基于ZigBee的智能LED路燈監控系統的設計方案

　　文章針對LED 路燈與多通道傳感器與IEEE802.15.4 的ZigBee 無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)技術(shù)相互配合，能實(shí)時(shí)返回各路燈的狀態(tài)信息和檢測各種路燈故障，并及時(shí)通過(guò)GSM 通信模塊反饋故障信息到服務(wù)器控制節點(diǎn)，實(shí)現了大規模路燈照明系統的集中控制與維護，極大降低了運維成本。通過(guò)上位機的路燈管理軟件，方便管理人員操作使用。

　　0 引言

　　城市智能LED照明系統是智能交通系統重要組成部分。利用智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠有效提高如何節約能源，提高路燈能源的利用率并對路燈進(jìn)行自動(dòng)化、智能化的管理等急需解決的問(wèn)題。

　　ZigBee 技術(shù)以其低功耗、通信可靠、網(wǎng)絡(luò )容量大等特點(diǎn)為路燈自動(dòng)控制領(lǐng)域提供了較合適的解決方案。而基于ZigBee 自組網(wǎng)的LED 智能照明控制系統是將ZigBee 在短距離無(wú)線(xiàn)傳輸的優(yōu)勢與LED 照明壽命長(cháng)和節能的優(yōu)勢相結合。具有安全、智能、便于控制、方便維護等特點(diǎn)。

　　本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的交通照明控制系統。利用用ZigBee 技術(shù)與新型傳感器、功率控制器及LED 路燈相結合，完成對城市路燈照明系統的集中監控。

　　1 系統設計方案

　　對路燈來(lái)說(shuō)，其照明作用是最主要的，其它傳感器是為了輔助路燈而設計的，用來(lái)實(shí)現更好的照明效果或減少不必要的資源浪費。因此，傳感器的選擇比較關(guān)鍵。本系統涉及的傳感器有人體熱釋電紅外傳感器、tsl2561 亮度傳感器。路燈節點(diǎn)主要由LED燈具、蓄電池、LED 穩壓電路、故障檢測電路、微控制器、ZigBee無(wú)線(xiàn)數傳模塊及其它外圍傳感器模塊構成，系統的整體結構如下圖1 所示。

　　本系統路燈的工作模式共三種：分別為白天模式、夜晚模式和午夜模式。在主控平臺進(jìn)行工作模式的選擇，工作模式由外界環(huán)境來(lái)設定。

　　白天正常模式下，當環(huán)境亮度強到一定光強值時(shí)，不再需要路燈照明，此時(shí)路燈將處于關(guān)閉狀態(tài)；特殊情況下，如陰雨或大霧天氣時(shí)，只需在主控平臺進(jìn)行設置，使路燈打開(kāi)，即可應對各種突發(fā)情形。

　　夜晚模式下，路燈會(huì )根據設定的光強值進(jìn)行判斷，當環(huán)境亮度小于所設定的光強時(shí)，路燈開(kāi)啟，并將路燈的狀態(tài)通過(guò)無(wú)線(xiàn)數傳模塊發(fā)送到主控平臺，在主控平臺的界面上就可隨時(shí)觀(guān)測路燈狀態(tài)。一旦此時(shí)路燈突然關(guān)閉，將會(huì )實(shí)現自檢功能，將檢修的信息發(fā)送到主控平臺，主控平臺通過(guò)對這些數據進(jìn)行分析，可將有問(wèn)題的路燈信息通過(guò)GSM 模塊發(fā)送到路燈維修人員的手機上，以實(shí)現路燈的及時(shí)維護。

　　在午夜模式下，主控平臺會(huì )根據電腦系統時(shí)間定時(shí)關(guān)閉路燈，以節約電能。主控平臺的硬件結構如下圖2 所示。

　　2 系統硬件設計

　　2.1 控制部分

　　2.1.1 主控制器單元

　　主控平臺用LCD12864 液晶輔助顯示路燈實(shí)時(shí)狀態(tài)信息。中央處理器用Arduino MEGA2560 單片機處理路燈實(shí)時(shí)數據信息。

　　MEGA2560 的處理器核心是ATmega2560，同時(shí)具有54 路數字輸入/ 輸出口（其中16 路可作為PWM 輸出），還具有16 路模擬輸入，4 路UART 接口，采用16MHz 的晶體振蕩器，兼容Arduino UNO 設計的擴展板。片上資源可以滿(mǎn)足單路燈節點(diǎn)照明的需求，并為后續在路燈上開(kāi)發(fā)新應用提供了較大的選擇空間。

　　2.1.2 故障監測

　　本系統是通過(guò)路燈外部傳感器配合微控制器來(lái)控制路燈的狀態(tài)，因此路燈故障的監測也更為復雜。要實(shí)現遠程故障監測，需要可正常工作的無(wú)線(xiàn)模塊，若不能監測到無(wú)線(xiàn)模塊傳回的數據，則問(wèn)題可能出現在供電或模塊損壞上。

