随着我国城市化步伐的加快，城市照明建设作为体现城市形象的作用日益受到重视，同时城市照明的管理范围日益扩大，城市的建设发展对道路照明以及景观照明提出了更高更新的要求，这就使得城市照明的管理难度越来越大，运营成本也越来越高。作为城市照明的管理部门迫切需要一种现代化的管理系统平台，来提高管理效率和水平。同时随着国家节能减排的目标的确定，政府对城市照明的降耗等也都提出了明确的要求，据此如何通过采用现代化技术，将高新技术与传统的运行管理模式相结合是实现绿色照明、提高管理效率和降低运行成本的关键，而单灯节能监控系统正是基于此而提出的。
1单灯节能监控方式
所谓单灯监控方式就是将监控装置安装在每盏路灯内，通过远程通讯对各个路灯的状态进行检测和控制的方式，这种方式可以检测到每个路灯的状态以及线路情况，能够及时发现路灯故障、老化及断路等问题，方便维修管理，保证亮灯率，同时可以做到分散节能。系统结构框图如图1所示。
目前国内城市照明管理主要使用集中无线照明监控系统。这一系统的应用大大提高了城市照明的管理水平，既提高了工作效率同时又降低了管理成本。但是由于目前的无线监控点(以下称为“终端”)基本上都安装于路灯控制箱侧，属于集中监控，其只能对整条路段的运行情况(包括：电压、电流、功率、温度、接触器状态等)进行检测或控制，这种监控方式存在一定的局限性，而单灯监控恰恰能弥补这些局限性，表1对两种监控方式进行了详细的比较。
通过比较可以发现单灯节能监控方式具有一定的应用价值，其非常适合于照明要求标准较高或有分散节能和半夜灯控制需求的场合，比如高速工作、机场跑道以及较重要的景观路段等。
2 ZigBee无线技术
现有市场上的单灯控制系统中的单灯控制器控制单元与集中单元多采用电力线扩频载波通信技术。电力线载波通信即指利用电力线路作为通信信道，将信号调制到高频载波上进行传输的一种通信方式。电力线载波通信具有投资小、见效快和能有效地利用电力线路资源等优点，一直在电力系统通信中使用。但是电力载波也具有其固有的缺点：随着距离增大信号会快速衰减;对于公用变压器线路工频谐波干扰大;负载变动带来电噪声大。对于一些中小型城市，电力线路复杂，相对干扰比较大，造成通信的可靠性不高，因此较难进行市场推广。
而ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗的无线网络技术，它是介于无线标记技术和蓝牙之间的技术方案。Ziggee的基础是IEEE 802.15.4。IEEE 802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4 GHz物理层和868/915 MHz物理层，它们都基于DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频)。2.4 GHz波段为全球统一的无需申请的ISM频段，有助于ZigBee设备的推广和生产成本的降低。ZigBee技术的特点包括以下几个方面：
省电 由于工作周期很短、收发信息功耗较低，并且采用了休眠模式，因此ZigBee技术可以确保2节五号电池支持长达6个月到2年的使用时间。不同的应用对应的功耗自然是不同的。
可靠 采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方韵确认信息。
成本低模块价格低廉，且ZigBee协议是免专利费的。
时延短 针对时延敏感的应用作了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为30 ms，休眠激活时延典型值是15 ms，活动设备信道接人时延为15 ms。
网络容量大 ZigBee可以采用星形、网状、串状结构组网，而且可以通过任一节点连接组成更大的网络结构。从理论上讲，其可连接的节点多达64 000个。1个ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和1个主设备，1个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络。
自组网功能 ZigBee具有多级路由功能，并且其可根据算法自适应组建网络，即使发生节点损坏的情况其也能立即重新构建网络。
安全 ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。
全球通用性和完好的开放性 ZigBee标准协议，使ZigBee设备间的通信成为轻而易举的事情。
