基于Zigbee的路燈控制系統(tǒng)設(shè)計

郭 瓊 蔡亞輝 姚曉寧

(1.無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電技術(shù)分院，江蘇無錫 214121;2.清華大學(xué)自動化系，北京 100086;3.蘇州達亞電子有限公司，江蘇蘇州 215000)

1 引言

采用時間控制、光照控制等方式控制的路燈照明系統(tǒng)存在著路燈使用壽命短、管理開銷大、電能浪費、無法遠程監(jiān)控以及故障維修反應(yīng)效率低等現(xiàn)象［1］。隨著人們生活質(zhì)量的提高及科學(xué)技術(shù)的進步，對城市路燈的要求越來越高，不僅要求安全、節(jié)能、維護方便，還要求其能美化夜景，彰顯城市魅力;例如上海市博園安裝的無線景觀路燈照明，為其夜晚增添了不少的色彩。

目前國內(nèi)外路燈系統(tǒng)正朝著節(jié)能、單燈控制以及遠程監(jiān)控的方向發(fā)展［2］。本文基于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計了一套采用Zigbee技術(shù)實現(xiàn)的路燈控制實訓(xùn)系統(tǒng);該系統(tǒng)可實現(xiàn)路燈的遠程實時監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集存儲等功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)由安裝在路燈燈桿上的路燈節(jié)點、無線網(wǎng)絡(luò)及監(jiān)控中心組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示，路燈節(jié)點和監(jiān)控中心需要配備無線通信模塊。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 無線網(wǎng)絡(luò)

無線網(wǎng)絡(luò)采用Zigbee技術(shù)，使路燈工作現(xiàn)場與系統(tǒng)監(jiān)控中心可靠通信。這種技術(shù)主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)傳輸速率不高且短距離傳輸?shù)母鞣N電子設(shè)備之間，非常適合工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測等場合，具有低功耗、低成本和低復(fù)雜度等特點。本系統(tǒng)Zigbee模塊采用CC2530片上系統(tǒng)作為控制電路的核心，具有256KB FLASH，在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于25mA和34mA。模塊電源由外部穩(wěn)壓電源提供5V電壓，以確保各節(jié)點長時間穩(wěn)定工作。

根據(jù)路燈系統(tǒng)特點，網(wǎng)絡(luò)采用樹形連接，以便靈活擴展節(jié)點和自組網(wǎng)絡(luò)。與PC機串口RS232連接的Zigbee模塊為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，起著組織、管理網(wǎng)絡(luò)和發(fā)號施令的作用;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)有節(jié)點加入時，它分配地址給新節(jié)點，因此不能掉電也沒有低功耗狀態(tài)。與路燈單元串口連接的Zigbee模塊為路由器，起著中繼器的作用，可以收發(fā)數(shù)據(jù)也可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，承擔(dān)著與上位機和相鄰節(jié)點通信的任務(wù)。

2.2 路燈節(jié)點

路燈節(jié)點由路燈控制器、電源模塊和Zigbee模塊組成，完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)及控制命令的處理、控制LED燈開關(guān)及調(diào)光的任務(wù)。

路燈控制器選擇高性能、低功耗的8位AVR微處理器ATmega16作為核心部件，該單片機輸入/輸出口可以自由設(shè)定，驅(qū)動能力強，集多種器件與多種功能于一身，大大減少了外圍器件的使用量，降低了電路的復(fù)雜程度［3］?？刂破鞯耐鈬娐钒ㄐ盘枡z測、亮燈驅(qū)動和故障檢測等電路。

信號檢測部分由光敏電阻電路和熱釋電紅外傳感器電路組成。光敏電阻5537用于對環(huán)境光檢測，從而控制燈光的亮度;熱釋電紅外傳感器DYPME003感應(yīng)距離0～7米可調(diào)，用于判斷是否有行人或者車輛通過，并根據(jù)設(shè)定值調(diào)節(jié)燈光亮度。

考慮到LED路燈高效節(jié)能及其應(yīng)用日趨廣泛，采用LED作為光源，并采用XN2115芯片驅(qū)動。系統(tǒng)選用1W、3.2～3.6V的LED燈4顆。路燈故障檢測信號取自XN2115芯片的SW點的電壓，將該點電壓通過大電容平波后與電壓比較器的基準(zhǔn)電壓進行比較，比較結(jié)果的高低電平送入單片機處理，并將故障信息送至上位機實現(xiàn)故障報警、位置顯示等功能。

