基于ZigBee的智能路燈控制系統(tǒng)設計方案

　　0 引言

　　隨著中國城市和經濟的迅速發(fā)展，城市路燈照明已經成為展示城市魅力的名片和窗口，但是照明在帶來絢麗和方便的同時，也遇到了諸多問題。據(jù)調查，我國小型城市在夜晚9點后，大中城市在午夜12點后，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點以后，道路上也罕見行人、車輛。這時如果保持“恒照度”會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(tǒng)的電壓升高，路燈反而會更亮，而我國現(xiàn)行70%的道路照明使用的高壓鈉燈，此類電網電壓的波動致使燈泡的實際使用壽命不超過1年，帶來了高額的維修費和材料費，并且系統(tǒng)難以及時反饋路燈運行的故障信息，無法進行遠程控制和處理，只能采取人工巡查方式。

　　路燈控制系統(tǒng)從最初的開關控制功能，逐漸演化到監(jiān)控節(jié)能控制功能，各種新技術被用于路燈監(jiān)控系統(tǒng)中。路燈控制方法有PLC控制，電力載波控制和無線網絡控制等。從路燈控制系統(tǒng)的成本、可靠性、信息化、應用前景等方面考慮，本方案采用ZigBee無線自組網網絡技術實現(xiàn)LED路燈節(jié)能控制的目的。

　　1方案系統(tǒng)設計

　　按照系統(tǒng)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絡設計，其中支路控制器完成時間、光照信息的測量，路燈終端完成故障診斷和移動物體的檢測，利用ZigBee無線網絡技術實現(xiàn)支路控制器和路燈終端之間的通信。因此系統(tǒng)主要包括以下分系統(tǒng)：

　　電源穩(wěn)壓系統(tǒng)、支路控制系統(tǒng)、ZigBee協(xié)調器系統(tǒng)、Zig-Bee 路由和終端系統(tǒng)。其中電源穩(wěn)壓包括5 V 穩(wěn)壓和3.3 V穩(wěn)壓；支路控制系統(tǒng)包括時間模塊、鍵盤模塊、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(tǒng)結構框圖如圖1所示。

　　ZigBee技術是一種新興的短距離無線通信技術，在近距離無線網絡領域得到廣泛應用。 ZigBee技術采用自組網絡，其網絡拓撲機構可以隨意變動，這一特點對實現(xiàn)路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)的智能化、高可靠性、低成本起到很好的作用。ZigBee的網絡拓撲結構可分為：網狀結構、星型結構和樹狀結構，考慮到樹狀結構能夠提高通信網絡的可靠性，因此本設計中無線系統(tǒng)的網絡拓撲采用樹狀結構，使用路由功能傳輸。無線系統(tǒng)由一個ZigBee協(xié)調器、若干個路由控制器和若干個路燈終端所組成，網絡示意圖如圖2所示。

　　根據(jù)ZigBee通信組網技術的特點，將ZigBee 技術與傳統(tǒng)的路燈控制模式相結合，根據(jù)不同路段及時間，對協(xié)調器設置不同的檢測與控制方式，能及時對路燈進行相應的控制并發(fā)現(xiàn)路燈損壞情況和它的具體位置，方便維修管理，實現(xiàn)按需節(jié)能、智能化管理，達到城市照明系統(tǒng)節(jié)能減排的目標。

　　2 系統(tǒng)硬件設計

　　2.1 支路控制器設計

　　根據(jù)系統(tǒng)功能，支路控制器主要包括時空電路、光控電路、鍵盤及顯示等，電路如圖3所示。

　　時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，還可準確走10年之久，有12小時制和24小時制，數(shù)據(jù)可分二進制或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橋臂。在光線相對較強時，電路輸出端輸出低電平；當光線強度相對較暗時，電路輸出端輸出高電平。統(tǒng)共設置5個按鍵，采用獨立式鍵盤，包括時間調節(jié)鍵，模式選擇鍵及季節(jié)設置鍵。時間調節(jié)鍵三個，設置鍵、上調鍵和下調鍵，按下設置鍵開光標，上下調節(jié)鍵用來調節(jié)時間。模式選擇鍵，采用自鎖式按鍵，進行繁華和偏僻模式轉換。季節(jié)設置鍵，也采用自鎖式按鍵，進行夏季和冬季轉換。

　　2.2 ZigBee協(xié)調器設計

　　ZigBee協(xié)調器負責組建網絡與信息的收發(fā)處理工作。協(xié)調器不斷采集主機發(fā)來的開關路燈與開關雷達指令，通過發(fā)送不同的字符給終端使其作相應的操作。

　　同時能夠顯示故障地址，并能對故障信息進行清除。當接收到終端和路由發(fā)來的故障地址時，將地址顯示在LCD上。由于CC2530(＄3.5750)的IO口資源較為緊缺，所以設計時選擇串口驅動方式。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(tǒng)

