基于ZigBee的智能路燈控制系統設計方案

　　0 引言

　　隨著(zhù)中國城市和經(jīng)濟的迅速發(fā)展，城市路燈照明已經(jīng)成為展示城市魅力的名片和窗口，但是照明在帶來(lái)絢麗和方便的同時(shí)，也遇到了諸多問(wèn)題。據調查，我國小型城市在夜晚9點(diǎn)后，大中城市在午夜12點(diǎn)后，道路上行人非常稀少，即便是北京、上海、廣州這樣的繁華都市，凌晨2點(diǎn)以后，道路上也罕見(jiàn)行人、車(chē)輛。這時(shí)如果保持“恒照度”會(huì )造成資源的大量浪費；另外后半夜是用電的低谷期，電力系統的電壓升高，路燈反而會(huì )更亮，而我國現行70%的道路照明使用的高壓鈉燈，此類(lèi)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)致使燈泡的實(shí)際使用壽命不超過(guò)1年，帶來(lái)了高額的維修費和材料費，并且系統難以及時(shí)反饋路燈運行的故障信息，無(wú)法進(jìn)行遠程控制和處理，只能采取人工巡查方式。

　　路燈控制系統從最初的開(kāi)關(guān)控制功能，逐漸演化到監控節能控制功能，各種新技術(shù)被用于路燈監控系統中。路燈控制方法有PLC控制，電力載波控制和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制等。從路燈控制系統的成本、可靠性、信息化、應用前景等方面考慮，本方案采用ZigBee無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)實(shí)現LED路燈節能控制的目的。

　　1方案系統設計

　　按照系統要求，本設計主要完成支路控制器和路燈及二者之間的通信網(wǎng)絡(luò )設計，其中支路控制器完成時(shí)間、光照信息的測量，路燈終端完成故障診斷和移動(dòng)物體的檢測，利用ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)實(shí)現支路控制器和路燈終端之間的通信。因此系統主要包括以下分系統：

　　電源穩壓系統、支路控制系統、ZigBee協(xié)調器系統、Zig-Bee 路由和終端系統。其中電源穩壓包括5 V 穩壓和3.3 V穩壓；支路控制系統包括時(shí)間模塊、鍵盤(pán)模塊、顯示模塊和光照采集模塊；ZigBee協(xié)調器包括顯示模塊和鍵盤(pán)模塊；ZigBee路由和終端包括微波雷達檢測模塊、故障檢測模塊和路燈控制模塊。系統結構框圖如圖1所示。

　　ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，在近距離無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )領(lǐng)域得到廣泛應用。 ZigBee技術(shù)采用自組網(wǎng)絡(luò )，其網(wǎng)絡(luò )拓撲機構可以隨意變動(dòng)，這一特點(diǎn)對實(shí)現路燈智能監控系統的智能化、高可靠性、低成本起到很好的作用。ZigBee的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構可分為：網(wǎng)狀結構、星型結構和樹(shù)狀結構，考慮到樹(shù)狀結構能夠提高通信網(wǎng)絡(luò )的可靠性，因此本設計中無(wú)線(xiàn)系統的網(wǎng)絡(luò )拓撲采用樹(shù)狀結構，使用路由功能傳輸。無(wú)線(xiàn)系統由一個(gè)ZigBee協(xié)調器、若干個(gè)路由控制器和若干個(gè)路燈終端所組成，網(wǎng)絡(luò )示意圖如圖2所示。

　　根據ZigBee通信組網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)，將ZigBee 技術(shù)與傳統的路燈控制模式相結合，根據不同路段及時(shí)間，對協(xié)調器設置不同的檢測與控制方式，能及時(shí)對路燈進(jìn)行相應的控制并發(fā)現路燈損壞情況和它的具體位置，方便維修管理，實(shí)現按需節能、智能化管理，達到城市照明系統節能減排的目標。

　　2 系統硬件設計

　　2.1 支路控制器設計

　　根據系統功能，支路控制器主要包括時(shí)空電路、光控電路、鍵盤(pán)及顯示等，電路如圖3所示。

　　時(shí)間控制芯片采用的是DS12887(＄5.3122)芯片，其內部自帶鋰電池，外部掉電時(shí)，還可準確走10年之久，有12小時(shí)制和24小時(shí)制，數據可分二進(jìn)制或BCD 碼傳送，使用非常方便。環(huán)境光檢測部分采用的是光敏電阻加 LM339(＄0.0737)電壓比較器的測量方案。電阻RV2，R5，R9 及光敏電阻共同構成了惠斯頓電橋的兩個(gè)橋臂。在光線(xiàn)相對較強時(shí)，電路輸出端輸出低電平；當光線(xiàn)強度相對較暗時(shí)，電路輸出端輸出高電平。統共設置5個(gè)按鍵，采用獨立式鍵盤(pán)，包括時(shí)間調節鍵，模式選擇鍵及季節設置鍵。時(shí)間調節鍵三個(gè)，設置鍵、上調鍵和下調鍵，按下設置鍵開(kāi)光標，上下調節鍵用來(lái)調節時(shí)間。模式選擇鍵，采用自鎖式按鍵，進(jìn)行繁華和偏僻模式轉換。季節設置鍵，也采用自鎖式按鍵，進(jìn)行夏季和冬季轉換。

