智能無線路燈控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

潘廣月　邱健　李映超

【摘 要】本設(shè)計主要研究基于ZigBee的無線路燈控制系統(tǒng)，目的在于利用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建一個控制路燈的無線網(wǎng)絡(luò)。整個系統(tǒng)主要有數(shù)個ZigBee模塊系統(tǒng)構(gòu)成，每個模塊能自動控制一盞路燈，而其中一個模塊可以構(gòu)成主機，能去控制其他子機模塊，按照主機的指令要求去控制路燈的開啟或關(guān)閉。本設(shè)計實現(xiàn)了節(jié)能、高效、自動化的控制系統(tǒng)有助于靈活控制路燈、系統(tǒng)科學高效的控制和路燈資源優(yōu)化合理使用，為實時了解整個路燈系統(tǒng)的照明情況提供一種新的方法。

【關(guān)鍵詞】無線路燈；ZigBee模塊；單片機；無線傳輸

0.前言

我國部分城市路燈控制具有遙測、遙信、遙控功能運行方式靈活可靠，可以按時段，天氣等控制路燈的工作。雖然在技術(shù)控制上有相當顯著地成效，但是設(shè)計成本較高，不能夠大面積普及。本設(shè)計利用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建一個控制路燈的無線網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)出一個用無線網(wǎng)絡(luò)控制的路燈系統(tǒng)。

1.無線路燈控制系統(tǒng)的概述

相對于傳統(tǒng)的路燈照明系統(tǒng)，本次設(shè)計利用無線網(wǎng)絡(luò)對路燈進行控制，整個過程可以通過無線控制實現(xiàn)，不需人力去對路燈進行開關(guān)以及巡邏監(jiān)測路燈的工作情況，避免在惡劣環(huán)境下對路燈進行維護。根據(jù)需求對路燈進行開關(guān)和亮度的調(diào)節(jié)，可以對光能的合理有效利用，減少浪費，節(jié)能環(huán)保。系統(tǒng)根據(jù)需求以及周圍的環(huán)境對路燈進行自動控制，使系統(tǒng)更加智能化。進而利用LED照明和對太陽能的利用，可以進一步減少電能的利用，更加綠色環(huán)保。

2.系統(tǒng)方案設(shè)計與實現(xiàn)

本次設(shè)計主要使用51單片機作為主機，通過串口的配置對zigbee無線傳輸模塊發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)進行處理，并通過液晶顯示屏顯示出來；協(xié)調(diào)器同樣使用zigbee無限傳輸模塊，是整個系統(tǒng)正常運行的樞紐，通過無線模塊接收各個子機發(fā)送回來的數(shù)據(jù)并進行處理，再通過串口與主機相連接傳輸數(shù)據(jù)主機。各個子機使用的同樣是zigbee無線傳輸模塊，各個子機鏈接路燈組成組網(wǎng)，由主機設(shè)置路燈的各種點亮方式，通過串口傳送到協(xié)調(diào)器在通過無線傳輸通知節(jié)點上控制路燈工作。

主控系統(tǒng)模塊是整個設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)的關(guān)鍵，在整個設(shè)計中起到主導的作用，通過主控模塊去控制以下子機模塊的功能實現(xiàn)。在日常設(shè)計中最長用的主控芯片是單片機，單片機的類型有很多種，其中包括STM32單片機、51單片機和AVR單片機等。STC89C52RC是一種可編程芯片，它的最高工作頻率80MHz，具有消耗低、性能高等特點。同時具備有51單片機不具備的功能，而且其指令代碼能和傳統(tǒng)的51單片機可以完全兼容。

無線傳輸模塊是整個設(shè)計的樞紐，目前常用無線模塊有ZigBee無線傳輸系統(tǒng)、nRF24L01等。Zigbee是一種基于IEEE802.15.4標準的無線組網(wǎng)，以CC2530作為核心板在通訊技術(shù)里面集成了一片增強型的51單片機。適合用于在路燈的設(shè)計上，本次設(shè)計就是基于Zigbee的無線傳輸及控制系統(tǒng)，所以在無線傳送模塊自然就選擇Zigbee了。

顯示器是本次設(shè)計中必不可少的器件，在操作和合適的過程中起到實時監(jiān)控的作用，其實顯示器有很多種， LCD1602是顯示內(nèi)容為兩行的液晶顯示模塊，在使用過程中功耗較小，體積微小輕便，而且價格不高，能夠顯示字符和數(shù)字，顯示內(nèi)容豐富便于觀看和數(shù)據(jù)讀取。在顯示上可以背光調(diào)節(jié)，適合在不同亮度的環(huán)境下顯示清晰的效果，其性能安全可靠。

本次設(shè)計針對路燈的控制主要以輸入信號為關(guān)鍵，而鍵盤也是單片機不可或缺的輸入設(shè)備，是無線模塊與路燈之間的紐帶。考慮到本次設(shè)計的實用性，設(shè)計時選擇硬件的方式產(chǎn)生鍵碼。而單通常片機中使用非編碼鍵盤，其中的獨立式鍵盤根據(jù)I/O線數(shù)來確定鍵盤接口的，鍵盤的接口使用了幾根I/O口線，就有幾個按鍵。

