基于ZigBee的智慧路燈控制系統(tǒng)的研究

鄭瑤，吳澤森

（廣西機(jī)器視覺與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 梧州學(xué)院，廣西梧州，543002 )

0 引言

路燈在城市生活中有著重要地位，既能為居民出行照明提供便利，也體現(xiàn)了城市現(xiàn)代化發(fā)展的程度[1]。就目前來看，我國城市路燈大多自動(dòng)化水平不高，仍舊采用人工巡查的方法，這樣的管理效率不僅低，在一定程度上耗費(fèi)不少的人力和電力資源。所以，智慧路燈取代傳統(tǒng)路燈是眾望所趨，通過智能路燈管理控制系統(tǒng)來提高城市照明化水平，節(jié)約人力與電力成本，推進(jìn)現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)建設(shè)和高新信息技術(shù)的快速健康發(fā)展[2]，實(shí)現(xiàn)城市的智慧化。因此，智慧路燈的研究與開發(fā)是城市化發(fā)展有力的途徑之一，也是智慧城市從發(fā)展走向全面發(fā)展的重要體現(xiàn)，對城市的建設(shè)具有重要意義。

21世紀(jì)初期, 美國、英國、德國、荷蘭、日本、韓國、新加坡等國均開展了智慧旅游城市的實(shí)踐[3]。西方發(fā)達(dá)國家在路燈建造方面比較注重電能的節(jié)約，針對電能浪費(fèi)的問題，提出并實(shí)踐了許多方法。通過研究他們提出的路燈節(jié)能方法，不難發(fā)現(xiàn)主要有以下幾種：一是改變控制方法。采用新技術(shù)對路燈進(jìn)行改造，例如聲控、定時(shí)、人體紅外控制等實(shí)現(xiàn)對路燈智能的調(diào)控；二是采用節(jié)能設(shè)備，不斷提高照明設(shè)備對電力的使用性能和使用效率，實(shí)現(xiàn)路燈節(jié)能；三是從根源入手，利用人民政府的威信和法律的權(quán)威對生產(chǎn)制造商進(jìn)行約束，以提高照明設(shè)備的能源利用效率。每個(gè)國家的發(fā)展需求不同[4]，所以對智慧路燈的發(fā)展方向和模式也有不同的理解[5]。2015年開始，圣地亞哥在已有的路燈燈桿上外接多個(gè)設(shè)備和傳感器[6]。這款路燈可以說是一個(gè)全能路燈，在發(fā)現(xiàn)空閑車位的時(shí)候會(huì)通知司機(jī)，還可以拍攝違規(guī)停放的車輛。在美國，由于美國的國情，持槍具備合法性，所以在槍擊事件頻發(fā)的地方，一個(gè)可以偵測槍聲并定位的路燈，給警察迅速出警帶來了便利。

為此本文主要考慮公路路燈的管理模式，目的是采用合理的路燈管理模式，達(dá)到減少能源消耗、高效管控、安全穩(wěn)定的目的，從而實(shí)現(xiàn)城市照明的智能化。

1 設(shè)計(jì)原理

智慧路燈系統(tǒng)分為三個(gè)部分，即PC端、協(xié)調(diào)器和終端。PC端通過打開上位機(jī)軟件獲取協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器與終端通過無線通信接收終端數(shù)據(jù)。終端的作用就是通過光敏傳感器、人體紅外傳感器獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測、自動(dòng)調(diào)光和遠(yuǎn)程控制等功能。

遠(yuǎn)程控制采用的是指令下發(fā)的原理。指令是在上位機(jī)軟件中生成，手動(dòng)模式給了指令生成的環(huán)境，在這環(huán)境下采用數(shù)字信號發(fā)送的方式，通過協(xié)調(diào)器傳遞給終端，終端對此信號進(jìn)行高低電平分析，用于觸發(fā)繼電器模塊，實(shí)現(xiàn)指令的下發(fā)。

實(shí)時(shí)監(jiān)測采用的是數(shù)據(jù)回傳的原理。數(shù)據(jù)在終端通過光敏傳感器和人體紅外傳感器檢測，包括光敏觸發(fā)數(shù)據(jù)、光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)、燈光亮度數(shù)據(jù)和行人檢測數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)被整理上傳至協(xié)調(diào)器，然后按位的方式發(fā)送至上位機(jī)，軟件系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并顯示出來，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測的目的。