　　2.2 ZigBee協(xié)調器設計

　　ZigBee協(xié)調器負責組建網(wǎng)絡(luò )與信息的收發(fā)處理工作。協(xié)調器不斷采集主機發(fā)來(lái)的開(kāi)關(guān)路燈與開(kāi)關(guān)雷達指令，通過(guò)發(fā)送不同的字符給終端使其作相應的操作。

　　同時(shí)能夠顯示故障地址，并能對故障信息進(jìn)行清除。當接收到終端和路由發(fā)來(lái)的故障地址時(shí)，將地址顯示在LCD上。由于CC2530(＄3.5750)的IO口資源較為緊缺，所以設計時(shí)選擇串口驅動(dòng)方式。故障維修人員記錄檢查故障信息，維修員維修之后，需要將原有的故障信息清除，此時(shí)只要按下故障清除按鍵即可。ZigBee協(xié)調器接口電路如圖4所示。

　　2.3 ZigBee路由和終端系統

　　ZigBee路由和終端系統接收來(lái)至協(xié)調器開(kāi)關(guān)燈與開(kāi)關(guān)雷達的指令，某個(gè)路燈出現故障時(shí)發(fā)送本路燈的地址給協(xié)調器。因此ZigBee路由和終端系統由微波雷達檢測模塊、故障檢測模塊及LED路燈控制模塊組成。

　　2.3.1 微波雷達檢測模塊

　　微波雷達傳感器受氣流、溫度、塵埃的影響較小，因此設計中選用標準的10.525 GHz微波多普勒雷達探測器HB100進(jìn)行移動(dòng)物體檢測。在人與車(chē)稀少的區段開(kāi)啟移動(dòng)物體檢測模塊，當有移動(dòng)物體在路燈所檢測的范圍內活動(dòng)時(shí)開(kāi)啟路燈；當移動(dòng)物體離開(kāi)后保持路燈處于低亮狀態(tài)一段時(shí)間，STC15F104 單片機提供延時(shí)，并由P3.1口輸出控制信號。電路如圖5所示。其中CC2530的P2.1口控制三極管的通斷決定單片機與雷達模塊是否上電工作。三極管的發(fā)射極與基極電阻R4 使三極管更有效截止與導通。

　　2.3.2 故障檢測模塊

　　故障檢測電路如圖6 所示。夜晚開(kāi)啟路燈的同時(shí)開(kāi)啟故障檢測模塊，路燈正常工作時(shí)光線(xiàn)強，比較器輸出低電平；路燈故障時(shí)，光線(xiàn)較暗，比較器輸出高電平。

　　由于比較器輸出的只是高低電平，出現故障變?yōu)楦唠娖?，此時(shí)如若直接連接到ZigBee模塊上它會(huì )不斷的發(fā)送故障信息，造成系統資源的浪費。設計中用STC15F104單片機不斷的檢測比較器的輸出端，出現故障時(shí)由P3.3端向ZigBee模塊輸出一個(gè)負脈沖。單片機的工作電源由ZigBee 模塊的LED 端控制，保證系統在高亮時(shí)段實(shí)時(shí)檢測故障從而節約了系統資源。

　　2.3.3 LED路燈控制模塊

　　LED 路燈控制電路如圖7 所示，路燈由兩部分控制。當定時(shí)時(shí)間到時(shí)開(kāi)啟路燈，開(kāi)啟模式為全亮；進(jìn)入雷達檢測模式后，有移動(dòng)物體出現在檢測范圍內，開(kāi)啟全亮模式；兩種控制用與門(mén)連接，有一個(gè)輸出為低電平就開(kāi)啟路燈。沒(méi)有移動(dòng)物體在雷達檢測范圍之內時(shí)路燈處于半亮模式，接入的電壓為全亮模式的一半用。為了使其控制端間互不影響，在各控制末端加入光電耦合器進(jìn)行隔離。

　　3 軟件設計

　　系統上電后進(jìn)行初始化，檢測系統是否正常工作，如果正常則按照路燈控制界面進(jìn)行狀態(tài)檢測并對路燈進(jìn)行輸出控制，使路燈按照既定程序實(shí)現開(kāi)/關(guān)狀態(tài)。