路燈節(jié)點使用了5V及12V的直流電。將220V交流電通過整流橋KBP210變?yōu)?2V直流電，為LED驅(qū)動電路和故障檢測電路提供電源，功率可達40W;12V直流電源再通過LM2596-5.0集成三端穩(wěn)壓器輸出5V直流電源，輸出電流最大可達3A，具有很好的線性和負載調(diào)節(jié)特性，為Zigbee模塊、單片機及其他外圍電路提供電源。

2.3 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心由PC機和Zigbee模塊組成，提供系統(tǒng)信息，具有遙測、遙控及存儲和管理數(shù)據(jù)功能的人機界面顯示，可以對整個路燈系統(tǒng)進行工作狀況的實時監(jiān)控。

PC機可以通過無線通信網(wǎng)絡(luò)采集路燈狀態(tài)，例如環(huán)境光強度、用電量、亮燈率等，并可向路燈節(jié)點發(fā)送控制命令，路燈節(jié)點根據(jù)這些命令對LED燈進行操作［4］，實現(xiàn)系統(tǒng)的按需控制及每盞路燈的實時監(jiān)控。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電后進行初始化，檢測系統(tǒng)是否正常工作，如果正常則按照路燈控制界面進行路燈狀態(tài)檢測或者對路燈進行輸出控制，使路燈按照既定程序?qū)崿F(xiàn)開/關(guān)狀態(tài)，并經(jīng)由Zigbee網(wǎng)絡(luò)實時顯示信息。監(jiān)控界面可選擇各Zigbee模塊的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點號，搜索網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各個模塊，將控制命令發(fā)送至指定的路燈節(jié)點，也可實時顯示路燈狀態(tài)信息和底層數(shù)據(jù)包。

3.1 現(xiàn)場信號采集、檢測與處理程序

路燈現(xiàn)場環(huán)境光采集模塊經(jīng)由光敏電阻得到電壓值，并通過ATmage16內(nèi)部的1路10位ADC模數(shù)轉(zhuǎn)化電路將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。為了平滑采樣信號，提高系統(tǒng)抗干擾能力，設(shè)計中采用了數(shù)字濾波方式，每次轉(zhuǎn)換完閉后，ATmage16會自動產(chǎn)生中斷信號，將本次和前8次數(shù)據(jù)取平均值送給單片機處理。

當(dāng)有人經(jīng)過時熱釋電紅外傳感器會輸出高電平，經(jīng)過后續(xù)處理電路，單片機得到一個低電平。為了避免重復(fù)觸發(fā)，人體檢測中斷觸發(fā)方式采用下降沿方式。

路燈的調(diào)光是通過給XN2115芯片的DIM引腳端上施加PWM信號來實現(xiàn)。ATmage16內(nèi)部自帶四通道的PWM，設(shè)置為快速PWM模式、OC2復(fù)位、32分頻。當(dāng)OCR2的值從0到256變化時，LED燈從全亮到全滅。

3.2 通信程序設(shè)計

系統(tǒng)通信程序包括路燈與路燈節(jié)點之間的通信及其路燈節(jié)點與監(jiān)控中心之間的通信兩部分。

1)路燈節(jié)點之間的通信實現(xiàn)

路燈節(jié)點之間實現(xiàn)通信，一方面是為了了保證路燈在夜間沒有行人或車輛通過時處于節(jié)電狀態(tài)，即微亮狀態(tài)，另一方面是當(dāng)路燈節(jié)點檢測到道路上有行人或車輛通過時，使該路燈轉(zhuǎn)為全亮，并通知下一盞路燈轉(zhuǎn)為全亮，以確保行人或車輛的出行安全。

路燈節(jié)點之間采用串口通信，通信參數(shù)配置為異步通信、8位數(shù)據(jù)、無奇偶校驗、一個停止位及無倍速。串口的發(fā)送程序采用查詢方式，接收程序采用中斷接收方式。

路燈節(jié)點控制器之間的發(fā)送程序為:

