基于Zigbee的路燈控制系統(tǒng)設(shè)計方案和對策

./基于Zigbee的路燈控制系統(tǒng)設(shè)計方案1引言采用時間控制、光照控制等方式控制的路燈照明系統(tǒng)存在著路燈使用壽命短、管理開銷大、電能浪費(fèi)、無法遠(yuǎn)程監(jiān)控以及故障維修反應(yīng)效率低等現(xiàn)象。隨著人們生活質(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越高,不僅要求安全、節(jié)能、維護(hù)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線景觀路燈照明,為其夜晚增添了不少的色彩。目前國內(nèi)外路燈系統(tǒng)正朝著節(jié)能、單燈控制以及遠(yuǎn)程監(jiān)控的方向發(fā)展。本文基于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),設(shè)計了一套采用Zigbee技術(shù)實(shí)現(xiàn)的路燈控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)；該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)路燈的遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集存儲等功能。2系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)由安裝在路燈燈桿上的路燈節(jié)點(diǎn)、無線網(wǎng)絡(luò)及監(jiān)控中心組成,結(jié)構(gòu)如圖1所示,路燈節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控中心需要配備無線通信模塊。圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.1無線網(wǎng)絡(luò)無線網(wǎng)絡(luò)采用Zigbee技術(shù),使路燈工作現(xiàn)場與系統(tǒng)監(jiān)控中心可靠通信。這種技術(shù)主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)傳輸速率不高且短距離傳輸?shù)母鞣N電子設(shè)備之間,非常適合工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測等場合,具有低功耗、低成本和低復(fù)雜度等特點(diǎn)。本系統(tǒng)Zigbee模塊采用CC2530片上系統(tǒng)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(wěn)壓電源提供5V電壓,以確保各節(jié)點(diǎn)長時間穩(wěn)定工作。根據(jù)路燈系統(tǒng)特點(diǎn),網(wǎng)絡(luò)采用樹形連接,以便靈活擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)和自組網(wǎng)絡(luò)。與PC機(jī)串口RS232連接的Zigbee模塊為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器,起著組織、管理網(wǎng)絡(luò)和發(fā)號施令的作用；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)有節(jié)點(diǎn)加入時,它分配地址給新節(jié)點(diǎn),因此不能掉電也沒有低功耗狀態(tài)。與路燈單元串口連接的Zigbee模塊為路由器,起著中繼器的作用,可以收發(fā)數(shù)據(jù)也可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),承擔(dān)著與上位機(jī)和相鄰節(jié)點(diǎn)通信的任務(wù)。2.2路燈節(jié)點(diǎn)路燈節(jié)點(diǎn)由路燈控制器、電源模塊和Zigbee模塊組成,完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)及控制命令的處理、控制LED燈開關(guān)及調(diào)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(jī)輸入/輸出口可以自由設(shè)定,驅(qū)動能力強(qiáng),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(fù)雜程度?？刂破鞯耐鈬娐钒ㄐ盘枡z測、亮燈驅(qū)動和故障檢測等電路。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(yīng)距離0~7米可調(diào),用于判斷是否有行人或者車輛通過,并根據(jù)設(shè)定值調(diào)節(jié)燈光亮度?？紤]到LED路燈高效節(jié)能及其應(yīng)用日趨廣泛,采用LED作為光源,并采用XN2115芯片驅(qū)動。系統(tǒng)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)電壓通過大電容平波后與電壓比較器的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較,比較結(jié)果的高低電平送入單片機(jī)處理,并將故障信息送至上位機(jī)實(shí)現(xiàn)故障報警、位置顯示等功能。路燈節(jié)點(diǎn)使用了5V及12V的直流電。將220V交流電通過整流橋KBP210變?yōu)?2V直流電,為LED驅(qū)動電路和故障檢測電路提供電源,功率可達(dá)40W;12V直流電源再通過LM2596-5.0集成三端穩(wěn)壓器輸出5V直流電源,輸出電流最大可達(dá)3A,具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性,為Zigbee模塊、單片機(jī)及其他外圍電路提供電源。