聂 磊
（上海华勤通信技术有限公司 上海 201203）
摘 要 基于ZigBee和CDMA2000协议的智能路灯控制系统可用于实现城市道路照明的智能化控制。本文简述了该系统的原理和架构，介绍了系统路灯控制器和网关的硬件设计以及各部分的软件设计，并在室外环境下对系统中心频率和误包率等参数性能进行了测试。所设计的系统应用于实际道路中，能有效减少公路照明的电能消耗并提高路灯的使用寿命。
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关键词 ZigBee，CDMA2000，远程控制
doi:10.3969/j.issn.1674-7933.2015.04.001
作者简介： 聂磊，男，1977 年生，通信工程工科学士，工程师，主要从事及研究领域：无线通信领域的智能化终端设计及无线通信模块定制化的细分行业应用、特别是WCDMA/CDMA2000/TDSCDMA 3G 制式及TDD-LTE/FDD-LTE 4G 制式的应用研究，Email ：lei.nie@propipr.com。
0 引言
目前，由于基础设施的条件限制，国内公路照明普遍缺少路灯级的通信链路，只能对整条道路的路灯进行统一控制，而无法对每一盏灯进行精确的控制[1]。另外，国内高速公路照明多数采用人工控制，只能根据不同时段，主观地决定灯具开关数量和方式，效率低、维护成本高[2]。
国外公路智能照明研究和实践开始的较早，技术相对成熟。依据交通量、速度和环境亮度进行自动调光技术于20世纪60年代在意、法等欧洲国家进行应用。国内智能照明起步较晚，主要研究方向集中于通过照明灯具的自动化设计来实现节能控制。比如光控灯具、声控灯具和设计照明亮度分析和计算软件，通过计算照明亮度等参数来评价和分析各种方案的性能等[3] [4]。
根据公路智能照明的应用场景与业务特征，本文设计了一套基于ZigBee和CDMA2000的智能路灯控制系统。ZigBee技术具有低功耗、低成本、短时延等特点，结合覆盖范围较广的3G网络，能够实现控制中心对整条公路路灯的集中智能控制。此外，系统还结合GPS、光线感应和地磁感应等技术，实现了多种照明控制策略。
1 系统原理和架构
ZigBee是ZigBee联盟在IEEE 802.15.4定义的物理层和MAC层基础之上制定的一种通信协议标准，主要定义了网络层和应用层规范[5]。ZigBee以2.4GHz为主要频段，能满足近距离无线连接的需要，但并不适用于公路照明应用场景下的复杂环境。因此，本系统采用具有较强的绕射和穿透能力的470MHz频段，结合ZigBee协议实现长距离的传输。
公路智能路灯控制系统网络体系架构包括感知层、网络层和应用层。处于应用层的控制中心通过网络层向各个感知层子网的网关结点发送控制命令和其他业务数据；网关节点控制感知层子网的组建和维护，并将来自控制中心的命令和数据分发给具体的目标设备；路灯控制器利用GPS模块、光线传感器和地磁传感器收集数据，并通过感知层和网络层与控制中心进行数据交互，然后根据控制中心设定的策略完成照明的智能控制。图1为智能路灯控制系统的网络架构图。
2 硬件系统设计
本节重点分析智能路灯控制系统中的路灯控制器和网关等硬件设备的设计方案。
2.1 路灯控制器
路灯控制器包括CC1120收发器、STM32微控制器、GPS模块、光线传感器、地磁基站和电源管理模块等部分。CC1100E是一款高性能射频收发器，设计旨在运用于极低功耗RF。STM32是基于ARM Cortex-M3内核的微控制器，具有高性能、低成本、低功耗等特性。微控制器通过控制射频收发器传输数据，并根据接收到的指令输出脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）信号调整路灯的亮度。通过GPS模块、光线传感器以及地磁基站所控制的地磁传感器，微控制器可获得所处环境的位置、光强和车流量信息将其上传给控制中心。路灯控制器硬件框图如图2所示。
另外，由于STM32输出的PWM信号幅度太小，不能直接驱动照明设备进行调光。因此PWM在送到照明设备之前，必须进行放大，图3为PWM放大电路。
2.2 网关
和路灯控制器一样，网关也具有CC1120收发器和STM32微控制器。此外，网关还包含CDMA2000传输模块MC323。MC323支持CDMA20001×800/1900MHz双频，并且内嵌了内嵌TCP/IP协议。网关模块硬件框图如图4所示。
STM32的工作电压为3.3V，而MC323的工作电压为3.8V，因此需要通过电压转换模块来完成两者之间的连接。电压转换模块原理图如图5所示。
3 软件系统设计
智能路灯控制系统中的软件部分包括：路灯控制器软件、网关软件和控制服务器中心软件。
3.1 路灯控制器软件设计