　　主機系統顯示相應的控制信息；協(xié)調器不斷檢測主機數據輸出口狀態(tài)判斷發(fā)送數據與否；終端等待協(xié)調器的數據進(jìn)行。系統軟件設計主要包括主機軟件設計、協(xié)調器軟件設計、路由器和終端軟件設計等三大部分。其中在協(xié)調器軟件設計、路由器和終端軟件設計上協(xié)議棧尤為重要，不同廠(chǎng)家出品的不同產(chǎn)品有不同協(xié)議棧。本文使用的芯片為T(mén)I公司生產(chǎn)的CC2530芯片，使用的協(xié)議棧是由TI公司出品的Z-Stack協(xié)議棧。

　　3.1 主機系統軟件設計

　　根據智能路燈系統實(shí)現功能的需要，主機系統軟件劃分為以下幾個(gè)部分：監控主程序、日歷時(shí)鐘子程序、 LCD顯示子程序、鍵盤(pán)掃描子程序、光線(xiàn)明暗檢測子程序。監控主程序通過(guò)對時(shí)間、鍵盤(pán)、光線(xiàn)情況的循環(huán)判斷，決定是否執行相應的功能程序。主機軟件設計流程圖如圖8所示。主機根據時(shí)間與外界光線(xiàn)狀態(tài)發(fā)出控制命令如表1所示。

　　3.2 協(xié)調器系統軟件設計

　　根據協(xié)議棧對協(xié)調器系統進(jìn)行軟件編程。實(shí)現此項目要求只需修改協(xié)議棧的應用層和硬件層。應用層執行查詢(xún)任務(wù)工作，修改硬件層使整個(gè)系統與所擴展的硬件匹配。

　　3.2.1 硬件層的修改

　　定義協(xié)調器的P2.0、P2.1為數據的輸入端口。協(xié)調器上有顯示故障信息的12864顯示模塊，首先建立一個(gè)lcd.h 文件，在內部定義所應用的管腳定義及相應的宏定義。之后按照12864 的時(shí)序編寫(xiě)12864 的讀寫(xiě)程序lcd.c，建立出數據與寫(xiě)數據位置的接口函數。在協(xié)議棧中ZigBee 聯(lián)盟已經(jīng)將LCD 的顯示程序封裝在硬件層，如果應用另外的顯示硬件只需將原有的lcd.h文件覆蓋即可。

　　3.2.2 應用層修改

　　系統不斷的采集主機數據輸出端口發(fā)來(lái)的數據，根據數據的不同而執行相應的操作。首先將讀取主機數據任務(wù)ID 號加入到任務(wù)中，這樣在任務(wù)循環(huán)執行時(shí)方可執行到，否則永遠執行不到這個(gè)任務(wù)。協(xié)調器讀取任務(wù)流程如圖9所示。

　　3.3 路由器和終端節點(diǎn)系統軟件設計

　　根據協(xié)議棧對路由器和終端節點(diǎn)系統進(jìn)行軟件編程。同樣只需修改協(xié)議棧的應用層和硬件層。應用層執行查詢(xún)任務(wù)工作，修改硬件層使整個(gè)系統與所擴展的硬件匹配。路由器和終端節點(diǎn)系統中開(kāi)關(guān)燈、開(kāi)關(guān)雷達端口用協(xié)議棧內部定義好的兩個(gè)LED燈端口。用控制兩個(gè) LED燈的開(kāi)/關(guān)分別控制路燈開(kāi)/關(guān)、雷達控制開(kāi)/關(guān)。路由器和終端節點(diǎn)系統接收來(lái)自協(xié)調器的字符控制信號，不同字符執行不同操作。利用中斷查詢(xún)方式采集亮燈狀態(tài)下燈泡的光照強度進(jìn)而判斷是否出現故障，出現故障進(jìn)入故障處理函數，編輯路燈地址并發(fā)送到協(xié)調器。

　　4 總結

　　本方案從應用方面著(zhù)手對ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構進(jìn)行研究，采用TI公司的Z-Stask協(xié)議棧和IAR 開(kāi)發(fā)環(huán)境，以CC2530芯片為核心構建了一個(gè)基于ZigBee通信網(wǎng)絡(luò )的路燈控制系統。該路燈控制系統的設計與傳統的路燈控制系統設計相比，一方面減少了“ 全夜燈”、“后夜燈”，有效的節約了電能資源，并且還保護了電燈，延長(cháng)了其使用壽命；另一方面智能路燈控制系統可對全部路燈進(jìn)行實(shí)時(shí)監控和管理，集中控制、監視、檢查，大大減少了后期人力、物力、財力的投入，同時(shí)提高了巡查設備和路燈的工作效率。（作者：高云紅，梁小廷，張慶新）