CN105960071B - 一种基于zll技术的智慧路灯互联系统及控制方法 - Google Patents

一种基于zll技术的智慧路灯互联系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于ZLL技术的智慧路灯互联系统及控制方法，包括上位机主机、ZLL网关和ZLL路灯节点模块，路灯节点包括电源和稳压模块、主控模块、环境亮度监测模块、LED路灯驱动模块和LED路灯模组，所述主控模块的输入端连接有环境亮度监测模块，所述主控模块的输出端依次连接有LED路灯驱动模块和LED路灯模组，所述主控模块还连接有电源和稳压模块；所述路灯网关包括电源及稳压模块、主控制模块和以太网模块，所述主控制模块分别与所述电源及稳压模块、以太网模块电连接。本发明可以实现对照明系统的远程控制，可进行PWM调光等功能，以达到使照明系统更加智能和节能的目的。

Description

一种基于ZLL技术的智慧路灯互联系统及控制方法
技术领域
本发明属于节能技术领域，具体涉及一种基于ZLL技术的智慧路灯互联系统及控制方法。
背景技术
目前，智慧城市和智能建筑开始受到广泛的关注，而智慧照明是实现智慧城市建设体系中非常重要的一环，实现智慧照明，需解决好两个关键问题：
一是实现绿色照明，即照明节能技术，使用LED照明比传统钠灯节能近60%，随着建设节约型社会理念的深入人心，LED照明这一节能环保的新型技术必定会对传统的照明技术带来巨大的冲击。随着技术的不断完善、行业的不断规范以及认知度的不断提高，国内户外照明采用LED光源越来越多，原有的户外照明将光源纷纷替换成LED，兴建道路及工程则大分部都使用LED光源。LED成为道路照明领域最为合适的电光源这一论断已被认可，甚至很多人认为未来很长一段时间LED将是道路照明采用的唯一电光源。
二是对照明的智能控制，随着物联网技术的发展，基于物联网的智慧照明系统成为可能，通过对城市的所有照明设施和景观设施安装智能控制器，各单灯智能控制通过现有的电力线进行通信连接，实现数据的传输。可将数据汇总到集中控制器，与监控中心进行远程通信，实现远程照明监测与控制。
Zigbee是一种结构简单、低功耗、低速率、低复杂度、低成本和可靠的无线网络通信技术，现在已广泛的用于工业控制、汽车自动化等领域。为深化ZigBee无线技术在智能照明领域的推广和发展，ZigBee联盟发布ZigBee Light Link标准（以下简称ZLL），为用户提供高效、灵活、易用的照明解决方案。
发明内容
发明目的：本发明目的在于克服传统路灯耗电量大、无法自动调节路灯亮度等问题，将Zigbee Light link技术引入到路灯中，设计了一种基于ZLL技术的智慧路灯互联系统及装置，给出了路灯互联拓扑结构图，设计了LED灯联网路灯节点装置，该装置包括路灯节点和ZLL网关，分析了路灯节点和ZLL网关的工作主要流程。通过该系统，可快速构建LED智慧照明控制系统，可实现对照明系统的远程控制，可进行PWM调光等功能，以达到使照明系统更加智能和节能的目的。
技术方案：本发明所述的一种基于ZLL技术的智慧路灯互联系统，包括上位机主机、ZLL网关和ZLL路灯节点模块，所述ZLL网关负责zigbee light link 协议与TCP/IP协议之间的转换，所述ZLL网关与ZLL路灯节点模块通过树型拓扑结构进行自组织网络连接；所述ZLL路灯节点模块包括电源和稳压模块、主控模块、环境亮度监测模块、LED路灯驱动模块和LED路灯模组，所述主控模块的输入端连接有环境亮度监测模块，所述主控模块的输出端依次连接有LED路灯驱动模块和LED路灯模组，所述主控模块还连接有电源和稳压模块，所述电源和稳压模块由DC电源和LDO稳压芯片构成，所述LED路灯驱动模块包括驱动电路和LED开关电源；所述ZLL网关包括电源及稳压模块、主控制模块和以太网模块，所述主控制模块分别与所述电源及稳压模块、以太网模块电连接，所述电源及稳压模块由DC电源和LDO稳压芯片构成。
进一步的，所述DC电源将220V交流转变为5V直流，LDO稳压模块5V供电，输出3.3V直流，为主控模块或主控制模块进行供电。
进一步的，所述LDO稳压模块采用REG1117-3.3芯片为核心。
