基于ZigBee的道路智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳曉莉 王志鐸

摘 ?要： 針對(duì)當(dāng)前道路照明存在的一些不足，文中將ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)相連接，同時(shí)將服務(wù)器與遠(yuǎn)程照明管理中心相結(jié)合，構(gòu)建了道路智能照明控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以ZigBee網(wǎng)絡(luò)為核心，由路燈終端節(jié)點(diǎn)、無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和照明控制中心組成。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了路燈的遠(yuǎn)程手動(dòng)或自動(dòng)控制、路燈狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障路燈精確定位等功能，節(jié)約了照明能耗，降低了維護(hù)檢修成本，提高了路燈照明的智能化。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)響應(yīng)迅速，報(bào)障準(zhǔn)確，且通信性能可靠，提高了道路照明的智能化。照明管理中心的多平臺(tái)互通方便了使用不同設(shè)備的管理人員進(jìn)行監(jiān)管。

關(guān)鍵詞： 智慧城市; 照明控制系統(tǒng); ZigBee; 無(wú)線網(wǎng)關(guān); 路燈控制; 故障定位

中圖分類號(hào)： TN92?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）12?0072?04

Abstract： In allusion to the deficiencies existing in current street lighting， an intelligent street lighting control system is constructed in this paper by connecting the ZigBee network with GPRS network and combining the server with remote lighting management center. The system taking the ZigBee network as the core， is composed of the streetlight terminal node， wireless gateway node and lighting control center. The system can realize the functions of remote manual and automatic control of streetlamps， status monitoring of streetlamps， and accurate location of fault streetlamps， save energy of lighting， reduce maintenance and inspection costs， and improve the intelligence of street lighting. The experimental test shows that the system has a fast response， accurate fault alarm， and reliable communication performance， and can improve the intelligence of street lighting. The multi?platform intercommunication of the lighting management center can facilitate the management personnel of different devices to conduct supervision.

Keywords： intelligent city; lighting control system; ZigBee; wireless gateway; streetlamp control; fault location

0 ?引 ?言

城市道路照明是社會(huì)公共設(shè)施的重要組成部分，在“互聯(lián)網(wǎng)+”的時(shí)代背景下，城市道路的智能照明是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。隨著城市現(xiàn)代化的發(fā)展，照明設(shè)施也逐漸發(fā)展得較為先進(jìn)，為人們的出行提供了很大的便利。但是目前的照明系統(tǒng)存在一些問(wèn)題，例如：路燈數(shù)量的不斷增加導(dǎo)致維護(hù)成本、社會(huì)成本的上升問(wèn)題;夜間車輛行人稀少時(shí)，路燈仍然全部運(yùn)行的能源浪費(fèi)問(wèn)題;路燈由于自然原因損壞不能及時(shí)被照明控制中心及時(shí)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題等[1]。在智能照明控制系統(tǒng)的管理下，能夠有效地監(jiān)測(cè)路燈的運(yùn)行狀態(tài)，并實(shí)時(shí)分析路燈狀態(tài)，進(jìn)行相應(yīng)控制和維護(hù)，從而解決上述問(wèn)題。

智能照明是指利用先進(jìn)的電力線載波通信、ZigBee無(wú)線通信、2G通信、3G通信、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及節(jié)能控制等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)照明設(shè)備的集中控制和管理，通過(guò)設(shè)定一定的控制策略，實(shí)現(xiàn)亮度的按需調(diào)節(jié)、故障自動(dòng)報(bào)警等功能，能夠大幅節(jié)省電力資源，提升公共照明管理水平，節(jié)省運(yùn)維成本[2]。筆者應(yīng)用ZigBee技術(shù)，設(shè)計(jì)基于ZigBee的道路智能照明控制系統(tǒng)。

1 ?系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

道路智能照明系統(tǒng)主要由路燈終端節(jié)點(diǎn)無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和照明管理中心組成。路燈終端節(jié)點(diǎn)安裝在每個(gè)路燈上，是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的終端控制節(jié)點(diǎn);無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)作為傳感網(wǎng)絡(luò)的中心，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采用鏈狀樹形網(wǎng)絡(luò)自組織結(jié)構(gòu)。若干個(gè)路燈終端節(jié)點(diǎn)和一個(gè)無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一組局域網(wǎng)。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)之間通過(guò)ZigBee協(xié)議進(jìn)行通信[3]，無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)上傳到固定IP的服務(wù)器上，由服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)至照明管理中心，照明管理中心可以是電腦、平板電腦和手機(jī)，管理員根據(jù)獲取到的數(shù)據(jù)處理分析可以對(duì)整個(gè)路燈網(wǎng)絡(luò)設(shè)置自動(dòng)控制或者手動(dòng)控制。每次路燈開(kāi)始運(yùn)行時(shí)對(duì)路燈的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，若出現(xiàn)故障，會(huì)上傳到服務(wù)器具體的故障路燈信息，管理人員通過(guò)照明管理中心可以收到故障信息從而安排人員進(jìn)行維修。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件部分主要包括：ZigBee模塊、傳感器模塊、GPRS模塊等。本設(shè)計(jì)中，傳感器模塊有光敏電阻模塊和光照傳感器模塊[4]，分別用于路燈狀態(tài)檢測(cè)和采集環(huán)境光強(qiáng)信息。ZigBee模塊選用TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片，該芯片集成了Z?Stack協(xié)議棧，可以方便地實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)從而組建路燈傳感網(wǎng)絡(luò)。GPRS模塊采用易通星云公司的M260模塊，此模塊是易通星云公司的一款工業(yè)級(jí)的GPRS無(wú)線通信+GPS定位功能的模塊產(chǎn)品，利用SIM卡和運(yùn)營(yíng)商GPRS網(wǎng)絡(luò)提供無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信，通過(guò)對(duì)模塊遠(yuǎn)程設(shè)置獲取GPS坐標(biāo)信息，還可以通過(guò)串口和目標(biāo)設(shè)備相連接做數(shù)據(jù)通信。該模塊內(nèi)置協(xié)議棧，提供免費(fèi)的云平臺(tái)和手機(jī)SDK，方便進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.1 ?路燈終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

