基于ZigBee的智能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　0 引言

　　隨著中國(guó)城市和經(jīng)濟(jì)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，但是照明在帶來絢麗和方便的同時(shí)，也遇到了諸多問題。據(jù)調(diào)查，我國(guó)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，道路上也罕見行人、車輛。這時(shí)如果保持“恒照度”會(huì)造成資源的大量浪費(fèi)；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(huì)更亮，而我國(guó)現(xiàn)行70%的道路照明使用的高壓鈉燈，此類電網(wǎng)電壓的波動(dòng)致使燈泡的實(shí)際使用壽命不超過1年，帶來了高額的維修費(fèi)和材料費(fèi)，并且系統(tǒng)難以及時(shí)反饋路燈運(yùn)行的故障信息，無法進(jìn)行遠(yuǎn)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(guān)控制功能，逐漸演化到監(jiān)控節(jié)能控制功能，各種新技術(shù)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(wǎng)絡(luò)控制等。從路燈控制系統(tǒng)的成本、可靠性、信息化、應(yīng)用前景等方面考慮，本方案采用ZigBee無線自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)LED路燈節(jié)能控制的目的。

　　1方案系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　按照系統(tǒng)要求，本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，其中支路控制器完成時(shí)間、光照信息的測(cè)量，路燈終端完成故障診斷和移動(dòng)物體的檢測(cè)，利用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)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(diào)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(shí)間模塊、鍵盤模塊、顯示模塊和光照采集模塊；ZigBee協(xié)調(diào)器包括顯示模塊和鍵盤模塊；ZigBee路由和終端包括微波雷達(dá)檢測(cè)模塊、故障檢測(cè)模塊和路燈控制模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離無線通信技術(shù)，在近距離無線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 ZigBee技術(shù)采用自組網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錂C(jī)構(gòu)可以隨意變動(dòng)，這一特點(diǎn)對(duì)實(shí)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(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為：網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、星型結(jié)構(gòu)和樹狀結(jié)構(gòu)，考慮到樹狀結(jié)構(gòu)能夠提高通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性，因此本設(shè)計(jì)中無線系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎脴錉罱Y(jié)構(gòu)，使用路由功能傳輸。無線系統(tǒng)由一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)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(jù)ZigBee通信組網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)，將ZigBee 技術(shù)與傳統(tǒng)的路燈控制模式相結(jié)合，根據(jù)不同路段及時(shí)間，對(duì)協(xié)調(diào)器設(shè)置不同的檢測(cè)與控制方式，能及時(shí)對(duì)路燈進(jìn)行相應(yīng)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(shí)現(xiàn)按需節(jié)能、智能化管理，達(dá)到城市照明系統(tǒng)節(jié)能減排的目標(biāo)。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 支路控制器設(shè)計(jì)

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

　　時(shí)間控制芯片采用的是DS12887(＄5.3122)芯片，其內(nèi)部自帶鋰電池，外部掉電時(shí)，還可準(zhǔn)確走10年之久，有12小時(shí)制和24小時(shí)制，數(shù)據(jù)可分二進(jìn)制或BCD 碼傳送，使用非常方便。環(huán)境光檢測(cè)部分采用的是光敏電阻加 LM339(＄0.0737)電壓比較器的測(cè)量方案。電阻RV2，R5，R9 及光敏電阻共同構(gòu)成了惠斯頓電橋的兩個(gè)橋臂。在光線相對(duì)較強(qiáng)時(shí)，電路輸出端輸出低電平；當(dāng)光線強(qiáng)度相對(duì)較暗時(shí)，電路輸出端輸出高電平。統(tǒng)共設(shè)置5個(gè)按鍵，采用獨(dú)立式鍵盤，包括時(shí)間調(diào)節(jié)鍵，模式選擇鍵及季節(jié)設(shè)置鍵。時(shí)間調(diào)節(jié)鍵三個(gè)，設(shè)置鍵、上調(diào)鍵和下調(diào)鍵，按下設(shè)置鍵開光標(biāo)，上下調(diào)節(jié)鍵用來調(diào)節(jié)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(zhuǎn)換。季節(jié)設(shè)置鍵，也采用自鎖式按鍵，進(jìn)行夏季和冬季轉(zhuǎn)換。

　　2.2 ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)

　　ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)與信息的收發(fā)處理工作。協(xié)調(diào)器不斷采集主機(jī)發(fā)來的開關(guān)路燈與開關(guān)雷達(dá)指令，通過發(fā)送不同的字符給終端使其作相應(yīng)的操作。

　　同時(shí)能夠顯示故障地址，并能對(duì)故障信息進(jìn)行清除。當(dāng)接收到終端和路由發(fā)來的故障地址時(shí)，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(shè)計(jì)時(shí)選擇串口驅(qū)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(diào)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(diào)器開關(guān)燈與開關(guān)雷達(dá)的指令，某個(gè)路燈出現(xiàn)故障時(shí)發(fā)送本路燈的地址給協(xié)調(diào)器。因此ZigBee路由和終端系統(tǒng)由微波雷達(dá)檢測(cè)模塊、故障檢測(cè)模塊及LED路燈控制模塊組成。

　　2.3.1 微波雷達(dá)檢測(cè)模塊

　　微波雷達(dá)傳感器受氣流、溫度、塵埃的影響較小，因此設(shè)計(jì)中選用標(biāo)準(zhǔn)的10.525 GHz微波多普勒雷達(dá)探測(cè)器HB100進(jìn)行移動(dòng)物體檢測(cè)。在人與車稀少的區(qū)段開啟移動(dòng)物體檢測(cè)模塊，當(dāng)有移動(dòng)物體在路燈所檢測(cè)的范圍內(nèi)活動(dòng)時(shí)開啟路燈；當(dāng)移動(dòng)物體離開后保持路燈處于低亮狀態(tài)一段時(shí)間，STC15F104 單片機(jī)提供延時(shí)，并由P3.1口輸出控制信號(hào)。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(jī)與雷達(dá)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(dǎo)通。

