基于ZigBee的智能路燈控制系統設計

摘 要： 設計了一套采用無線通信協議ZigBee實現的路燈控制系統。系統利用ZigBee無線通信技術實現主控系統對終端路燈的實時控制，具有微波雷達移動物體檢測、環境光檢測及時間設定等路燈控制方式，能實現路燈遠程控制、自動調光、故障檢測及定位等功能。模擬試驗表明： 系統操作簡單，智能化程度高，節能效果好。

關鍵詞： ZigBee； 路燈； 微波雷達； 光照控制； 時間控制

中圖分類號： TN911?34； TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）19?0029?04

0 引 言

隨著中國城市和經濟的迅速發展，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，電力系統的電壓升高，路燈反而會更亮，而我國現行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。路燈控制系統從最初的開關控制功能，逐漸演化到監控節能控制功能，各種新技術被用于路燈監控系統中。路燈控制方法有PLC控制，電力載波控制和無線網絡控制等 [1?4]。從路燈控制系統的成本、可靠性、信息化、應用前景等方面考慮，本設計采用ZigBee無線自組網網絡技術實現LED路燈節能控制系統的設計。

1 系統實現方案

按照系統要求，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無線網絡技術實現支路控制器和路燈終端之間的通信。因此系統主要包括以下分系統：電源穩壓系統、支路控制系統、ZigBee協調器系統、ZigBee路由和終端系統。其中電源穩壓包括5 V穩壓和3.3 V穩壓；支路控制系統包括時間模塊、鍵盤模塊、顯示模塊和光照采集模塊；ZigBee協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，這一特點對實現路燈智能監控系統的智能化、高可靠性、低成本起到很好的作用 [5?7]。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的網絡拓撲采用樹狀結構，使用路由功能傳輸。無線系統由一個ZigBee協調器、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ZigBee通信組網技術的特點，將ZigBee技術與傳統的路燈控制模式相結合，根據不同路段及時間，對協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現路燈損壞情況和它的具體位置，方便維修管理，實現按需節能、智能化管理，達到城市照明系統節能減排的目標。

2 硬件設計

2.1 支路控制器設計

根據系統功能，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，數據可分二進制或BCD碼傳送，使用非常方便。環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[8]。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。統共設置5個按鍵，采用獨立式鍵盤，包括時間調節鍵，模式選擇鍵及季節設置鍵。時間調節鍵三個，設置鍵、上調鍵和下調鍵，按下設置鍵開光標，上下調節鍵用來調節時間。模式選擇鍵，采用自鎖式按鍵，進行繁華和偏僻模式轉換。季節設置鍵，也采用自鎖式按鍵，進行夏季和冬季轉換。

2.2 ZigBee協調器設計

ZigBee協調器負責組建網絡與信息的收發處理工作。協調器不斷采集主機發來的開關路燈與開關雷達指令，通過發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來的故障地址時，將地址顯示在LCD上。由于CC2530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協調器接口電路如圖4所示。

2.3 ZigBee路由和終端系統

ZigBee路由和終端系統接收來至協調器開關燈與開關雷達的指令，某個路燈出現故障時發送本路燈的地址給協調器。因此ZigBee路由和終端系統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，出現故障變為高電平，此時如若直接連接到ZigBee模塊上它會不斷的發送故障信息，造成系統資源的浪費。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，保證系統在高亮時段實時檢測故障從而節約了系統資源。

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 [9]。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

系統上電后進行初始化，檢測系統是否正常工作，如果正常則按照路燈控制界面進行狀態檢測并對路燈進行輸出控制，使路燈按照既定程序實現開/關狀態。主機系統顯示相應的控制信息；協調器不斷檢測主機數據輸出口狀態判斷發送數據與否；終端等待協調器的數據進行。系統軟件設計主要包括主機軟件設計、協調器軟件設計、路由器和終端軟件設計等三大部分。其中在協調器軟件設計、路由器和終端軟件設計上協議棧尤為重要，不同廠家出品的不同產品有不同協議棧。本文使用的芯片為TI公司生產的CC2530芯片，使用的協議棧是由TI公司出品的Z?Stack協議棧。

3.1 主機系統軟件設計

根據智能路燈系統實現功能的需要，主機系統軟件劃分為以下幾個部分：監控主程序、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。監控主程序通過對時間、鍵盤、光線情況的循環判斷，決定是否執行相應的功能程序。主機軟件設計流程圖如圖8所示。主機根據時間與外界光線狀態發出控制命令如表1所示。

3.2 協調器系統軟件設計

根據協議棧對協調器系統進行軟件編程。實現此項目要求只需修改協議棧的應用層和硬件層。應用層執行查詢任務工作，修改硬件層使整個系統與所擴展的硬件匹配[10]。

3.2.1 硬件層的修改

定義協調器的P2.0、P2.1為數據的輸入端口。協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，建立出數據與寫數據位置的接口函數。在協議棧中ZigBee聯盟已經將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

系統不斷的采集主機數據輸出端口發來的數據，根據數據的不同而執行相應的操作。首先將讀取主機數據任務ID號加入到任務中，這樣在任務循環執行時方可執行到，否則永遠執行不到這個任務。協調器讀取任務流程如圖9所示。

3.3 路由器和終端節點系統軟件設計

根據協議棧對路由器和終端節點系統進行軟件編程。同樣只需修改協議棧的應用層和硬件層。應用層執行查詢任務工作，修改硬件層使整個系統與所擴展的硬件匹配。路由器和終端節點系統中開關燈、開關雷達端口用協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。路由器和終端節點系統接收來自協調器的字符控制信號，不同字符執行不同操作。利用中斷查詢方式采集亮燈狀態下燈泡的光照強度進而判斷是否出現故障，出現故障進入故障處理函數，編輯路燈地址并發送到協調器。

4 總 結

本文從應用方面著手對ZigBee技術的網絡拓撲結構進行研究，采用TI公司的Z?Stask協議棧和IAR開發環境，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。網絡規模的大小，取決于實際控制路燈的多少。終端控制器的定時時間，可以根據不同地區、不同季節由主控制機統一設定。該路燈控制系統與傳統的路燈控制系統相比，一方面減少了“全夜燈”、“后夜燈”，有效的節約了電能資源，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可對全部路燈進行實時監控和管理，集中控制、監視、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。

參考文獻

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