从以上的优点可以看出，ZigBee非常适合于低成本、短距离、多节点、可靠性要求高、低数据流量的通讯系统，而单灯监控恰恰就是这样一种系统，将ZigBee技术应用于单灯监控具有非常良好的发展前景。
3研究的内容及实施方案
3.1 CC2430的功能及其应用
CC2430是Chipcon公司生产的一颗真正的系统芯片(SoC)CMOS，其集成了符合IEEE 802.15.4协议2.4 GHz射频收发器和8051微处理器。CC2430使用1个8位MCU(8051)，具有128 kB可编程闪存和8 kB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器(Timer)、AES128协同处理器、看门狗定时器(Watch-dog-timer)、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power-On-Reset)、掉电检测电路(Brown-out-detection)，以及21个可编程I/O引脚。
CC2430建立网络，收发数据是建立在ZigBee协议栈的基础上。ZigBee的协议栈如图2所示。
用户要开发使用CC2430 ZigBee芯片，首先要熟悉ZigBee的协议栈，并根据开发需要对应用层编程实现自己的开发要求。目前，TI公司已完全公开了CC2430的ZigBee协议栈程序，所以程序开发过程相对较易实现。
3.2单灯控制器控制单元与集中单元的组网方式
ZigBee的网络拓扑结构分为：星型结构、网状结构和树状结构，具体如图3所示。由于CC2430可靠收发距离为100 m，所以对于单灯控制系统中的网络拓扑可以采用树状结构，使用路由功能传输。CC2430可以实现10级路由，根据ZigBee的组网方式可以实现自动组网。
4单灯节能的实现方法
在该系统中，单灯节能方式分为两种：半夜灯控制方式的方法和限流方法。
半夜灯控制方式是指在偏僻路段到后半夜有规律的关闭一部分路灯以达到节能的目的的方法。而限流方式节能是通过在原有的路灯供电电路中再串入一个电抗器，通过增大电抗值来限制流过的路灯的工作电流的大小，从而达到节电的目的。使用这种方案的路灯可按预先设置的时间或单灯控制器的命令，在道路上车流与行人稀少时，由转换开关串入电抗器，减少流过路灯的电流，使路灯灯泡在节电状态下运行。根据实际试验的结果表明可节电30%以上。在限流过程中整个路灯照明系统的电压没有改变，虽然灯泡功率降低了，照度有所降低，但其照度的均匀度不变，没有阴暗区，道路照度基本能够满足夜间交通安全的要求。系统在功率变换时，线路功率因数也自动调整，使线路功率因数始终处于最佳状态，减少了线路的无功损耗。限流节电需要在每一盏路灯中安装单灯节电设备，因此安装、维护量较大。但是这却克服了配电箱端集中降压节电导致线路末端电压过低，使线路末端路灯照度太低，重新起辉、频闪和自熄等现象造成整条线路照度不均等问题。
5集中单元与总微机控制室的通信
安装在路灯控制箱内的监控终端主机下行采用ZigBee无线通讯技术与单灯控制器通讯，上行采用GPRS通信方式与监控中心的远程微机联网。监控终端主机除了具有下行和上行的通信接口外，还负责对路灯控制箱内所有的数据采集、管理和控制;监控终端主机除了能够根据本地运行情况实现本地闭环控制外，还能接收远程微机命令执行各种控制。
监控终端主机接收到远程微机的单灯设备的控制和采集信息后进行处理，把单灯运行数据发给远程微机，将控制命令发送给相应的单灯控制器，同时也将运行不正常的单灯设备上报给远程微机，保证远程微机随时了解每盏灯的运行情况，实现单灯监控。
上述设计的方案已经通过某城市照明节能监控系统的验证，所有的功能均已实现，取得较好的成果。
6 结 语
在现代社会中，城市照明不仅与市民生活息息相关，同时也体现了现代城市的形象，因此具有极其重要的社会意义。城市路灯单灯监控系统能将传统的人工“被动巡灯”制度改为“电脑值班”制度，降低了维护成本，产生了极大的经济效益。单灯节能监控系统提高开、关灯的可靠性和可检查性，从而做到合理及时开、关灯;同时，采用光照度控制、半夜灯控制和编程间隔开关灯，不但能节省电能，而且还可延长照明设施的使用寿命。单灯控制还可以检测到每个灯柱灯的状态以及线路情况，能够及时发现路灯故障、老化及断路等问题，方便管理，保证亮灯率，提高了维护、维修的针对性和工作效率。
总之，单灯控制系统是今后照明节能发展的必然趋势，而随着ZigBee技术的大量应用和成本的进一步降低，ZigBee技术在短程通信的优势将会呈现出巨大的优势，由ZigBee技术为核心的单灯节能技术的推广应用必定会取得巨大的经济效益和社会效益。
