基于Zigbee的路燈控制系統設計方案

摘要： 提出了一種基于無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議Zigbee的路燈控制系統實(shí)現方案。系統光源采用LED,具有熱釋電紅外人體檢測、環(huán)境光檢測及時(shí)間設定等路燈控制方式，能實(shí)現遠程單燈監控、自動(dòng)調光、電能測量、故障檢測及故障位置顯示等功能。試驗應用表明： 系統操作界面友好、功能強大，且路燈節點(diǎn)體積小、易于安裝。

1 引言

采用時(shí)間控制、光照控制等方式控制的路燈照明系統存在著(zhù)路燈使用壽命短、管理開(kāi)銷(xiāo)大、電能浪費、無(wú)法遠程監控以及故障維修反應效率低等現象。隨著(zhù)人們生活質(zhì)量的提高及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對城市路燈的要求越來(lái)越高，不僅要求安全、節能、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(wú)線(xiàn)景觀(guān)路燈照明，為其夜晚增添了不少的色彩。

目前國內外路燈系統正朝著(zhù)節能、單燈控制以及遠程監控的方向發(fā)展。本文基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，設計了一套采用Zigbee 技術(shù)實(shí)現的路燈控制實(shí)訓系統; 該系統可實(shí)現路燈的遠程實(shí)時(shí)監控及數據采集存儲等功能。

2 系統硬件設計

系統由安裝在路燈燈桿上的路燈節點(diǎn)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )及監控中心組成，結構如圖1 所示，路燈節點(diǎn)和監控中心需要配備無(wú)線(xiàn)通信模塊。

圖1 系統結構圖

2. 1 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )采用Zigbee 技術(shù)，使路燈工作現場(chǎng)與系統監控中心可靠通信。這種技術(shù)主要應用在數據傳輸速率不高且短距離傳輸的各種電子設備之間，非常適合工業(yè)控制、環(huán)境監測等場(chǎng)合，具有低功耗、低成本和低復雜度等特點(diǎn)。本系統Zigbee 模塊采用CC2530 片上系統作為控制電路的核心，具有256KBFLASH,在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于25mA 和34mA.模塊電源由外部穩壓電源提供5V電壓，以確保各節點(diǎn)長(cháng)時(shí)間穩定工作。

根據路燈系統特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò )采用樹(shù)形連接，以便靈活擴展節點(diǎn)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)調器，起著(zhù)組織、管理網(wǎng)絡(luò )和發(fā)號施令的作用; 當網(wǎng)絡(luò )有節點(diǎn)加入時(shí)，它分配地址給新節點(diǎn)，因此不能掉電也沒(méi)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(zhù)中繼器的作用，可以收發(fā)數據也可以轉發(fā)數據，承擔著(zhù)與上位機和相鄰節點(diǎn)通信的任務(wù)。

2. 2 路燈節點(diǎn)

路燈節點(diǎn)由路燈控制器、電源模塊和Zigbee 模塊組成，完成現場(chǎng)數據及控制命令的處理、控制LED 燈開(kāi)關(guān)及調光的任務(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/輸出口可以自由設定，驅動(dòng)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，降低了電路的復雜程度?？刂破鞯耐鈬娐钒ㄐ盘枡z測、亮燈驅動(dòng)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感應距離0 ~ 7 米可調，用于判斷是否有行人或者車(chē)輛通過(guò)，并根據設定值調節燈光亮度。

考慮到LED 路燈高效節能及其應用日趨廣泛，采用LED 作為光源，并采用XN2115 芯片驅動(dòng)。系統選用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(diǎn)的電壓，將該點(diǎn)電壓通過(guò)大電容平波后與電壓比較器的基準電壓進(jìn)行比較，比較結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(shí)現故障報警、位置顯示等功能。

路燈節點(diǎn)使用了5V 及12V 的直流電。將220V交流電通過(guò)整流橋KBP210 變?yōu)?2V 直流電，為L(cháng)ED 驅動(dòng)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(guò)LM2596-5. 0 集成三端穩壓器輸出5V 直流電源，輸出電流最大可達3A,具有很好的線(xiàn)性和負載調節特性，為Zigbee 模塊、單片機及其他外圍電路提供電源。

2. 3 監控中心

監控中心由PC 機和Zigbee 模塊組成，提供系統信息，具有遙測、遙控及存儲和管理數據功能的人機界面顯示，可以對整個(gè)路燈系統進(jìn)行工作狀況的實(shí)時(shí)監控。

PC 機可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)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，并可向路燈節點(diǎn)發(fā)送控制命令，路燈節點(diǎn)根據這些命令對LED 燈進(jìn)行操作，實(shí)現系統的按需控制及每盞路燈的實(shí)時(shí)監控。

3 系統軟件設計

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)行路燈狀態(tài)檢測或者對路燈進(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)，并經(jīng)由Zigbee 網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)顯示信息。

