ZigBee＋GPRS的LED路燈監控系統

閆齊陽，彭龑

（四川理工學院 自動化與電子信息學院，自貢643000）

引 言

LED作為新光源，具有光效高、壽命長、易于調光、體積小、綠色環保等優點，被人們稱為是第四代光源，因此，LED照明是21世紀城市照明系統的重要組成部分。城市道路管理作為現代城市管理的重要組成，實現道路照明系統的智能化與網絡化控制是現代城市照明系統的發展趨勢。本系統基于LED 照明的智能監控和分時調光技術，實現了智能化的監控算法；通過GPRS 和ZigBee技術，實現了無線的區域化、網絡化的控制；最后，結合LED可調光的高效驅動，實現了對路燈的遙控、遙信和遙測。

1 系統網絡模型及工作原理

遠程智能照明網絡系統結構如圖1所示。采用Zig-Bee和GPRS兩級雙網組網模型，由監控中心、網關節點及GPRS移動通信網絡3部分組成。上層為GPRS主干網，實現數據遠程傳輸；下層為ZigBee二級子網，由各個路燈子節點構成，采用簇—鏈型網絡拓撲結構完成數據路由和轉發。網關節點連接ZigBee 無線傳感器網絡與GPRS網絡，實現ZigBee協議和TCP／IP協議兩種協議棧之間通信協議轉換。網關節點發布監控中心的控制命令，并把收集到的燈狀態信息轉發到外部網絡上，通過GPRS網絡將數據傳輸至監控中心，實現燈具的遙測、遙控。通過ZigBee和GPRS構成的智能監控網，城市照明監控中心一方面能及時、準確地檢測出LED路燈電壓、電流及工作狀態等信息，實現防盜和遠程故障監測；另一方面，又能根據需要對LED路燈進行開／關及亮度控制。

圖1 遠程智能照明網絡系統

2 系統實現

2.1 系統總體框架

系統由GPRS 模塊、ZigBee節點和網關模塊、單片機、LED 恒流驅動和照明模塊、傳感器模塊組成，系統總體框圖如圖2所示。

2.1.1 LED恒流驅動設計

圖2 系統總體框圖

LED恒流驅動設計采用FMD 公司FT870 的LED 恒流驅動方案，驅動電路如圖3所示。當開關管Q1導通時，主電流回路導通，此時AC 給LED 供電，并使電感L1儲存能量；當Q1關斷時，主電流回路改變，此時電感L1釋放能量，保持LED 的輸出。由于開關管導通時，流過LED 的電流同時也流過R1，所以通過檢測R1上的電壓來檢測流過LED的電流，從而達到恒流的目的。FT870在一個固定頻率下可以控制MOS管，因為是恒流驅動LED 燈組，所以會輸出恒定的光照，并且具有較好的穩定性。輸入LED組的電流可以被外部電阻或一個PWM 信號控制。

2.1.2 主控節點單片機電路設計

主控節點采用MSP430超低功耗單片機。MSP430是TI公司的一款超低功耗16位RISC 混合信號處理器，具有超低功耗、高度集成、豐富的片上外圍模塊等特點。MCU 的P3.4、P3.5 引腳設置為異步串行收發接口，與節點的ZigBee模塊進行異步串行通信。單片機將采集到的數據發送給ZigBee模塊，而ZigBee模塊接收到的無線數據也可透明地傳送給 MCU。MSP430最小系統圖如圖4所示。

2.1.3 ZigBee通信模塊設計

ZigBee模塊選用Chipcon公司推出的符合2.4GHz IEEE 802.15.4標準的射頻收發器CC2420，ZigBee模塊電路如圖5所示。

圖3 基于FT870的LED驅動電路

圖4 MSP430最小系統

CC2420的31、32、33、34引腳與單片機對應的SPI通信接口相連，即CC2420 的CSn、SCLK、SI、SO、引腳與MSP430的SET0、SMCLK、SIMO0、SOMI0引腳相連。這樣，CC2420發射芯片就能與MCU 進行全雙工的通信。27引腳（SFD帖開始定界符）與MCU 的Time Capture引腳相連。28引腳（CCA 空閑信道估計）與MCU 其中的一個引腳相連。MCU 可以通過對該引腳狀態的讀取，判斷是否有空閑信道。