　　ZigBee路由和終端系統(tǒng)接收來至協(xié)調器開關燈與開關雷達的指令，某個路燈出現(xiàn)故障時發(fā)送本路燈的地址給協(xié)調器。因此ZigBee路由和終端系統(tǒng)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進行移動物體檢測。在人與車稀少的區(qū)段開啟移動物體檢測模塊，當有移動物體在路燈所檢測的范圍內活動時開啟路燈；當移動物體離開后保持路燈處于低亮狀態(tài)一段時間，STC15F104 單片機提供延時，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。夜晚開啟路燈的同時開啟故障檢測模塊，路燈正常工作時光線強，比較器輸出低電平；路燈故障時，光線較暗，比較器輸出高電平。

　　由于比較器輸出的只是高低電平，出現(xiàn)故障變?yōu)楦唠娖?，此時如若直接連接到ZigBee模塊上它會不斷的發(fā)送故障信息，造成系統(tǒng)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(xiàn)故障時由P3.3端向ZigBee模塊輸出一個負脈沖。單片機的工作電源由ZigBee 模塊的LED 端控制，保證系統(tǒng)在高亮時段實時檢測故障從而節(jié)約了系統(tǒng)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。當定時時間到時開啟路燈，開啟模式為全亮；進入雷達檢測模式后，有移動物體出現(xiàn)在檢測范圍內，開啟全亮模式；兩種控制用與門連接，有一個輸出為低電平就開啟路燈。沒有移動物體在雷達檢測范圍之內時路燈處于半亮模式，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行隔離。

　　3 軟件設計

　　系統(tǒng)上電后進行初始化，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行狀態(tài)檢測并對路燈進行輸出控制，使路燈按照既定程序實現(xiàn)開/關狀態(tài)。

　　主機系統(tǒng)顯示相應的控制信息；協(xié)調器不斷檢測主機數(shù)據(jù)輸出口狀態(tài)判斷發(fā)送數(shù)據(jù)與否；終端等待協(xié)調器的數(shù)據(jù)進行。系統(tǒng)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，不同廠家出品的不同產品有不同協(xié)議棧。本文使用的芯片為TI公司生產的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(tǒng)軟件設計

　　根據(jù)智能路燈系統(tǒng)實現(xiàn)功能的需要，主機系統(tǒng)軟件劃分為以下幾個部分：監(jiān)控主程序、日歷時鐘子程序、 LCD顯示子程序、鍵盤掃描子程序、光線明暗檢測子程序。監(jiān)控主程序通過對時間、鍵盤、光線情況的循環(huán)判斷，決定是否執(zhí)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(jù)時間與外界光線狀態(tài)發(fā)出控制命令如表1所示。

　　3.2 協(xié)調器系統(tǒng)軟件設計

　　根據(jù)協(xié)議棧對協(xié)調器系統(tǒng)進行軟件編程。實現(xiàn)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(zhí)行查詢任務工作，修改硬件層使整個系統(tǒng)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(shù)據(jù)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 的時序編寫12864 的讀寫程序lcd.c，建立出數(shù)據(jù)與寫數(shù)據(jù)位置的接口函數(shù)。在協(xié)議棧中ZigBee 聯(lián)盟已經將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(tǒng)不斷的采集主機數(shù)據(jù)輸出端口發(fā)來的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的不同而執(zhí)行相應的操作。首先將讀取主機數(shù)據(jù)任務ID 號加入到任務中，這樣在任務循環(huán)執(zhí)行時方可執(zhí)行到，否則永遠執(zhí)行不到這個任務。協(xié)調器讀取任務流程如圖9所示。

　　3.3 路由器和終端節(jié)點系統(tǒng)軟件設計

　　根據(jù)協(xié)議棧對路由器和終端節(jié)點系統(tǒng)進行軟件編程。同樣只需修改協(xié)議棧的應用層和硬件層。應用層執(zhí)行查詢任務工作，修改硬件層使整個系統(tǒng)與所擴展的硬件匹配。路由器和終端節(jié)點系統(tǒng)中開關燈、開關雷達端口用協(xié)議棧內部定義好的兩個LED燈端口。用控制兩個 LED燈的開/關分別控制路燈開/關、雷達控制開/關。路由器和終端節(jié)點系統(tǒng)接收來自協(xié)調器的字符控制信號，不同字符執(zhí)行不同操作。利用中斷查詢方式采集亮燈狀態(tài)下燈泡的光照強度進而判斷是否出現(xiàn)故障，出現(xiàn)故障進入故障處理函數(shù)，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手對ZigBee技術的網絡拓撲結構進行研究，采用TI公司的Z-Stask協(xié)議棧和IAR 開發(fā)環(huán)境，以CC2530芯片為核心構建了一個基于ZigBee通信網絡的路燈控制系統(tǒng)。該路燈控制系統(tǒng)的設計與傳統(tǒng)的路燈控制系統(tǒng)設計相比，一方面減少了“ 全夜燈”、“后夜燈”，有效的節(jié)約了電能資源，并且還保護了電燈，延長了其使用壽命；另一方面智能路燈控制系統(tǒng)可對全部路燈進行實時監(jiān)控和管理，集中控制、監(jiān)視、檢查，大大減少了后期人力、物力、財力的投入，同時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）