路燈終端節(jié)點(diǎn)是整個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)的末端，它們主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集并周期性地將數(shù)據(jù)上傳，根據(jù)照明管理中心的控制命令開(kāi)關(guān)路燈和調(diào)節(jié)PWM[5]輸出從而調(diào)節(jié)路燈的亮度。每個(gè)節(jié)點(diǎn)由CC2530芯片、光敏電阻模塊和LED路燈（帶PWM驅(qū)動(dòng)）組成。光敏電阻模塊通過(guò)判斷是否有光照判斷路燈是否正常運(yùn)行，若發(fā)生故障，會(huì)發(fā)送故障信息給照明管理中心，LED通過(guò)CC2530調(diào)節(jié)PWM的占空比對(duì)亮度進(jìn)行控制。路燈終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 ?終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 ?無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是整個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)的中心點(diǎn)，每個(gè)無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)一組無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的交換。終端的路燈運(yùn)行狀態(tài)信息通過(guò)終端發(fā)送給無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送到服務(wù)器，照明管理中心從服務(wù)器獲取信息，由照明管理中下發(fā)的控制指令經(jīng)由服務(wù)器發(fā)送至無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，然后通過(guò)傳感網(wǎng)絡(luò)下發(fā)至各個(gè)路燈終端節(jié)點(diǎn)執(zhí)行指令調(diào)節(jié)路燈的工作狀態(tài)，每個(gè)區(qū)域的無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上連接著一個(gè)光照傳感器，用來(lái)采集外界環(huán)境的光照信息供照明管理中心分析進(jìn)行路燈的控制策略調(diào)整。每個(gè)無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)由CC2530模塊、M260模塊和光照傳感器模塊組成，M260模塊和CC2530模塊通過(guò)串口相連接，實(shí)現(xiàn)ZigBee和GPRS之間協(xié)議的轉(zhuǎn)換，光照傳感器通過(guò)I2C通信協(xié)議進(jìn)行驅(qū)動(dòng)采集數(shù)據(jù)。無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 ?無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)通信幀的設(shè)計(jì)、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)、照明管理中心軟件設(shè)計(jì)。要保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確收發(fā)必須有合理的數(shù)據(jù)幀，從而簡(jiǎn)化管理中心和路燈終端節(jié)點(diǎn)的分析數(shù)據(jù)的過(guò)程;無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式、外設(shè)模塊的驅(qū)動(dòng)等需要軟件編程實(shí)現(xiàn);照明管理中心需要設(shè)計(jì)合理的軟件界面，簡(jiǎn)化操作流程，方便管理人員操作。

3.1 ?通信數(shù)據(jù)幀設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的照明控制策略[6]，分別是根據(jù)車輛高峰期分時(shí)間段控制、單雙燈的間隔群組控制和根據(jù)外界環(huán)境光照強(qiáng)度控制。同時(shí)還有路燈故障報(bào)警信息和外界環(huán)境信息的顯示。為了進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計(jì)了節(jié)點(diǎn)命令控制幀、節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)幀方便軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析。

1） 節(jié)點(diǎn)命令控制幀

照明管理中心使用控制指令幀經(jīng)由無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送命令，控制終端節(jié)點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)燈的開(kāi)關(guān)、亮度和群組控制。節(jié)點(diǎn)命令控制幀由4個(gè)字節(jié)組成，分別表示路燈的開(kāi)關(guān)控制指令、控制策略指令、節(jié)點(diǎn)號(hào)信息、亮度指令。

2） 節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)幀

上傳的數(shù)據(jù)中包含光照強(qiáng)度的信息和路燈故障信息，因此采用“#”符號(hào)連接兩種數(shù)據(jù)，管理中心接收到數(shù)據(jù)之后進(jìn)行字符串的拆解，將數(shù)據(jù)分類出來(lái)分別進(jìn)行顯示和判斷處理。

3.2 ?路燈終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

路燈終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)路燈運(yùn)行狀態(tài)并通過(guò)傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)接收照明管理中心由無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)下發(fā)的控制命令數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)解析出來(lái)的命令控制燈的開(kāi)關(guān)，輸出相應(yīng)的PWM控制路燈的亮度，具體流程如圖4所示。

圖4 ?路燈終端節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

3.3 ?無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)首先上電初始化，選擇合適的信道，成功建立網(wǎng)絡(luò)之后進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)，管理終端節(jié)點(diǎn)的加入，同時(shí)傳感網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器連接光照強(qiáng)度傳感器對(duì)外界光照環(huán)境進(jìn)行采集，采集完成后通過(guò)串口發(fā)送給GPRS模塊，GPRS再將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，終端節(jié)點(diǎn)傳回的路燈狀態(tài)信息先由協(xié)調(diào)器接收，通過(guò)串口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)GPRS模塊接收到照明管理中心發(fā)來(lái)的控制命令時(shí)，通過(guò)串口發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過(guò)廣播向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令進(jìn)行控制，軟件流程圖見(jiàn)圖5。