2)路燈節(jié)點與監(jiān)控中心之間的通信

路燈節(jié)點與監(jiān)控中心之間的通信一方面可以通過上位機為路燈節(jié)點配置相關(guān)信息、發(fā)送控制指令，另一方面可以接收來自路燈節(jié)點的現(xiàn)場運行信息，實現(xiàn)系統(tǒng)在監(jiān)控室進行路燈系統(tǒng)操控和故障查詢、報警等功能。

采用PC機串口與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器相連，實現(xiàn)讀取路燈節(jié)點信息或控制路燈運行狀態(tài)。例如PC機要讀取當(dāng)前系統(tǒng)路燈信息，利用串口調(diào)試工具觀察PC機向無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，如圖2所示。發(fā)送指令格式為:FB+02+14+路燈編號 (本系統(tǒng)中路燈編號為01，02，03)，表示讀取編號為01、02、03的路燈節(jié)點當(dāng)前信息;路燈節(jié)點做出回應(yīng)，通過無線網(wǎng)絡(luò)返回路燈信息格式為:環(huán)境光強+路燈光強+故障情況。路燈節(jié)點1返回的信息表明當(dāng)前所處環(huán)境光強度為E2(由強到弱范圍:FE～00)、路燈亮度FB(由滅到全亮范圍:FE～00)、無故障00(有故障為01)。

圖2 串口調(diào)試界面

3.3 監(jiān)控軟件功能設(shè)計

系統(tǒng)監(jiān)控中心程序包括:顯示監(jiān)控程序、調(diào)試配置程序、系統(tǒng)參數(shù)配置程序及存儲工作運行數(shù)據(jù)程序［5］。

(1)顯示監(jiān)控程序

顯示監(jiān)控程序包括路燈狀態(tài)信息、街道狀態(tài)信息、報警信息。通過顯示監(jiān)控界面可以實現(xiàn)街道選擇;觀察路燈當(dāng)前光通量、功耗、工作時長及是否故障;自動統(tǒng)計該街道的總用電量、亮燈率;系統(tǒng)自動工作的時間段;顯示當(dāng)前街道故障的路燈編號及該路燈在什么時間發(fā)生故障。

(2)調(diào)試配置程序

調(diào)試配置程序包括串口配置、Zigbee讀取及配置、路燈調(diào)試。通過串口配置界面設(shè)置相應(yīng)的串口配置參數(shù);通過Zigbee的配置程序可讀取Zigbee模塊的網(wǎng)絡(luò)ID號、波特率、網(wǎng)絡(luò)地址、MAC地址，可以方便的設(shè)置Zigbee模塊的網(wǎng)絡(luò)ID號、波特率;通過路燈調(diào)試界面可以讀取該街道路燈的環(huán)境光強、路燈光強、功耗、是否故障等信息?？梢詫υ撀窡暨M行調(diào)光測試及設(shè)置該路燈開始工作時間。

(3)系統(tǒng)參數(shù)配置程序

系統(tǒng)參數(shù)配置程序包括校正路燈節(jié)點時間、設(shè)置系統(tǒng)工作時間、配置街道地址。在系統(tǒng)運行過程中，系統(tǒng)時間可能會與當(dāng)前時間有差別，通過系統(tǒng)時間校正，可以使系統(tǒng)時間與PC機時間同步;可以設(shè)置系統(tǒng)正常工作的開關(guān)機時間與街道地址。

(4)存儲工作運行數(shù)據(jù)

在系統(tǒng)運行的過程中，下位機發(fā)送的路燈信息及報警信息都會保存到數(shù)據(jù)庫中。同時街道及路燈的配置信息也保存在數(shù)據(jù)庫中，并可方便用戶導(dǎo)出及打印信息。

4 系統(tǒng)功能測試

4.1 系統(tǒng)測試

由于Zigbee網(wǎng)絡(luò)能自組網(wǎng)，因此在構(gòu)造試驗系統(tǒng)時我們配置了最小系統(tǒng):1個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點和3個路由器節(jié)點，系統(tǒng)采用主從方式，一般處于休眠狀態(tài)，當(dāng)有中斷請求時激活節(jié)點進行工作。路燈高度為0.7m，路燈間隔為0.8m，現(xiàn)場路燈系統(tǒng)如圖3、圖4所示。