監控界面可選擇各Zigbee 模塊的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)號，搜索網(wǎng)絡(luò )內的各個(gè)模塊，將控制命令發(fā)送至指定的路燈節點(diǎn)，也可實(shí)時(shí)顯示路燈狀態(tài)信息和底層數據包。

3. 1 現場(chǎng)信號采集、檢測與處理程序

路燈現場(chǎng)環(huán)境光采集模塊經(jīng)由光敏電阻得到電壓值，并通過(guò)ATmage16 內部的1 路10 位ADC 模數轉化電路將其轉化為數字信號。為了平滑采樣信號，提高系統抗干擾能力，設計中采用了數字濾波方式，每次轉換完閉后，ATmage16 會(huì )自動(dòng)產(chǎn)生中斷信號，將本次和前8 次數據取平均值送給單片機處理。

當有人經(jīng)過(guò)時(shí)熱釋電紅外傳感器會(huì )輸出高電平，經(jīng)過(guò)后續處理電路，單片機得到一個(gè)低電平。為了避免重復觸發(fā)，人體檢測中斷觸發(fā)方式采用下降沿方式。

路燈的調光是通過(guò)給XN2115 芯片的DIM 引腳端上施加PWM 信號來(lái)實(shí)現。ATmage16 內部自帶四通道的PWM,設置為快速PWM 模式、OC2 復位、32 分頻。當OCR2 的值從0 到256 變化時(shí)，LED 燈從全亮到全滅。

3. 2 通信程序設計

系統通信程序包括路燈與路燈節點(diǎn)之間的通信及其路燈節點(diǎn)與監控中心之間的通信兩部分。

1) 路燈節點(diǎn)之間的通信實(shí)現。

路燈節點(diǎn)之間實(shí)現通信，一方面是為了了保證路燈在夜間沒(méi)有行人或車(chē)輛通過(guò)時(shí)處于節電狀態(tài)，即微亮狀態(tài)，另一方面是當路燈節點(diǎn)檢測到道路上有行人或車(chē)輛通過(guò)時(shí)，使該路燈轉為全亮，并通知下一盞路燈轉為全亮，以確保行人或車(chē)輛的出行安全。

路燈節點(diǎn)之間采用串口通信，通信參數配置為異步通信、8 位數據、無(wú)奇偶校驗、一個(gè)停止位及無(wú)倍速。串口的發(fā)送程序采用查詢(xún)方式，接收程序采用中斷接收方式。

路燈節點(diǎn)控制器之間的發(fā)送程序為：

sysDRFarr [0] = 0xfd; / /點(diǎn)對點(diǎn)數據傳輸指令

sysDRFarr [1] = 1; / /數據長(cháng)度

sysDRFarr [2] = sysAddress [( LEDNumber )* 11 + 1]; / /目標地址高

sysDRFarr [3] = sysAddress [( LEDNumber )* 11 + 2]; / /目標地址低

sysDRFarr [4] = 0; / /數據

put_ arr ( sysDRFarr,5) ; / /發(fā)送一串數據幀

接收處理程序為：

void PointToPointRecive ( void)

{

LEDPWM_ Adjust ( usartReceiveBuf [3 ]) ;

/ /接收到的數據

sysDRFarrShortAddress [0] = usartReceiveBuf[4]; / /來(lái)源地址高

sysDRFarrShortAddress [1] = usartReceiveBuf[5]; / /來(lái)源地址低

usartReceive_ Init ( ) ; / /串口數據初始化

}

2) 路燈節點(diǎn)與監控中心之間的通信。

路燈節點(diǎn)與監控中心之間的通信一方面可以通過(guò)上位機為路燈節點(diǎn)配置相關(guān)信息、發(fā)送控制指令，另一方面可以接收來(lái)自路燈節點(diǎn)的現場(chǎng)運行信息，實(shí)現系統在監控室進(jìn)行路燈系統操控和故障查詢(xún)、報警等功能。

采用PC 機串口與網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器相連，實(shí)現讀取路燈節點(diǎn)信息或控制路燈運行狀態(tài)。例如PC 機要讀取當前系統路燈信息，利用串口調試工具觀(guān)察PC機向無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送和接收數據，如圖2 所示。發(fā)送指令格式為： FB + 02 + 14 + 路燈編號( 本系統中路燈編號為01,02,03)，表示讀取編號為01、02、03 的路燈節點(diǎn)當前信息; 路燈節點(diǎn)做出回應，通過(guò)無(wú)線(xiàn)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。路燈節點(diǎn)1 返回的信息表明當前所處環(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(wú)故障00( 有故障為01) .

