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基于ZigBee技術(shù)和LED光源的路燈系統(tǒng)，是一種自動(dòng)化成度高、高效節(jié)能的城市照明系統(tǒng)。LED光源是一種高效能、環(huán)保、安全、耐用的新型照明光源，而無線控制技術(shù)其可以對于路燈照明系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)高效的控制和資源整合，合理調(diào)整照明時(shí)間，不僅可以節(jié)省照明系統(tǒng)的用電量，而且可以延長照明燈具的使用壽命，減少日常維護(hù)的開支。

1. 系統(tǒng)方案與設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由三大部分構(gòu)成：控制中心的監(jiān)控系統(tǒng)，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)終端控制節(jié)點(diǎn)和控制中心通信的路由節(jié)點(diǎn)，固定在路燈桿上的終端控制節(jié)點(diǎn)。無線路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。

控制中心的監(jiān)控系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)與無線收發(fā)模塊構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)建立和管理路燈控制網(wǎng)絡(luò)，顯示路燈狀況信息和發(fā)送控制命令，協(xié)調(diào)整個(gè)路燈系統(tǒng)的運(yùn)作。路燈終端節(jié)點(diǎn)包括LED電源驅(qū)動(dòng)，為大功率LED提供電力，并能根據(jù)微控制器的控制信號控制LED的工作情況;光敏傳感器、溫度傳感器，直接將LED工作狀況傳輸給控制模塊;功率檢測模塊，檢測LED功率情況、供電故障并向上報(bào)警，無線模塊，負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)。將本系統(tǒng)模型與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行對應(yīng)，不難發(fā)現(xiàn)，安置在路燈桿上的終端控制節(jié)點(diǎn)即為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)(RFD)，控制中心監(jiān)控系統(tǒng)就是協(xié)調(diào)器(COORD)，實(shí)現(xiàn)COORD與RFD之間無線通信的為路由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)(ROUTER)。遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)使用ZigBee與GRPS混合組成的網(wǎng)絡(luò)。子網(wǎng)和中央控制中心使用GPRS網(wǎng)絡(luò)來傳輸數(shù)據(jù)。下面具體介紹終端節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)方案。

1.1 LED節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)

LED節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)方案使用UCC28810EVM，它是一款恒流非隔離式電源，適用于街道、停車場或區(qū)域范圍照明等高亮度LED照明應(yīng)用。該設(shè)計(jì)可將通用電源(90~265VRMS)轉(zhuǎn)換成0.9A恒流源，能夠驅(qū)動(dòng)100W LED負(fù)載。UCC28810EVM電路如圖2.1所示。

此電路使用雙級設(shè)計(jì)，第一級是UCC28810的轉(zhuǎn)換模式電路，將AC電源轉(zhuǎn)換成36V的DC電源。第二級也采用UCC28811的轉(zhuǎn)換模式，將恒壓源轉(zhuǎn)換為0.9A恒流源。電路中使用的UCC28810 和UCC28811芯片是通用照明電源控制器，具有PFC(功率因數(shù)校正)功能，確保設(shè)計(jì)方案滿足各種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的諧波電流或功率因數(shù)要求。并且UCC28810/11控制器提供如電流峰值限制、復(fù)位定時(shí)器、過壓保護(hù)(OVP)和使能等特性，UCC28810/11控制器引腳如表2.1所示。

第一級在低負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行下，升壓跟隨器可跟蹤AC輸入的峰值電壓，實(shí)現(xiàn)更高效率。第二級將PFC輸出電壓轉(zhuǎn)換為0.9A的固定電流，以驅(qū)動(dòng)LED負(fù)載。第二級不僅可接受 PWM調(diào)光輸入(從外部或從板級電路均可)，而且還可相應(yīng)開啟或關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)LED電流的PWM調(diào)光。此方案的優(yōu)勢在于，使用了高效的專用驅(qū)動(dòng)IC，電源轉(zhuǎn)化效率更高了，在低負(fù)荷線路(low-line)運(yùn)行狀態(tài)下，升壓跟隨器可跟蹤AC輸入的峰值電壓，在輸入電壓±15%的變動(dòng)時(shí)，仍能保持輸出電流變動(dòng)穩(wěn)定在±10%內(nèi)。