　　2.3.2 故障檢測(cè)模塊

　　故障檢測(cè)電路如圖6 所示。夜晚開啟路燈的同時(shí)開啟故障檢測(cè)模塊，路燈正常工作時(shí)光線強(qiáng)，比較器輸出低電平；路燈故障時(shí)，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(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(tǒng)資源的浪費(fèi)。設(shè)計(jì)中用STC15F104單片機(jī)不斷的檢測(cè)比較器的輸出端，出現(xiàn)故障時(shí)由P3.3端向ZigBee模塊輸出一個(gè)負(fù)脈沖。單片機(jī)的工作電源由ZigBee 模塊的LED 端控制，保證系統(tǒng)在高亮?xí)r段實(shí)時(shí)檢測(cè)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(dāng)定時(shí)時(shí)間到時(shí)開啟路燈，開啟模式為全亮；進(jìn)入雷達(dá)檢測(cè)模式后，有移動(dòng)物體出現(xiàn)在檢測(cè)范圍內(nèi)，開啟全亮模式；兩種控制用與門連接，有一個(gè)輸出為低電平就開啟路燈。沒有移動(dòng)物體在雷達(dá)檢測(cè)范圍之內(nèi)時(shí)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(jìn)行隔離。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化，檢測(cè)系統(tǒng)是否正常工作，如果正常則按照路燈控制界面進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)并對(duì)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)。

　　主機(jī)系統(tǒng)顯示相應(yīng)的控制信息；協(xié)調(diào)器不斷檢測(cè)主機(jī)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(diào)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括主機(jī)軟件設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)、路由器和終端軟件設(shè)計(jì)等三大部分。其中在協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)、路由器和終端軟件設(shè)計(jì)上協(xié)議棧尤為重要，不同廠家出品的不同產(chǎn)品有不同協(xié)議棧。本文使用的芯片為TI公司生產(chǎn)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(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　根據(jù)智能路燈系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的需要，主機(jī)系統(tǒng)軟件劃分為以下幾個(gè)部分：監(jiān)控主程序、日歷時(shí)鐘子程序、 LCD顯示子程序、鍵盤掃描子程序、光線明暗檢測(cè)子程序。監(jiān)控主程序通過對(duì)時(shí)間、鍵盤、光線情況的循環(huán)判斷，決定是否執(zhí)行相應(yīng)的功能程序。主機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。主機(jī)根據(jù)時(shí)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(diào)器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　根據(jù)協(xié)議棧對(duì)協(xié)調(diào)器系統(tǒng)進(jìn)行軟件編程。實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)目要求只需修改協(xié)議棧的應(yīng)用層和硬件層。應(yīng)用層執(zhí)行查詢?nèi)蝿?wù)工作，修改硬件層使整個(gè)系統(tǒng)與所擴(kuò)展的硬件匹配。

　　3.2.1 硬件層的修改

　　定義協(xié)調(diào)器的P2.0、P2.1為數(shù)據(jù)的輸入端口。協(xié)調(diào)器上有顯示故障信息的12864顯示模塊，首先建立一個(gè)lcd.h 文件，在內(nèi)部定義所應(yīng)用的管腳定義及相應(yīng)的宏定義。之后按照12864 的時(shí)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(jīng)將LCD 的顯示程序封裝在硬件層，如果應(yīng)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(yīng)用層修改

　　系統(tǒng)不斷的采集主機(jī)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(yīng)的操作。首先將讀取主機(jī)數(shù)據(jù)任務(wù)ID 號(hào)加入到任務(wù)中，這樣在任務(wù)循環(huán)執(zhí)行時(shí)方可執(zhí)行到，否則永遠(yuǎn)執(zhí)行不到這個(gè)任務(wù)。協(xié)調(diào)器讀取任務(wù)流程如圖9所示。

　　3.3 路由器和終端節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　根據(jù)協(xié)議棧對(duì)路由器和終端節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行軟件編程。同樣只需修改協(xié)議棧的應(yīng)用層和硬件層。應(yīng)用層執(zhí)行查詢?nèi)蝿?wù)工作，修改硬件層使整個(gè)系統(tǒng)與所擴(kuò)展的硬件匹配。路由器和終端節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中開關(guān)燈、開關(guān)雷達(dá)端口用協(xié)議棧內(nèi)部定義好的兩個(gè)LED燈端口。用控制兩個(gè) LED燈的開/關(guān)分別控制路燈開/關(guān)、雷達(dá)控制開/關(guān)。路由器和終端節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)接收來自協(xié)調(diào)器的字符控制信號(hào)，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(qiáng)度進(jìn)而判斷是否出現(xiàn)故障，出現(xiàn)故障進(jìn)入故障處理函數(shù)，編輯路燈地址并發(fā)送到協(xié)調(diào)器。

　　4 總結(jié)

　　本方案從應(yīng)用方面著手對(duì)ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)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(gòu)建了一個(gè)基于ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的路燈控制系統(tǒng)。該路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(hù)了電燈，延長(zhǎng)了其使用壽命；另一方面智能路燈控制系統(tǒng)可對(duì)全部路燈進(jìn)行實(shí)時(shí)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(cái)力的投入，同時(shí)提高了巡查設(shè)備和路燈的工作效率。（作者：高云紅，梁小廷，張慶新）