自動(dòng)調(diào)光是對光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)的分析。當(dāng)光敏觸發(fā)路燈打開后，通過PWM電壓調(diào)節(jié)電路，根據(jù)光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)路燈的電壓以改變路燈的亮度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)光。本文設(shè)計(jì)中3級燈光亮度，分別適應(yīng)微暗天、暗天、微暗有人3種情況。微暗時(shí)采用1級亮度，暗天時(shí)采用2級亮度，微暗有人時(shí)采用3級亮度。

2 硬件控制電路設(shè)計(jì)

硬件控制系統(tǒng)的電路主要有以下幾部分組成：燈具硬件、ZigBee協(xié)調(diào)器電路、終端控制電路、按鍵模塊、液晶顯示模塊、電源模塊組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

（1）光敏感應(yīng)模塊電路模塊

光敏感應(yīng)模塊是ZigBee終端外接的模塊電路。因?yàn)楣饷舾袘?yīng)模塊對光照感應(yīng)靈敏，輸出的形式為簡單的數(shù)字型，工作電壓與ZigBee終端工作電壓一致，所以本設(shè)計(jì)利用光敏感應(yīng)模塊檢測環(huán)境的光線亮度和燈光亮度，觸發(fā)繼電器模塊和檢測路燈的好壞。電路如圖2所示。光敏電阻工作原理就是通過光照強(qiáng)度來改變自身的阻值大小，光照強(qiáng)，阻值就會(huì)減小，反之，光照弱，阻值就會(huì)增大。

圖2 光敏感應(yīng)模塊電路設(shè)計(jì)圖

LM393是一個(gè)雙電壓進(jìn)行比較器，但在本電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中只用到其中的一路電壓比較，即比較正向輸入電壓（U+）與反向輸入電壓（U-）的大小，從而確定輸出的電平。當(dāng)U+＞U-時(shí)，1號引腳輸出高電平，U+＜U-時(shí)，1號引腳輸出低電平。圖中VR2是用來調(diào)節(jié)光敏電阻的靈敏度，VR2設(shè)定一個(gè)閥值后，與其連接的反向輸入電壓為參考電壓，當(dāng)光敏電阻感應(yīng)到強(qiáng)光，阻值減小，由歐姆定律可知，正向輸入電壓會(huì)隨之減小， DO端輸出低電平，LED2亮，連接的繼電器斷開，路燈關(guān)閉；當(dāng)光照減弱時(shí)，光敏阻值增大，正向輸入工作電壓增大，DO輸出一個(gè)高電平，LED2滅，繼電器接通，路燈打開。檢測燈光的光敏電阻也是利用此原理來實(shí)現(xiàn)路燈故障檢測。

（2）ZigBee終端控制器最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ZigBee終端控制器的最小系統(tǒng)作為核心板，由復(fù)位電路、時(shí)鐘和電源電路組成，工作電壓為3.3V，當(dāng)電路中晶振正常工作后即可組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)。ZigBee終端控制器的底板有多個(gè)外接I/O口，可根據(jù)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行配置與連接。

（3）人體感應(yīng)模塊

hc_sr501采用熱釋電元件，在接收到人體紅外溫度變化時(shí)，元件會(huì)向外釋放電荷，電荷經(jīng)BISS0001芯片處理后，從VO引腳輸出一個(gè)周期性的信號，利用上升沿觸發(fā)改變數(shù)據(jù)的輸出。圖中VR2電位器用于調(diào)節(jié)人體感應(yīng)距離，可調(diào)節(jié)范圍在3M～7M之間；VR3電位器用于調(diào)節(jié)感應(yīng)延遲時(shí)間，調(diào)節(jié)范圍在0.5s～300s。7133-1穩(wěn)壓管的作用是保證電路穩(wěn)定輸出一個(gè)3.3V電壓。原理圖見圖3所示。

圖3 人體感應(yīng)原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

運(yùn)用C#語言對上位機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對燈光的控制與顯示當(dāng)前路燈狀況，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的檢測與控制。ZigBee協(xié)調(diào)器與ZigBee終端控制器采用IAR程序開發(fā)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。上位機(jī)與協(xié)調(diào)器建立串口進(jìn)行通信，將指令傳送給終端控制器。終端控制器對協(xié)調(diào)器下發(fā)的命令進(jìn)行解析并執(zhí)行；終端控制器對各類傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行回傳。設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件總體流程圖