圖3 路燈1微亮，2、3全亮

圖4 路燈1，2微亮，路燈3全亮

圖3為小車運行到路燈2位置的狀態(tài)。路燈2全亮，并通知路燈1轉(zhuǎn)為微亮、前方路燈3轉(zhuǎn)為全亮。若1號節(jié)點熱釋電紅外傳感器檢測不到信號并收到了前方路燈的信息，則狀態(tài)轉(zhuǎn)為微亮;當(dāng)小車向前運行進入3號節(jié)點熱釋電紅外傳感范圍時，3號燈通知2號燈轉(zhuǎn)為微量，如圖4所示，對應(yīng)的監(jiān)控界面如圖5所示。監(jiān)控界面中淡黃色路燈表示路燈微亮、深黃色路燈表示路燈全亮。

圖5 監(jiān)控界面

運行路燈控制系統(tǒng)軟件時需要進行系統(tǒng)配置、通信配置、Zigbee配置等操作;在運行中可對路燈節(jié)點進行調(diào)光、校正時間等操作。如圖6為系統(tǒng)工作時間設(shè)置，圖7為路燈節(jié)點時間校正。

圖6 系統(tǒng)工作時間設(shè)置

圖7 系統(tǒng)校正時間

4.2 系統(tǒng)功能

路燈控制方式可分為手動控制方式和自動控制方式，均可在監(jiān)控中心操作或進行參數(shù)設(shè)置。系統(tǒng)可實現(xiàn)以下功能:

1)可進行單燈遠程監(jiān)控，并可調(diào)節(jié)燈具亮度。

2)可根據(jù)環(huán)境光自動開關(guān)路燈，并可調(diào)整燈具亮度，保證使用需要。

3)根據(jù)道路是否有行人/車輛通過實現(xiàn)亮度漸變。路燈夜間無行人/車輛通過，路燈微亮;當(dāng)檢測到遠方有行人/車輛接近時，路燈由微亮轉(zhuǎn)為全亮，并通知前方路燈由微量轉(zhuǎn)為全亮;車輛/行人通過后，路燈又轉(zhuǎn)為微亮。

4)具有路燈故障檢測功能。當(dāng)有路燈損壞，可以進行聲光報警，并指示故障路燈的具體位置。

5)具有數(shù)據(jù)統(tǒng)計和存儲功能?？商峁┞窡粲秒娏俊⒘翢袈屎凸牡葦?shù)據(jù)，并可查詢歷史記錄。

6)系統(tǒng)具有休眠狀態(tài)，降低系統(tǒng)功耗。

5 結(jié)束語

智能化和網(wǎng)絡(luò)化控制路燈是未來路燈控制的發(fā)展方向和必然趨勢。隨著技術(shù)的進步和城市發(fā)展的需求，無線傳感節(jié)點集成度會越來越高，價格會越來越低，路燈控制系統(tǒng)的功能會越來越多，路燈的自動化管理和無線通信技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用也必然會越來越廣泛［6］。

本系統(tǒng)采用Zigbee協(xié)議實現(xiàn)了路燈控制模擬系統(tǒng)的實時監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化管理。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)擴展靈活、現(xiàn)場易于安裝，操作界面友好、管理方便。本系統(tǒng)已用于自動化類專業(yè)的大學(xué)生實驗實訓(xùn)教學(xué)，有助于學(xué)生了解無線通信、傳感技術(shù)、單片機技術(shù)及其在城市路燈控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

［1］郭瓊，張才權(quán)．基于物聯(lián)網(wǎng)的廠區(qū)路燈模擬控制系統(tǒng)［J］．電氣應(yīng)用，2011．12:57～61．

［2］李宏超．智能路燈遠程控制系統(tǒng)［D］．鄭州:鄭州大學(xué)，2010．5．

［3］蔡興龍，王富林，張奕黃．基于ATmega16的多功能焊機遙控器設(shè)計 ［J］．電焊機，2010，40(6):27～29．

［4］黃沈磊．基于Zigbee的自組網(wǎng)無線路燈控制系統(tǒng)研究與設(shè)計［D］．蘇州:蘇州大學(xué):2010．

［5］浦敏，李云飛，王宜懷．基于物聯(lián)網(wǎng)的無線照明控制系統(tǒng) ［J］．照明工程學(xué)報，2010，21(2):86～89．

［6］Maciej Mendalka，Michal Gadaj， Lukasz Kulas，etc．WSN for intelligent street lighting system，Proceedings of the 2nd International Conference on Information Technology，ICIT 2010，28～30 June 2010:99～100．