一種基于Zigbee的路燈控制系統實(shí)現方案
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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。
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