圖5 ZigBee模塊電路圖

2.1.4 GPRS模塊設計

GPRS模塊選用明基的M23方案。M23采用半雙工方式的串口通信，即采用的是TXD、RXD、GND 這3條線通信。模塊電路圖如圖6所示。模塊的TXD、RXD 引腳經74LVC14AD和相應MSP430的RXD、TXD交叉連接。LEDA 引腳控制一個外接LED 的閃爍，當LED 閃爍時，表示該模塊連接上了網絡，否則沒有連上網絡。當SIM卡接入移動網中，該指示燈就會不停地閃爍，用來提示和檢測該M23模塊是否正常工作。引腳11、12、13和23為M23模塊和SIM 卡之間的通信接口。

圖6 GPRS模塊M23電路圖

2.1.5 監控軟件

路燈管理系統監控軟件采用面向對象的編程技術，在Visual C＋＋6.0集成開發環境下完成開發。采用模塊化設計，分別由系統管理模塊、燈具測量模塊、燈具控制模塊和異常處理模塊4部分組成，主要實現系統管理及燈具的遙測、遙控、防盜和遠程故障監測等功能。

3 亮度自適應節能控制算法

3.1 LED亮度控制

采用PWM 法進行調光，即在恒流和恒定頻率的情況下，通過調節MOS 開關管的導通時間來調節平均亮度。這種方法不但可以使通過LED 的電流恒定，保證了LED色彩的一致性，而且還有助于LED 的散熱。通過設定MSP430 單片機內部的定時器A（或B）工作在比較模式，可提供多路PWM 控制信號，僅需改變相關寄存器的設定值即可。通過ZigBee網絡傳遞監測信息和控制指令。一方面，通過網絡將路燈節點溫度、電壓及電流信息傳送到監控中心，判斷節點工作是否正常以及是否被盜；另一方面，網關節點根據環境亮度和時段，通過ZigBee 網絡給LED 燈具下達統一的亮度調節指令，這樣就根據不同情況完成了LED亮度控制。

3.2 LED亮度自適應節能算法

LED亮度自適應節能算法流程圖如圖7所示。系統首先進行初始化，然后開始掃描亮度傳感器傳來的環境亮度信息，根據亮度信息判斷是否是白天。若是白天，LED停止工作，返回亮度檢測，循環等待；若是夜晚，則進入LED供電程序，根據時鐘芯片判斷此時處于哪個時段。若處于由白天到黑夜或由黑夜到白天的過渡階段，則根據亮度傳感器檢測的亮度等級進行亮度自適應控制；若處于前半夜，則進行全功率照明；若處于后半夜，則關掉2 路LED，進行半功率照明，同時打開智能傳感器，檢測人員活動情況。當檢測到人車時，全功率照明，人車離開后，延時30s恢復節電方式工作。通過亮度自適應節能控制，充分利用LED的可控性，可最大程度節省能源，相同情況下節電10%～15%。

圖7 亮度自適應節能算法流程圖

結 語

本文設計的基于ZigBee＋GPRS的LED 路燈遠程監控系統采用兩級雙網組網模型和簇—鏈型網絡拓撲結構，通過網絡化、智能化控制，實現了燈具的遙測和遙控。提出一種應用于路燈照明的亮度自適應節能控制算法，可降低照明能耗，達到節能目的。該系統建設和運營成本低、組網靈活，可以節約人力成本，提高生產效率，提高路燈管理自動化水平，適用于道路照明，也可推廣應用于橋梁、隧道等其他公共照明場合。本系統采用先進的ZigBee技術、GPRS技術、PWM 技術、傳感器技術、無線組網技術，并將這些技術有機融合、實現了高可靠性、智能化、低成本、高效、節能環保的智能控制LED路燈系統。

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