一款基于ZigBee的智能路燈控制系統設計

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。