进一步的，所述主控模块和主控制模块均采用CC2530片上系统，支持Zigbee无线通信方式和zigbee light link协议，以工业级8051微控制器为内核。
进一步的，所述环境亮度监测模块选用照度传感器，与主控模块自带的AD转换器进行连接，提供实时环境的亮度，主控模块根据亮度值改变PWM输出，利用CC2530自带的16位定时器生成PWM波形，再通过调整高电平和低电平的占空比，来调整LED路灯模组的亮度。
进一步的，所述驱动电路采用NCP5106驱动芯片，LED开关电源采用Buck型LED开关电源，通过驱动芯片改变LED开关电源的输出电压，从而改变LED路灯模组的亮度。
进一步的，所述LED路灯模组采用四模组组成，单模组集成36颗LED灯珠。
进一步的，所述以太网模块采用以太网接口芯片W5500，控制信号和数据通过以太网接口芯片上传到上位控制主机。
本发明还公开了上述一种基于ZLL技术的智慧路灯互联系统的控制方法，包括ZLL网关控制和ZLL路灯节点模块控制：
（A）ZLL网关控制：
（1）网关上电复位后，首先进行系统初始化，包括硬件初始化和协议栈初始化，初始化是通过ZSEG int main（）函数来实现；
（2）接着网关进行广播，网关发出scan request inter-PAN command frames 的广播包，通过RSSI来查找待配对的路灯节点，只需将网关与路灯靠近，zigbee网关可自动发现路灯，并获得LED灯具的详细信息；
（3）路灯被发现后，会给出应答信息，网关发送一个COMMAND_IDENTIFY命令，该命令带一个参数：SAMPLEREMOTE_CMD_IDENTIFY_TIME，路灯节点收到Identify命令后会给予相应，则设备标识成功；
（4）建立ZLL网络，ZLL网关发送一个network start request inter-PAN命令，网关等待上位机发送控制指令，并将指令转发给路灯节点；
（B）ZLL路灯节点模块控制：
（1）上电复位后，路灯节点首先进行系统初始化，通过调用ZSEG int main（）函数来实现包括硬件初始化和协议栈初始化；
（2）接着等待网关启动设备发现，成功被发现后，路灯节点通过发送ScanResponse来响应设备标识，在收到网关节点发送的Identify命令后通过zllTarget_RegisterIdentifyCB回调函数给予响应，此时路灯节点设备标识成功；
（3）路灯节点通过调用ZStatus_t zllTarget_PermitJoin(uint8 duration)函数加入网关发起的ZLL网络，等待网关发送的控制指令，并根据指令要求调用HalLedOnOff函数对路灯进行开、关控制，通过调用定时器函数以PWM方式进行路灯亮度调节。
有益效果：本发明基于无线Zigbee Light link机制，可快速构建LED智慧照明控制系统，克服了现有传统路灯耗电量大、无法智能控制的不足，设计一种LED灯联网路灯节点装置，该装置包括路灯节点和路灯网关，利用该装置可构建LED智慧照明控制系统，系统可以实现对照明系统的远程控制，可进行PWM调光等功能，以达到使照明系统更加智能和节能的目的。
附图说明
图1为本发明路灯系统整体结构框架图；
图2为本发明的ZLL路灯节点模块结构原理框图；
图3为本发明的ZLL网关结构原理框图；
图4为本发明ZLL网关工作流程图；
图5为本发明ZLL路灯节点模块工作流程图。
具体实施方式
一种基于ZLL技术的智慧路灯互联系统，包括上位机主机、如图3所示的ZLL网关和如图2所示的ZLL路灯节点模块，所述ZLL网关负责zigbee light link 协议与TCP/IP协议之间的转换，所述ZLL网关与ZLL路灯节点模块通过如图1所示的树型拓扑结构进行自组织网络连接。
如图2所示，所述ZLL路灯节点模块包括电源和稳压模块、主控模块、环境亮度监测模块、LED路灯驱动模块和LED路灯模组，所述主控模块的输入端连接有环境亮度监测模块，所述主控模块的输出端依次连接有LED路灯驱动模块和LED路灯模组，所述主控模块还连接有电源和稳压模块，所述电源和稳压模块由DC电源和LDO稳压芯片构成，所述LED路灯驱动模块包括驱动电路和LED开关电源。
如图3所示，所述ZLL网关包括电源及稳压模块、主控制模块和以太网模块，所述主控制模块分别与所述电源及稳压模块、以太网模块电连接，所述电源及稳压模块由DC电源和LDO稳压芯片构成。