2.3監(jiān)控中心監(jiān)控中心由PC機(jī)和Zigbee模塊組成,提供系統(tǒng)信息,具有遙測、遙控及存儲和管理數(shù)據(jù)功能的人機(jī)界面顯示,可以對整個路燈系統(tǒng)進(jìn)行工作狀況的實(shí)時監(jiān)控。PC機(jī)可以通過無線通信網(wǎng)絡(luò)采集路燈狀態(tài),例如環(huán)境光強(qiáng)度、用電量、亮燈率等,并可向路燈節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令,路燈節(jié)點(diǎn)根據(jù)這些命令對LED燈進(jìn)行操作,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的按需控制及每盞路燈的實(shí)時監(jiān)控。3系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化,檢測系統(tǒng)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?qū)崿F(xiàn)開/關(guān)狀態(tài),并經(jīng)由Zigbee網(wǎng)絡(luò)實(shí)時顯示信息。監(jiān)控界面可選擇各Zigbee模塊的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)號,搜索網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各個模塊,將控制命令發(fā)送至指定的路燈節(jié)點(diǎn),也可實(shí)時顯示路燈狀態(tài)信息和底層數(shù)據(jù)包。3.1現(xiàn)場信號采集、檢測與處理程序路燈現(xiàn)場環(huán)境光采集模塊經(jīng)由光敏電阻得到電壓值,并通過ATmage16內(nèi)部的1路10位ADC模數(shù)轉(zhuǎn)化電路將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。為了平滑采樣信號,提高系統(tǒng)抗干擾能力,設(shè)計中采用了數(shù)字濾波方式,每次轉(zhuǎn)換完閉后,ATmage16會自動產(chǎn)生中斷信號,將本次和前8次數(shù)據(jù)取平均值送給單片機(jī)處理。當(dāng)有人經(jīng)過時熱釋電紅外傳感器會輸出高電平,經(jīng)過后續(xù)處理電路,單片機(jī)得到一個低電平。為了避免重復(fù)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(diào)光是通過給XN2115芯片的DIM引腳端上施加PWM信號來實(shí)現(xiàn)。ATmage16內(nèi)部自帶四通道的PWM,設(shè)置為快速PWM模式、OC2復(fù)位、32分頻。當(dāng)OCR2的值從0到256變化時,LED燈從全亮到全滅。3.2通信程序設(shè)計系統(tǒng)通信程序包括路燈與路燈節(jié)點(diǎn)之間的通信及其路燈節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控中心之間的通信兩部分。1路燈節(jié)點(diǎn)之間的通信實(shí)現(xiàn)。路燈節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)通信,一方面是為了了保證路燈在夜間沒有行人或車輛通過時處于節(jié)電狀態(tài),即微亮狀態(tài),另一方面是當(dāng)路燈節(jié)點(diǎn)檢測到道路上有行人或車輛通過時,使該路燈轉(zhuǎn)為全亮,并通知下一盞路燈轉(zhuǎn)為全亮,以確保行人或車輛的出行安全。路燈節(jié)點(diǎn)之間采用串口通信,通信參數(shù)配置為異步通信、8位數(shù)據(jù)、無奇偶校驗、一個停止位及無倍速。串口的發(fā)送程序采用查詢方式,接收程序采用中斷接收方式。路燈節(jié)點(diǎn)控制器之間的發(fā)送程序為：sysDRFarr[0]=0xfd;//點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸指令sysDRFarr[1]=1;//數(shù)據(jù)長度sysDRFarr[2]=sysAddress[〔LEDNumber*11+1];//目標(biāo)地址高sysDRFarr[3]=sysAddress[〔LEDNumber*11+2];//目標(biāo)地址低sysDRFarr[4]=0;//數(shù)據(jù)put_arr〔sysDRFarr,5;//發(fā)送一串?dāng)?shù)據(jù)幀接收處理程序為：voidPointToPointRecive〔void{LEDPWM_Adjust〔usartReceiveBuf[3];//接收到的數(shù)據(jù)sysDRFarrShortAddress[0]=usartReceiveBuf[4];//來源地址高sysDRFarrShortAddress[1]=usartReceiveBuf[5];//來源地址低usartReceive_Init;//串口數(shù)據(jù)初始化}2路燈節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控中心之間的通信。路燈節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控中心之間的通信一方面可以通過上位機(jī)為路燈節(jié)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自路燈節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)場運(yùn)行信息,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在監(jiān)控室進(jìn)行路燈系統(tǒng)操控和故障查詢、報警等功能。采用PC機(jī)串口與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器相連,實(shí)現(xiàn)讀取路燈節(jié)點(diǎn)信息或控制路燈運(yùn)行狀態(tài)。