2.1硬件設(shè)計

硬件設(shè)計部分主要由STC89C52RC單片機模塊、鍵盤模塊、顯示模塊和由ZigBee無線模塊構(gòu)成的中心節(jié)點，其作為發(fā)送接收的樞紐控制以下所有子機路燈的工作。單片機模塊通過在得到鍵盤鍵入信號后，將信號通過串口發(fā)送的方式將信號發(fā)送至中心節(jié)點的ZigBee無線接收模塊。在信號接收后中心節(jié)點將信號通過無線傳輸?shù)哪Ｊ綄⑿盘杺魉腿プ訖C控制路燈的工作。路燈同樣以無線傳輸?shù)男问綄⑵洮F(xiàn)時的工作情況反饋回中心節(jié)點模塊，再將信號反饋回單片機，而顯示模塊的作用就是時時顯示路燈的工作情況，以便于及時處理可能發(fā)生的狀況。

2.1.1無線控制路燈組網(wǎng)模塊

在單片機上對按鍵模塊進行設(shè)置，并通過串口將指令傳送到ZigBee模塊上，再通過協(xié)調(diào)器上的無線組網(wǎng)將信號傳送至各節(jié)點，以此來控制路燈的工作。同時接收節(jié)點返回的信號，對數(shù)據(jù)進行處理并顯示出來。

2.1.2路燈節(jié)點模塊

路燈節(jié)點模塊接收接收到主機發(fā)來的數(shù)據(jù)，并分析數(shù)據(jù)進行處理對路燈進行控制。各節(jié)點同時對周圍環(huán)境進行檢測，根據(jù)環(huán)境情況，并充分考慮到季節(jié)，地域性，天氣的不同狀況。春夏秋冬季節(jié)天亮與日落的時間并不相同，控制路燈工作的持續(xù)時間和路燈亮度以達到節(jié)能的目的，并將數(shù)據(jù)發(fā)回給主機。

2.2軟件設(shè)計

程序主流程主要通過主控系統(tǒng)開始，初始化，接收鍵盤模塊指令，串口發(fā)出數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析顯示模塊顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)，ZigBee模塊接收和反饋數(shù)據(jù)這一循環(huán)過程。

在本次設(shè)計中主要是以單片機模塊作為主控，其主要的作用是通過串口向中心節(jié)點無線模塊發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)。以按鍵作為控制路燈的開關(guān)，通過串口發(fā)送和接收相關(guān)的數(shù)據(jù)。

無線模塊在用ZigBee模塊的協(xié)議棧。協(xié)議就是一種通信的標準，通信雙方會按照同一個標準對這些數(shù)據(jù)進行正常的發(fā)射與接收。ZigBee的協(xié)議棧分為物理層和介質(zhì)訪問層，將各層的協(xié)議集合在一起，通過函數(shù)的方式實現(xiàn)，在設(shè)計的過程中可以直接調(diào)用。其設(shè)計過程就是通過對協(xié)議棧組網(wǎng)函數(shù)的調(diào)用，加入網(wǎng)絡(luò)函數(shù)，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的建立和節(jié)點的加入。發(fā)射和接收節(jié)點通過調(diào)用協(xié)議棧的無線數(shù)據(jù)發(fā)射、接收函數(shù)，進而實現(xiàn)對無線數(shù)據(jù)的發(fā)射和接收。在程序設(shè)計時，調(diào)用basicRfInit（）函數(shù)對協(xié)議進行初始化。調(diào)用函數(shù)basicRfSendPacket（）和basicRfReceive（）對相應(yīng)的數(shù)據(jù)進行發(fā)射和接收，同時對數(shù)據(jù)進行處理。

3.系統(tǒng)調(diào)試

在編譯和調(diào)試過程中，遵循的是先大后小的原則。先根據(jù)流程圖將程序的各個模塊的框架定好，然后進行編譯并進行下載調(diào)試，如編譯不通過，分塊進行檢查。如編譯通過，就可以進行模塊的編程，每編好一段完整的程序就要進行一次編譯，在完成整個模塊的編程下載調(diào)試后，在對另外的模塊進行編程，同時要注意沒編完一條程序之后要檢查程序之后的符號是否寫上。向單片機下載編寫好的程序，檢測各模塊功能是否完好，然后各模塊連接進行調(diào)試。編寫簡單的測試程序，測試各傳感器模塊、節(jié)點模塊以及單片機的協(xié)調(diào)工作，若出現(xiàn)問題，應(yīng)該首先考慮程序問題。

4.總結(jié)

本次設(shè)計實現(xiàn)了設(shè)計任務(wù)的基本功能，使用無線傳輸模塊對無線路燈進行控制，采用層層遞進的方式點亮路燈，這種方法便于在后續(xù)使用中添加路燈的盞數(shù)。由于設(shè)計與實際操作之間的存在偏差，設(shè)計結(jié)果沒能做到完美。 雖然本次設(shè)計只是在實驗室小范圍進行是要使用，相信在今后進一步改善給技術(shù)添加之后，能夠大范圍使用到我們的日常生活中，節(jié)能減排做出一定貢獻。 [科]

【參考文獻】

[1]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)—數(shù)字部分（第五版）.北京：高等教育出版社，2006，1.

[2]林小茶.C語言程序設(shè)計（第三版）.北京：中國鐵道出版社，2010，12.

[3]李全利.單片機原理及接口技術(shù). 北京：高等教育出版社，2009，1.