所述DC电源将220V交流转变为5V直流，LDO稳压模块5V供电，输出3.3V直流，为主控模块或主控制模块进行供电。
所述LDO稳压模块采用REG1117-3.3芯片为核心。
所述主控模块和主控制模块均采用CC2530片上系统，支持Zigbee无线通信方式和zigbee light link协议，以工业级8051微控制器为内核。
所述环境亮度监测模块选用照度传感器，与主控模块自带的AD转换器进行连接，提供实时环境的亮度，主控模块根据亮度值改变PWM输出，利用CC2530自带的16位定时器生成PWM波形，再通过调整高电平和低电平的占空比，来调整LED路灯模组的亮度。
所述驱动电路采用NCP5106驱动芯片，LED开关电源采用Buck型LED开关电源，通过驱动芯片改变LED开关电源的输出电压，从而改变LED路灯模组的亮度。
所述LED路灯模组采用四模组组成，单模组集成36颗LED灯珠，且灯珠按特定方式进行排列组合以提高照度均匀性。
所述以太网模块采用以太网接口芯片W5500，控制信号和数据通过以太网接口芯片上传到上位控制主机。
本发明通过采用TI公司的Z-Stack协议栈，具体版本是Z-Stack Lghting1.0.2协议栈，该协议栈是针对ZLL应用开发的专用协议栈。软件开发平台选用IAR EembeddedWorkbench。嵌入式软件设计包括路灯网关和路灯节点两个部分。
如图4和图5所示，上述一种基于ZLL技术的智慧路灯互联系统的控制方法，包括ZLL网关控制和ZLL路灯节点模块控制：
（A）ZLL网关控制：
（1）网关上电复位后，首先进行系统初始化，包括硬件初始化和协议栈初始化，初始化是通过ZSEG int main（）函数来实现；
（2）接着网关进行广播，网关发出scan request inter-PAN command frames 的广播包，通过RSSI来查找待配对的路灯节点，只需将网关与路灯靠近，zigbee网关可自动发现路灯，并获得LED灯具的详细信息；
（3）路灯被发现后，会给出应答信息，网关发送一个COMMAND_IDENTIFY命令，该命令带一个参数：SAMPLEREMOTE_CMD_IDENTIFY_TIME，路灯节点收到Identify命令后会给予相应，则设备标识成功；
（4）建立ZLL网络，ZLL网关发送一个network start request inter-PAN命令，网关等待上位机发送控制指令，并将指令转发给路灯节点；
（B）ZLL路灯节点模块控制：
（1）上电复位后，路灯节点首先进行系统初始化，通过调用ZSEG int main（）函数来实现包括硬件初始化和协议栈初始化；
（2）接着等待网关启动设备发现，成功被发现后，路灯节点通过发送ScanResponse来响应设备标识，在收到网关节点发送的Identify命令后通过zllTarget_RegisterIdentifyCB回调函数给予响应，此时路灯节点设备标识成功；
（3）路灯节点通过调用ZStatus_t zllTarget_PermitJoin(uint8 duration)函数加入网关发起的ZLL网络，等待网关发送的控制指令，并根据指令要求调用HalLedOnOff函数对路灯进行开、关控制，通过调用定时器函数以PWM方式进行路灯亮度调节。
本发明基于无线Zigbee Light link机制，可快速构建LED智慧照明控制系统，克服了现有传统路灯耗电量大、无法智能控制的不足，设计一种LED灯联网路灯节点装置，该装置包括路灯节点和路灯网关，利用该装置可构建LED智慧照明控制系统，系统可以实现对照明系统的远程控制，可进行PWM调光等功能，以达到使照明系统更加智能和节能的目的。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种基于ZLL技术的智慧路灯互联系统的控制方法，其特征在于：该基于ZLL技术的智慧路灯互联系统包括上位机主机、ZLL网关和ZLL路灯节点模块，所述ZLL网关负责zigbeelight link协议与TCP/IP协议之间的转换，所述ZLL网关与ZLL路灯节点模块通过树型拓扑结构进行自组织网络连接；所述ZLL路灯节点模块包括电源和稳压模块、主控模块、环境亮度监测模块、LED路灯驱动模块和LED路灯模组，所述主控模块的输入端连接有环境亮度监测模块，所述主控模块的输出端依次连接有LED路灯驱动模块和LED路灯模组，所述主控模块还连接有电源和稳压模块，所述电源和稳压模块由DC电源和LDO稳压芯片构成，所述LED路灯驱动模块包括驱动电路和LED开关电源；所述ZLL网关包括电源及稳压模块、主控制模块和以太网模块，所述主控制模块分别与所述电源及稳压模块、以太网模块电连接，所述电源及稳压模块由DC电源和LDO稳压芯片构成；