　　計算公式為：checkDATA = 0xFF - （type） - （DATA）

　　路燈出現故障時(shí)會(huì )向主控平臺發(fā)送類(lèi)似數據：

　　主控平臺對收到的數據進(jìn)行計算，將收到幀數據的后三個(gè)字節的值求和，并進(jìn)行判斷，若為0xFF，則該幀數據有效；反之，該幀數據無(wú)效。通過(guò)簡(jiǎn)單的計算和判斷就可知道信息來(lái)源與信息數據以及信息的正確性。這樣便可大大的提高數據的可靠性與穩定性。

　　2.1.3 故障報修

　　本系統采用華為公司的GTM900C 無(wú)線(xiàn)通信模塊來(lái)反饋故障信息，這是一款兩頻段GSM/GPRS 無(wú)線(xiàn)模塊，支持標準AT 命令及增強的AT 命令，可提供豐富的語(yǔ)音和數據業(yè)務(wù)等，支持Text 和PDU 格式的SMS（Short Message Service，短消息），可通過(guò)UART接口與單片機通信。

　　路燈管理人員通過(guò)液晶顯示屏可知道當前路燈狀態(tài)。若路燈出現故障，微控制器將分析反饋回來(lái)的信息，將有故障的路燈信息顯示在液晶顯示屏上，并向指定的手機號碼發(fā)送短信，告知故障路燈信息。路燈維護人員通過(guò)短信即可知道路燈故障的原因，這將減少維修時(shí)間，提高維修效率。

　　2.2 無(wú)線(xiàn)通信（ZigBee） 模塊

　　本系統ZigBee 模塊采用的是DIGI 公司生產(chǎn)的XBee S2 模塊，該模塊是一款超小型但功能完善的ZigBee 收發(fā)器，其接口簡(jiǎn)單，易于使用，具備防水、防雷和防沖擊的性能，并且可以滿(mǎn)足室外各路燈間的距離要求。是一款把ZigBee 協(xié)議內置進(jìn)Flash里的ZigBee 模塊，其內部已經(jīng)包含了所有外圍電路和完整協(xié)議棧，能夠立即投入使用。PC 上有專(zhuān)門(mén)的配置工具X-CTU，采用串口和用戶(hù)產(chǎn)品進(jìn)行通訊，并可以對模塊進(jìn)行發(fā)射功率，信道等網(wǎng)絡(luò )拓撲參數的配置，使用起來(lái)簡(jiǎn)單快捷。本項目中XBee 模塊通過(guò)UART 接口直接與MEGA 2560 控制器的串口0 相應管腳交叉相連。

　　XBee 模塊的通信系統原理結構如下圖3 所示：

　　2.3 傳感器模塊

　　路燈上采用熱釋電紅外傳感器來(lái)檢測有無(wú)行人，行人檢測原理如下圖4 所示。熱釋電紅外傳感器具有成本低、無(wú)需發(fā)射源、靈敏度高、可流動(dòng)安裝等特點(diǎn)。實(shí)際應用中，在傳感器前加菲涅爾透鏡可以提高接受的靈敏度，增加檢測距離和范圍。實(shí)驗證明，熱釋電紅外傳感器不加菲涅爾透鏡時(shí)檢測距離為2m ；而配上菲涅爾透鏡后檢測距離可達到7m 以上。

　　路燈上的亮度檢測傳感器采用TAOS 公司推出的第二代光強數字轉換芯片TSL2561，其具有高速、低功耗、寬量程、可編程靈活配置等優(yōu)點(diǎn)。并且具有直接的I2C 接口，將光照強度轉換成數字信號輸出。

　　3 系統軟件設計

　　3.1 下位機軟件結構

　　路燈節點(diǎn)的微控制器控制XBee 模塊與主控平臺保持實(shí)時(shí)信息交流結構如圖5 所示。路燈開(kāi)燈條件為亮度低于設定值且在路燈旁有人經(jīng)過(guò)時(shí)，則會(huì )自行打開(kāi)路燈。當路燈出現故障時(shí)，單片機便自行發(fā)送故障信息，及時(shí)告知路燈維護人員。

　　3.2 上位機軟件結構

　　PC 機服務(wù)器采用QT 編寫(xiě)程序，采用QT 是因為其可移植性高和利于編寫(xiě)良好人機界面的特點(diǎn)。本軟件結構如圖6所示，以實(shí)時(shí)數據庫為核心來(lái)實(shí)現功能，它要求能夠實(shí)時(shí)地從協(xié)調器獲取數據，進(jìn)行運算、顯示、故障報警等。該系統管理軟件有如下一些主要功能：主界面是對路燈的實(shí)時(shí)觀(guān)測，反饋路燈的狀態(tài)、運行時(shí)間、環(huán)境光強、功耗等實(shí)時(shí)信息。

　　4 實(shí)驗結果

　　制作了4 個(gè)路燈節點(diǎn)模型，在小范圍進(jìn)行模擬實(shí)驗，通過(guò)PC智能路燈管理軟件遠程操作可以完成三種模式的要求，并實(shí)時(shí)監測路燈信息，反饋給PC 軟件。

　　5 結束語(yǔ)

　　文章介紹了基于MEGA 2560 微控制器的智能LED 路燈控制系統，利用XBee S2 自組網(wǎng)與GSM 移動(dòng)通信相結合的通信網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現智能無(wú)線(xiàn)監測路燈的功能，并自己設計開(kāi)發(fā)了路燈管理軟件。