根據(jù)設(shè)計(jì)模塊，實(shí)現(xiàn)PC端對數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，必不可少要對上位機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)。目前上位機(jī)的開發(fā)語言有許多種，VB最先使用的，后來C++進(jìn)行了更深層次的開發(fā)，更高效的C#語言在微軟公司發(fā)布。由于微軟Visual Studio平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)與編程會(huì)更加的便捷與高效。所以在本設(shè)計(jì)中上位機(jī)的開發(fā)采用的就是此類平臺(tái)。設(shè)計(jì)C#上位機(jī)窗體應(yīng)用程序，可根據(jù)開發(fā)環(huán)境工具欄中提供的控件，選擇需要的控件進(jìn)行界面的整體布局，并對控件的屬性進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的過程軟件會(huì)在主程序部分自動(dòng)生成相應(yīng)的事件，根據(jù)功能需求在事件函數(shù)中進(jìn)行程序的編寫，從而賦予控件工作技能，使之實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)需要。本設(shè)計(jì)中，插入了相應(yīng)的圖標(biāo)，這些圖標(biāo)可根據(jù)數(shù)據(jù)的變化而變化。此外，串口和波特率也非常重要。設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 上位機(jī)界面程序設(shè)計(jì)圖

4 結(jié)論

通過該系統(tǒng)對路燈燈泡亮度進(jìn)行測試。測試時(shí)要保證測試環(huán)境的明亮。表1為測試結(jié)果，光敏可從AO引腳進(jìn)行亮度采集，利用采集到的亮度對路燈進(jìn)行自動(dòng)調(diào)光處理。現(xiàn)對光敏采集到亮度進(jìn)行測試。在同一光源的照射下，照度計(jì)測光儀測出的數(shù)據(jù)作為參考值，再與光敏測出來的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，求出誤差值。

表1 亮度測試誤差表

本次上位機(jī)顯示測試在自動(dòng)模式下進(jìn)行。上位機(jī)可以顯示路燈的光照強(qiáng)度、自然光的光照強(qiáng)度、路燈的狀態(tài)、顯示路燈是否正常和顯示路燈下是否有人。本系統(tǒng)采用一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)和一個(gè)協(xié)調(diào)器共同完成測試，連接實(shí)物圖如圖6所示，測試結(jié)果如圖7所示。

圖6 傳感器連接實(shí)物圖

組網(wǎng)成功后，數(shù)據(jù)開始上傳，在未開始測試前，上位機(jī)如圖7(A)所示，圖(A)中確定了串口號，打開串口，顯示自然光的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)和其它默認(rèn)值；當(dāng)圖6中的人體感應(yīng)模塊檢測到人時(shí)，顯示系統(tǒng)狀態(tài)信息如圖7(B)所示,無人框變成“有人”；圖6中左邊的光敏是檢測自然光照，當(dāng)用手掩蓋此光敏模擬天黑狀態(tài)時(shí)，顯示如圖7(C)：燈泡圖標(biāo)變亮，圖標(biāo)上的光照強(qiáng)度減小，路燈正常，檢測路燈的當(dāng)前亮度能夠顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)；圖6右邊的光敏是檢測路燈光照，用手捂住此光敏模擬路燈不亮，就會(huì)顯示路燈故障，當(dāng)前亮度無數(shù)據(jù)，如圖7(D)所示。測試結(jié)果表明，上位機(jī)能夠準(zhǔn)確的顯示下位機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)與數(shù)據(jù)，符合測試標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 測試顯示圖

遠(yuǎn)程控制測試：將1號路燈放在20m遠(yuǎn)處，啟動(dòng)上位機(jī)手動(dòng)模式，可對1號路燈進(jìn)行開關(guān)控制，點(diǎn)擊手動(dòng)模式下的兩個(gè)“小燈泡”，遠(yuǎn)程控制路燈的亮度。測試結(jié)果表明路燈開關(guān)有效，燈光亮度調(diào)節(jié)明顯。自動(dòng)調(diào)光測試。2號路燈為測試對象。啟動(dòng)上位機(jī)，選擇自動(dòng)模式。在自動(dòng)模式下路燈可根據(jù)光敏上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)光，有人經(jīng)過時(shí)自動(dòng)提高亮度。測試結(jié)果表明當(dāng)光敏數(shù)據(jù)變小時(shí)，路燈燈光變暗；有人經(jīng)過時(shí)路燈變得更加亮，說明自動(dòng)調(diào)光功能實(shí)現(xiàn)。結(jié)合遠(yuǎn)程控制測試和自動(dòng)調(diào)光測試，說明路燈的實(shí)時(shí)監(jiān)測功能實(shí)現(xiàn)，并能根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的調(diào)控。整體測試結(jié)果表明，該智慧路燈系統(tǒng)能夠滿足功能要求，完成了整體的設(shè)計(jì)。