其控制方法包括ZLL网关控制和ZLL路灯节点模块控制：
(A)ZLL网关控制：
(1)网关上电复位后，首先进行系统初始化，包括硬件初始化和协议栈初始化，初始化是通过ZSEG int main()函数来实现；
(2)接着网关进行广播，网关发出scan request inter-PAN command frames的广播包，通过RSSI来查找待配对的路灯节点，只需将网关与路灯靠近，zigbee网关可自动发现路灯，并获得LED灯具的详细信息；
(3)路灯被发现后，会给出应答信息，网关发送一个COMMAND_IDENTIFY命令，该命令带一个参数：SAMPLEREMOTE_CMD_IDENTIFY_TIME，路灯节点收到Identify命令后会给予响应，则设备标识成功；
(4)建立ZLL网络，ZLL网关发送一个network start request inter-PAN命令，网关等待上位机发送控制指令，并将指令转发给路灯节点；
(B)ZLL路灯节点模块控制：
(1)上电复位后，路灯节点首先进行系统初始化，通过调用ZSEG int main()函数来实现包括硬件初始化和协议栈初始化；
(2)接着等待网关启动设备发现，成功被发现后，路灯节点通过发送Scan Response来响应设备标识，在收到网关节点发送的Identify命令后通过zllTarget_RegisterIdentifyCB回调函数给予响应，此时路灯节点设备标识成功；
(3)路灯节点通过调用ZStatus_t zllTarget_PermitJoin(uint8duration)函数加入网关发起的ZLL网络，等待网关发送的控制指令，并根据指令要求调用HalLedOnOff函数对路灯进行开、关控制，通过调用定时器函数以PWM方式进行路灯亮度调节。
2.根据权利要求1所述的一种基于ZLL技术的智慧路灯互联系统的控制方法，其特征在于：所述DC电源将220V交流转变为5V直流，LDO稳压芯片5V供电，输出3.3V直流，为主控模块或主控制模块进行供电。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于ZLL技术的智慧路灯互联系统的控制方法，其特征在于：所述LDO稳压芯片采用REG1117-3.3芯片为核心。
4.根据权利要求1所述的一种基于ZLL技术的智慧路灯互联系统的控制方法，其特征在于：所述主控模块和主控制模块均采用CC2530片上系统，支持Zigbee无线通信方式和zigbee light link协议，以工业级8051微控制器为内核。
5.根据权利要求1所述的一种基于ZLL技术的智慧路灯互联系统的控制方法，其特征在于：所述环境亮度监测模块选用照度传感器，与主控模块自带的AD转换器进行连接，提供实时环境的亮度，主控模块根据亮度值改变PWM输出，利用CC2530自带的16位定时器生成PWM波形，再通过调整高电平和低电平的占空比，来调整LED路灯模组的亮度。
6.根据权利要求1所述的一种基于ZLL技术的智慧路灯互联系统的控制方法，其特征在于：所述驱动电路采用NCP5106驱动芯片，LED开关电源采用Buck型LED开关电源，通过驱动芯片改变LED开关电源的输出电压，从而改变LED路灯模组的亮度。
7.根据权利要求1所述的一种基于ZLL技术的智慧路灯互联系统的控制方法，其特征在于：所述LED路灯模组采用四模组组成，单模组集成36颗LED灯珠。
8.根据权利要求1所述的一种基于ZLL技术的智慧路灯互联系统的控制方法，其特征在于：所述以太网模块采用以太网接口芯片W5500，控制信号和数据通过以太网接口芯片上传到上位控制主机。
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