1.2 狀態(tài)檢測與報(bào)警

狀態(tài)報(bào)警與檢測主要包括溫度感測和感光檢測兩部分內(nèi)容。

1.2.1 溫度感測

由于大功率白光LED照明和驅(qū)動(dòng)器發(fā)熱量都很大，所以需要一個(gè)溫度感測傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控路燈的溫度，并向控制中心反映，如果溫度超過警戒溫度，控制器進(jìn)入報(bào)警模式，將自動(dòng)關(guān)閉路燈，并向控制器發(fā)送報(bào)警命令。溫度傳感器使用DS18B20。DS18B20是DALLAS生產(chǎn)的一款數(shù)字溫度傳感器。其特點(diǎn)有：獨(dú)特的一線接口，只需要一個(gè)端口即可通信。電路無需外部元件，可用數(shù)據(jù)總線供電，也可外接VCC。工作電壓范圍廣，為3.0V～5.5V，無需備用電源。測量溫度范圍為-55°C～+125℃，在-10°C～+85°C范圍內(nèi)精度為±0.5°C。DS18B20具有工作電路簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)。DS18B20應(yīng)用范圍包括恒溫控制，工業(yè)系統(tǒng)，消費(fèi)電子產(chǎn)品溫度計(jì)，或任何熱敏感系統(tǒng)。

1.2.2 感光檢測

系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)使用光敏電阻傳感器測量周圍環(huán)境的光亮度，當(dāng)傍晚時(shí)周圍環(huán)境還有余光時(shí)，將路燈開啟為單雙燈模式，當(dāng)晚上天全黑了以后，將路燈全部打開，當(dāng)凌晨4點(diǎn)左右出現(xiàn)晨光時(shí)將路燈調(diào)節(jié)成半功率工作模式。在陰天和沙塵暴天氣時(shí)，光敏傳感器堅(jiān)持到道路能見度低，路燈也可自動(dòng)打開，保證道路正常照明。本設(shè)計(jì)使用光敏三極管作為感光元件測量周圍環(huán)境的亮度，處理器實(shí)時(shí)將周圍環(huán)境的亮度通過無線模塊反饋給控制中心，由控制中心決定是否打開路燈。電路圖如圖2.2所示。

1.3 無線模塊設(shè)計(jì)

無線通信模塊使用CC2480/ZigBee模塊，在單個(gè)芯片上集成了ZigBee射頻前端、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器，支持2.4GHzIEEE802.15.4協(xié)議。CC2480/無線性能出色，功耗很低。CC2480電路圖如圖2.3所示。

在CC2480的內(nèi)部整合了ZigBee射頻前端和內(nèi)存，片內(nèi)具有128 KB Flash、8 KB SRAM、2路12位的ADC、4個(gè)軟件計(jì)時(shí)器、復(fù)位電路、SPI和UART通信端口等硬件資源。CC2480采用CMOS工藝，工作電流僅為27 mA。當(dāng)系統(tǒng)處于空閑時(shí)，CC2480能自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，并能實(shí)現(xiàn)休眠與主動(dòng)模式的超短時(shí)間轉(zhuǎn)換，電路晶振XTAL1選用32MHz，晶振XTAL2選用32.768kHz。32.768kHz的晶振用于睡眠模式給期間提供時(shí)序，這樣降低電流、可以減少功耗。這樣特別適合對功耗和電池壽命要求嚴(yán)格的應(yīng)用場合。CC2480采用7mm×7mm QLP封裝，共有48個(gè)引腳?？煞譃镮/O端口線引腳、電源線引腳和控制線引腳3類。CC2480模塊可以直接與上位機(jī)之間通過串口通信，本系統(tǒng)選用異步串口模式。

1.4 微控制器電路設(shè)計(jì)

MSP430是一類具有16位總線的帶FLASH的單片機(jī)，由于其性價(jià)比和集成度高，受到廣大技術(shù)開發(fā)人員的青睞.它采用16位的總線，外設(shè)和內(nèi)存統(tǒng)一編址，尋址范圍可達(dá)64K，還可以外擴(kuò)展存儲(chǔ)器.具有統(tǒng)一的中斷管理，微控制器具體連接電路圖如圖2.4所示。

MSP430具有豐富的片上外圍模塊，片內(nèi)有精密硬件乘法器、兩個(gè)16位定時(shí)器、一個(gè)14路的12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個(gè)看門狗、6路P口、兩路USART通信端口、一個(gè)比較器、一個(gè)DCO內(nèi)部振蕩器和兩個(gè)外部時(shí)鐘，支持8MHz的時(shí)鐘。因?yàn)槭荈LASH型，則可以在線對單片機(jī)進(jìn)行調(diào)試和下載，且JTAG口直接和FET(FLASH EMULATION TOOL)的相連，不須另外的仿真工具，方便實(shí)用，而且，可以在超低功耗模式下工作，對環(huán)境和人體的輻射小，測量結(jié)果為100mw左右的功耗(電流為14mA左右)，可靠性能好，加強(qiáng)電干擾運(yùn)行不受影響，適應(yīng)工業(yè)級的運(yùn)行環(huán)境。MSP430單片機(jī)的P3.4、P3.5端口設(shè)置成串口0(ΜSART0)的收發(fā)口與CC2480的異步串口相連，它們之間實(shí)現(xiàn)串口通信。單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)給CC2480，CC2480就可以無線發(fā)送出去，CC2480接收到無線數(shù)據(jù)也透明傳送給單片機(jī)。