例如PC機(jī)要讀取當(dāng)前系統(tǒng)路燈信息,利用串口調(diào)試工具觀察PC機(jī)向無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收數(shù)據(jù),如圖2所示。發(fā)送指令格式為：FB+02+14+路燈編號〔本系統(tǒng)中路燈編號為01,02,03,表示讀取編號為01、02、03的路燈節(jié)點(diǎn)當(dāng)前信息；路燈節(jié)點(diǎn)做出回應(yīng),通過無線網(wǎng)絡(luò)返回路燈信息格式為：環(huán)境光強(qiáng)+路燈光強(qiáng)+故障情況。路燈節(jié)點(diǎn)1返回的信息表明當(dāng)前所處環(huán)境光強(qiáng)度為E2〔由強(qiáng)到弱范圍：FE~00、路燈亮度FB〔由滅到全亮范圍：FE~00、無故障00〔有故障為01.圖2串口調(diào)試界面3.3監(jiān)控軟件功能設(shè)計系統(tǒng)監(jiān)控中心程序包括：顯示監(jiān)控程序、調(diào)試配置程序、系統(tǒng)參數(shù)配置程序及存儲工作運(yùn)行數(shù)據(jù)程序。〔1顯示監(jiān)控程序。顯示監(jiān)控程序包括路燈狀態(tài)信息、街道狀態(tài)信息、報警信息。通過顯示監(jiān)控界面可以實(shí)現(xiàn)街道選擇；觀察路燈當(dāng)前光通量、功耗、工作時長及是否故障；自動統(tǒng)計該街道的總用電量、亮燈率；系統(tǒng)自動工作的時間段；顯示當(dāng)前街道故障的路燈編號及該路燈在什么時間發(fā)生故障?！?調(diào)試配置程序。調(diào)試配置程序包括串口配置、Zigbee讀取及配置、路燈調(diào)試。通過串口配置界面設(shè)置相應(yīng)的串口配置參數(shù)；通過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(shè)置Zigbee模塊的網(wǎng)絡(luò)ID號、波特率；通過路燈調(diào)試界面可以讀取該街道路燈的環(huán)境光強(qiáng)、路燈光強(qiáng)、功耗、是否故障等信息。可以對該路燈進(jìn)行調(diào)光測試及設(shè)置該路燈開始工作時間?！?系統(tǒng)參數(shù)配置程序。系統(tǒng)參數(shù)配置程序包括校正路燈節(jié)點(diǎn)時間、設(shè)置系統(tǒng)工作時間、配置街道地址。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中,系統(tǒng)時間可能會與當(dāng)前時間有差別,通過系統(tǒng)時間校正,可以使系統(tǒng)時間與PC機(jī)時間同步；可以設(shè)置系統(tǒng)正常工作的開關(guān)機(jī)時間與街道地址。〔4存儲工作運(yùn)行數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中,下位機(jī)發(fā)送的路燈信息及報警信息都會保存到數(shù)據(jù)庫中。同時街道及路燈的配置信息也保存在數(shù)據(jù)庫中,并可方便用戶導(dǎo)出及打印信息。4系統(tǒng)功能測試4.1系統(tǒng)測試由于Zigbee網(wǎng)絡(luò)能自組網(wǎng),因此在構(gòu)造試驗系統(tǒng)時我們配置了最小系統(tǒng)：1個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和3個路由器節(jié)點(diǎn),系統(tǒng)采用主從方式,一般處于休眠狀態(tài),當(dāng)有中斷請求時激活節(jié)點(diǎn)進(jìn)行工作。路燈高度為0.7m,路燈間隔為0.8m,現(xiàn)場路燈系統(tǒng)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為小車運(yùn)行到路燈2位置的狀態(tài)。路燈2全亮,并通知路燈1轉(zhuǎn)為微亮、前方路燈3轉(zhuǎn)為全亮。若1號節(jié)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(zhuǎn)為微亮；當(dāng)小車向前運(yùn)行進(jìn)入3號節(jié)點(diǎn)熱釋電紅外傳感范圍時,3號燈通知2號燈轉(zhuǎn)為微量,如圖4所示,對應(yīng)的監(jiān)控界面如圖5所示。監(jiān)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(jiān)控界面。運(yùn)行路燈控制系統(tǒng)軟件時需要進(jìn)行系統(tǒng)配置、通信配置、Zigbee配置等操作；在運(yùn)行中可對路燈節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)光、校正時間等操作。如圖6為系統(tǒng)工作時間設(shè)置,圖7為路燈節(jié)點(diǎn)時間校正。圖6系統(tǒng)工作時間設(shè)置。圖7系統(tǒng)校正時間。4.2系統(tǒng)功能路燈控制方式可分為手動控制方式和自動控制方式,均可在監(jiān)控中心操作或進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能：1可進(jìn)行單燈遠(yuǎn)程監(jiān)控,并可調(diào)節(jié)燈具亮度。2可根據(jù)環(huán)境光自動開關(guān)路燈,并可調(diào)整燈具亮度,保證使用需要。3根據(jù)道路是否有行人/車輛通過實(shí)現(xiàn)亮度漸變。路燈夜間無行人/車輛通過,路燈微亮；當(dāng)檢測到遠(yuǎn)方有行人/車輛接近時,路燈由微亮轉(zhuǎn)為全亮,并通知前方路燈由微量轉(zhuǎn)為全亮；車輛/行人通過后,路燈又轉(zhuǎn)為微亮。4具有路燈故障檢測功能。當(dāng)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(shù)據(jù)統(tǒng)計和存儲功能。可提供路燈用電量、亮燈率和功耗等數(shù)據(jù),并可查詢歷史記錄。6系統(tǒng)具有休眠狀態(tài),降低系統(tǒng)功耗