2530核心板接口电路实物图

4 软件方案

4.1软件方案设计

ZigBee技术的核心是几万行的ZigBee／IEEE802.15.4源代码即ZigBee协议栈[7]。本设计的软件开发程序在源代码的基础上进行了部分改写，从而成功实现所需功能。

4.1.1开发环境介绍

（1）CC2530软件开发工具IAR
CC2530的软件开发环境是IAR Embedded Workbench。IAR开发工具用于编译和调试嵌入式系统应用程序开发工具，且支持多种汇编语言[8]。使用IAR进行编译可以优化和精简代码，从而节省存储空间，提高产品竞争力。其工作界面如图4.1所示。

图4.1 IAR工作界面
（2）上位机显示界面开发工具OneNET云平台
OneNET是由中国移动推出的物联网开放云平台，为用户提供了丰富的软硬件开发工具和可靠数据通信服务，为各类终端设备接入网络提供了基础的平台[9]。

4.2 下位机程序设计

ZigBee的整个硬件运作通过ZigBee协议栈实现。在使用时，在应用层的SampleApp.c这个C文件中修改或增添功能程序，就可达到本设计的功能。
实现本设计时只需要修改APP文件夹中的代码，调用ZigBee协议栈中的API函数。APP文件夹中包含了app.c、cc2530_it.c、OSAL_SampleApp.c、SampleApp.c、SampleAppHw.c如图4.2所示。其中app.c是应用程序开发的主要
代码文件[10]。

5安装与测试

5.1 实物安装

如图5.1进行实物的安装。左为协调器节点，右为终端节点。

图5.1 基于ZigBee的无线智能路灯实物图

5.2 功能测试

1.协调器控制测试
手动模式：按下协调器控制按键手动模式，此模式下可以人为调控灯光等级，从而可以使终端节点的LED灯发出
不同强度的光亮。如图5.2所示手动控制灯光等级为3级。

图5.2 手动控制测试(3级)
自动模式：按下协调器控制按键自动模式，此模式下光线传感器和人体红外感应模块共同作用，检测天黑且有人的情况，对于不同的灯光等级以及有人无人的情况，使终端节点的LED灯发出不同强度的光亮。如图5.3所示遮蔽光线传感器模拟天黑且有人的情况，LED灯亮。

5.3测试总结

经过多次实验测试，得出了路灯控制系统可以实现预期功能且误差较小的结论。在手动模式下可以人为调控灯光等级，光线亮度不会影响。在自动模式无人的情况下，无论光线亮度如何，终端路灯都不会亮起；在自动模式有人的情况下：光线亮度在25%—30%之间，终端路灯亮起灯光等级为1级；光线亮度在20%—25%之间，终端路灯亮起灯光等级为2级；光线亮度在15%—20%之间，终端路灯亮起灯光等级为3级；光线亮度在10%—15%之间，终端路灯亮起灯光等级为4级；光线亮度在1%—10%之间，终端路灯亮起灯光等级为5级。

6 总结

本文圆满设计了基于ZigBee的无线智能路灯控制系统方案，并根据设计方案制成了实物，并且完成了测试，随之得出如下结论：
1.基于ZigBee的无线智能路灯控制系统有手动和自动两种控制模式。手动模式下可以人为操控灯光等级，自动模式下依据传感器监测感应路灯自动输出不同等级的灯光亮度。
2.设计实现了光线强度测量功能以及有人无人的监测功能，监测的结果可在OneNET平台设计的应用页面显示。
3.当在有人且光线亮度低于30%时终端照明灯将会亮起，其余情况不亮。从设计的测试结果可以看出，本次设计达到了预期的设计目的。但是经过分析得出，实际运用时本设计还存在一些不足：
1.本设计没有加入路由节点，故通信距离相对较短，在实际情况中可加入路由节点以延长通信距离。
2.在准确度方面任然存在不足，协调器显示模块和上位机显示的数据存在微小的误差。
3.本设计中的人体红外感应模块在有人但是人没有动作的一段时间之后就不会检测到有人，在实际使用时需加
以调整。