智能路灯控制系统采用适用于STM32的IAR集成开发环境作为路灯控制器软件的开发环境，通过ZigBee协议栈完成路灯控制器和网关之间的通信。路灯控制器开机之后，首先进行系统初始化，禁止看门狗并完成系统时钟和中断向量表的配置；随后进行接口的初始化，建立与各功能模块的连接；接口初始化完成之后，再进行各功能模块和系统调度的初始化，使得系统进入等待调度的状态；系统等待接收网关所传来的指令，并执行相应的任务。路灯控制器软件的流程图如图6所示。
路灯控制器与网关进行数据交互从而获得控制中心发送的任务指令，通过任务的执行可实现以下功能：①读取GPS模块测量的位置信息；②读取光线传感器测量的光强信息；③控制地磁基站，读取地磁传感器所测量的车流量信息；④将测量到的信息汇总，经过网关上传给控制中心；⑤根据控制中心制定的控制策略，完成路灯开关和亮度的控制。
3.2 网关软件设计
和路灯控制器一样，网关也采用STM32微控制器，因此两者的软件在结构和流程上基本一致。网关在开机之后依次进行系统初始化、接口初始化、功能初始化和系统调度。网关软件的流程图如图7所示。
网关是ZigBee无线传感网络与3G无线网络的连接设备，是保证感知层和网络层无缝连接的关键设备，因此网关的主要任务是完成路灯控制器和控制中心之间的数据转发。网关的CC1100E模块接收到来自ZigBee网络中控制设备发送的数据后，先进行数据格式的转换，使之符合CDMA2000协议，然后通过3G无线网络发送给控制中心。网关从控制中心接收到数据也需要先进行相应的转换，然后再通过ZigBee网络发送给路灯控制器。
3.3 控制中心服务器软件
控制中心的服务器软件是基于.net架构开发，能实现路灯当前状态的显示以及控制策略的选择。图8是控制中心服务器的软件结构图。
在与路灯控制器与控制中心服务器交互的过程中，服务器可以得到每盏路灯的位置、光强和车流量等信息，然后将其存储到后台数据库中。通过调用相关API，可以实现在卫星地图中显示当前路况中的每盏路灯的信息。根据所获得的信息，控制中心可实现时间控制触发、环境光强触发和车辆行进情况触发三种路灯控制策略。
时间控制触发即按照预设时间策略调节灯的开关与明暗。在部分公共区域可以通过时间控制，按照正常的工作时间安排灯的开关时间，使灯能够定时开或关。
并根据时间的不同自动的调整路灯的亮度。环境光强触发是指路灯亮度能随着环境光线亮度的变化而变化。在环境光线足够暗时，可以按照预设处理策略增加路灯的亮度；当环境光线够亮时，系统又可控制路灯为熄灭状态。车辆行进情况触发能使路灯根据地磁传感器反馈的车流量信息调整亮度。没有车辆经过时，按照预设时间策略调节灯的开关与明暗；在有车辆经过时，亮度调节到100%，经过一段延时后亮度调整为50%，在延时后车辆控制时段结束，回到按照预设时间策略调节灯的开关与明暗的状态。
4 系统测试和应用实例
4.1 系统测试
在室外环境下，设置系统硬件平台，使路灯控制器向网关发送数据。待系统稳定工作后，用矢量信号分析仪测量路灯控制器无线收发器的中心频率，观察矢量信号分析仪上的测试结果，如图9所示。
由图9可知，信号中心频率为471MHz，中心频率误差在允许范围内，符合设计要求。
将路灯控制器的发射功率固定为-9dBm，连续地向网关发送10 000个数据包。在不同的通信距离下，网关所接收到数据的误包率如表1所示。
由表1可知，在200米距离内，路灯控制器和网关之间的通信质量较高。因此在实际应用中，一般会保证路灯控制器和网关之间的距离不大于200米。
4.2 应用实例
我们将本文设计的智能路灯控制系统应用到了实际道路中。配置了该系统的道路全长123公里，有各式灯头2 517个，总功率831千瓦，路灯存在着能耗高、寿命短等不足。本文设计的系统能够有效减少公路的照明电能消耗，预计可实现年节约标煤2 700吨以上，并大大提高灯具的使用寿命。图10为系统安装配置完成后控制中心的用户界面。
5 结语
为了提高公路照明质量，降低能耗与运营成本，营造安全舒适的行车环境，本文设计了基于ZigBee和CDMA2000的智能路灯控制系统。所设计的系统被应用到实际道路中，应用实例表明能有效减少公路的照明电能消耗，提高路灯的使用寿命。
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参考文献
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程望斌, 刘盼, 黄奇卉, 周馨维, 易斯斯. 新型光控路灯控制系统的设计与实现[J]. 湖南理工学院学报（自然科学版）,2013(3):53-57.
马永明.新型声控灯的设计与制作[J].电子技术, 2013(1):32-35.
Alliance, ZigBee. ZigBee 2007 specification.2007.http://www.zigbee.org.