一款基于ZigBee的智能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

隨著中國城市和經(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(wǎng)電壓的波動致使燈泡的實(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(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)檢測模塊、故障檢測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，這一特點(diǎn)對實(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，對協(xié)調(diào)器設(shè)置不同的檢測與控制方式，能及時(shí)對路燈進(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(gòu)成了惠斯頓電橋的兩個(gè)橋臂。在光線相對較強(qiáng)時(shí)，電路輸出端輸出低電平;當(dāng)光線強(qiáng)度相對較暗時(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的IO口資源較為緊缺，所以設(shè)計(jì)時(shí)選擇串口驅(qū)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(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(dá)檢測模塊

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)探測器HB100進(jìn)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(dāng)有移動物體在路燈所檢測的范圍內(nèi)活動時(shí)開啟路燈;當(dāng)移動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。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 故障檢測模塊

故障檢測電路如圖6 所示。夜晚開啟路燈的同時(shí)開啟故障檢測模塊，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)檢測故障從而節(jié)約了系統(tǒng)資源。