1、无线LED路灯远程控制方案与关键技术分析无线LED路灯远程控制方案与关键技术分析LED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
2、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 sy
3、stem. 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 o
4、f 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
5、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
6、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%
7、，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
8、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
9、（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
10、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
11、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L
12、ED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
13、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
14、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
15、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13
16、km。ZigBee的特点主要有以下几个方面： 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。 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。 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。 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
17、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。 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。 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。 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。
18、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
19、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。1.4
20、.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
21、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
22、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
23、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
24、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
25、，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
26、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
27、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
28、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
29、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： 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。 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
30、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。 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。 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
31、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： 处理速度快， 拥有较大的储存空间， 功耗低， 集成度高，减少外围器件的使用， 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
32、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