圖2 串口調試界面

3. 3 監控軟件功能設計

系統監控中心程序包括： 顯示監控程序、調試配置程序、系統參數配置程序及存儲工作運行數據程序。

(1) 顯示監控程序。

顯示監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(guò)顯示監控界面可以實(shí)現街道選擇; 觀(guān)察路燈當前光通量、功耗、工作時(shí)長(cháng)及是否故障; 自動(dòng)統計該街道的總用電量、亮燈率; 系統自動(dòng)工作的時(shí)間段; 顯示當前街道故障的路燈編號及該路燈在什么時(shí)間發(fā)生故障。

(2) 調試配置程序。

調試配置程序包括串口配置、Zigbee 讀取及配置、路燈調試。通過(guò)串口配置界面設置相應的串口配置參數; 通過(guò)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，可以方便的設置Zigbee 模塊的網(wǎng)絡(luò )ID 號、波特率;通過(guò)路燈調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(jìn)行調光測試及設置該路燈開(kāi)始工作時(shí)間。

(3) 系統參數配置程序。

系統參數配置程序包括校正路燈節點(diǎn)時(shí)間、設置系統工作時(shí)間、配置街道地址。在系統運行過(guò)程中，系統時(shí)間可能會(huì )與當前時(shí)間有差別，通過(guò)系統時(shí)間校正，可以使系統時(shí)間與PC 機時(shí)間同步; 可以設置系統正常工作的開(kāi)關(guān)機時(shí)間與街道地址。

(4) 存儲工作運行數據。

在系統運行的過(guò)程中，下位機發(fā)送的路燈信息及報警信息都會(huì )保存到數據庫中。同時(shí)街道及路燈的配置信息也保存在數據庫中，并可方便用戶(hù)導出及打印信息。

4 系統功能測試

4. 1 系統測試

由于Zigbee 網(wǎng)絡(luò )能自組網(wǎng)，因此在構造試驗系統時(shí)我們配置了最小系統： 1 個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器節點(diǎn)和3個(gè)路由器節點(diǎn)，系統采用主從方式，一般處于休眠狀態(tài)，當有中斷請求時(shí)激活節點(diǎn)進(jìn)行工作。路燈高度為0. 7m,路燈間隔為0. 8m,現場(chǎng)路燈系統如圖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(chē)運行到路燈2 位置的狀態(tài)。路燈2全亮，并通知路燈1 轉為微亮、前方路燈3 轉為全亮。若1 號節點(diǎn)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)轉為微亮; 當小車(chē)向前運行進(jìn)入3 號節點(diǎn)熱釋電紅外傳感范圍時(shí)，3號燈通知2 號燈轉為微量，如圖4 所示，對應的監控界面如圖5 所示。監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 監控界面。

運行路燈控制系統軟件時(shí)需要進(jìn)行系統配置、通信配置、Zigbee 配置等操作; 在運行中可對路燈節點(diǎn)進(jìn)行調光、校正時(shí)間等操作。如圖6 為系統工作時(shí)間設置，圖7 為路燈節點(diǎn)時(shí)間校正。

圖6 系統工作時(shí)間設置。

圖7 系統校正時(shí)間。

4. 2 系統功能

路燈控制方式可分為手動(dòng)控制方式和自動(dòng)控制方式，均可在監控中心操作或進(jìn)行參數設置。系統可實(shí)現以下功能：

1) 可進(jìn)行單燈遠程監控，并可調節燈具亮度。

2) 可根據環(huán)境光自動(dòng)開(kāi)關(guān)路燈，并可調整燈具亮度，保證使用需要。

3) 根據道路是否有行人/車(chē)輛通過(guò)實(shí)現亮度漸變。路燈夜間無(wú)行人/車(chē)輛通過(guò)，路燈微亮; 當檢測到遠方有行人/車(chē)輛接近時(shí)，路燈由微亮轉為全亮，并通知前方路燈由微量轉為全亮; 車(chē)輛/行人通過(guò)后，路燈又轉為微亮。

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

5) 具有數據統計和存儲功能?？商峁┞窡粲秒娏?、亮燈率和功耗等數據，并可查詢(xún)歷史記錄。

6) 系統具有休眠狀態(tài)，降低系統功耗。

5 結束語(yǔ)

智能化和網(wǎng)絡(luò )化控制路燈是未來(lái)路燈控制的發(fā)展方向和必然趨勢。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步和城市發(fā)展的需求，無(wú)線(xiàn)傳感節點(diǎn)集成度會(huì )越來(lái)越高，價(jià)格會(huì )越來(lái)越低，路燈控制系統的功能會(huì )越來(lái)越多，路燈的自動(dòng)化管理和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的結合應用也必然會(huì )越來(lái)越廣泛。

本系統采用Zigbee 協(xié)議實(shí)現了路燈控制模擬系統的實(shí)時(shí)監控和網(wǎng)絡(luò )化管理。系統網(wǎng)絡(luò )擴展靈活、現場(chǎng)易于安裝，操作界面友好、管理方便。本系統已用于自動(dòng)化類(lèi)專(zhuān)業(yè)的大學(xué)生實(shí)驗實(shí)訓教學(xué)，有助于學(xué)生了解無(wú)線(xiàn)通信、傳感技術(shù)、單片機技術(shù)及其在城市路燈控制系統中的應用。