基于北斗的LED路燈故障檢測與報警系統設計

2016-06-28 08:28:32袁學松

宿州學院學報 2016年5期

袁學松，張　靜

1.安徽機電職業技術學院信息工程系,安徽蕪湖，241000；2.合肥工業大學計算機與信息學院，安徽合肥，230009

袁學松1，2，張靜1

1.安徽機電職業技術學院信息工程系,安徽蕪湖，241000；2.合肥工業大學計算機與信息學院，安徽合肥，230009

摘要：針對當前城市照明系統中常見的LED路燈故障檢測、上報困難，故障響應速度慢等問題。通過對LED路燈常見的故障特征、短距離無線通信技術與北斗通信系統中短報文數據傳輸等技術的研究，設計了一種基于北斗模塊和ZigBee模塊的路燈自檢裝置與報警系統。該系統通過多傳感器檢測路燈故障，并將故障點使用ZigBee技術傳輸至控制箱。控制箱內的北斗模塊同時將故障信息傳輸給處于商用基站盲區維護人員的北斗設備上。實驗測試結果表明：該系統能準確的檢測照明系統的故障，并為維護人員提供路燈的故障參數，有很好的實用價值。

關鍵詞：北斗通信系統；ZigBee；故障檢測；城市照明系統

LED路燈作為一種照明工具，在人們日常生產生活中是必不可少的。由于缺乏路燈故障檢測設備和及時的報警機制，城市中路燈報修工作通常還是人工來完成的。在一些偏遠的鄉村或基站難以覆蓋的山區，一旦路燈發生故障，維護人員很難準確地定位及修復，給當地人們的出行帶來不便。當前的路燈故障檢測裝置通常使用路燈電源供電，當發生斷路等嚴重故障時，將無法報修。同時，這些檢測裝置大多使用的是GSM技術，通信依靠基站，在一些沒有信號的地方也無法工作。因此，需要設計和研發出一種能夠為維護人員及時提供故障位置和故障類型的路燈檢測與報警裝置。

1相關技術背景與問題描述

本節將著重介紹LED路燈的常見故障和檢測方法及相關的數據傳輸技術。數據傳輸技術包括：系統每個路燈節點故障檢測裝置與路燈控制箱接收裝置數據傳輸使用的ZigBee技術和路燈控制箱與數據服務器乃至維保人員的移動終端交互使用的北斗短報文傳輸技術。

1.1LED路燈故障描述

在日常生活中經常可以看到工作中的LED路燈出現不亮、亮度明顯不足或閃爍的現象，這表明路燈的LED光源處于失效狀態。在國際規定和我國的實際情況，主要把LED的路燈故障分為：供電故障、封裝與芯片故障、電過應力故障和熱過應力故障等[1-2]。這些故障大多是由于產品質量、用戶使用不當、芯片被短路擊穿、嚴重靜電損傷等原因所造成的。下文將針對這些故障點設計相應的故障檢測傳感裝置。

1.2北斗短報文傳輸技術和ZigBee技術

1.2.1北斗技術

北斗衛星導航系統(BDS,Bei Dou Navigation Satellite System)是全球第四大衛星導航系統，僅次于美國的GPS、俄羅斯的格洛納斯和歐洲的伽利略導航系統。2003年發射的第三顆衛星已形成了Beidou I。遵循著“先區域后全球”的建設原則，2012年北斗系統已覆蓋了整個亞太地區。為服務區域提供連續無源定位、導航和授時服務，同時它的性能也大大提高，在建立標校站的前提下能達到水平20米的精度[3-6]。北斗系統在提供定位等服務的同時提供了一種其他導航系統不具備的短報文的通信服務功能[7]。這種功能逐步地向民用開放，被廣泛地應用于交通、航天、氣象、水文觀測等領域。

BDS的短報文傳輸技術的主體是空間衛星、地面控制中心和普通北斗用戶的終端設備，三者間可以互相進行雙向的數據傳輸，每次最多可以傳輸120個漢字的短報文數據[5]。由北斗通信管理機構頒發的北斗IC卡是每個通信終端的唯一身份標識。當終端A需要發送數據給終端B時，A先給需發送的數據進行加密處理(保證數據安全)。加密后的數據和終端的標識被發送給衛星，衛星將數據發送給地面控制中心，控制中心經過解密再將數據加密并通過衛星傳送給接受方B。在這個通信過程中，地面中心站全程參與。在本系統中，將北斗短報文傳輸技術應用于路燈控制箱內，用來將故障信息傳送給數據服務器。

1.2.2ZigBee技術

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗、短距離局域網無線通信協議,工作在2.4 GHz頻段下[8]。ZigBee技術是一種可靠的無線傳輸技術，傳輸距離可達到數百米，基本滿足了系統的要求。同時，它采用動態路由和網絡拓撲結構來解決數據的可靠傳輸問題。本系統中ZigBee技術被應用在路燈故障檢測模塊和路燈控制箱的通信中。

2LED路燈檢測與報警系統設計

2.1系統總體結構設計

本文設計的基于北斗的路燈檢測與報警系統由路燈故障檢測裝置、路燈控制箱裝置、路燈管理數據和日志服務器組成(圖1)。其中路燈故障檢測裝置是嵌入在路燈桿中的裝置，該裝置對各類傳感器(如光感傳感器、溫濕度傳感器等)傳來的數據進行分析，并判斷該值是否在合理的范圍內。如果傳感器測量值超過了閾值，則通過裝置內的ZigBee模塊向有效傳輸范圍內的LED路燈控制箱傳送報警信息和相關故障數據參數。控制箱在收到檢測與報警裝置的信息后將以短報文的形式，通過北斗模塊向衛星發送信息，信息內容為產生故障的時間、大致經度緯度、故障類型等信息。當信息被傳送到路燈管理數據和日志服務器上，服務器產生報警消息，通過北斗衛星短報文機制傳送給相應的維修人員。下文著重介紹嵌入在路燈中的報警裝置和為該系統所設計的北斗短報文傳輸的通信協議。

圖1　系統總體設計圖

2.2LED路燈檢測與報警裝置設計

圖2　裝置外觀和組成

該裝置的外觀如圖2所示。它是由鑲嵌在路燈燈桿上的裝置主體和一塊太陽能電池板組成的，適用于任何型號的LED路燈。安裝時，只需按要求在燈桿上打相應大小的孔徑即可，既方便又易于重復利用。太陽能電池板是給裝置供電。整個裝置的工作流程如圖3所示。首先，當裝置上電后會自檢，檢查自身的各個傳感器模塊是否工作正常，如果工作不正常，則通過ZigBee模塊向控制箱發送錯誤信息。當自檢結束后，通過控制電路維護自身蓄電池電量。當確認自身可以正常工作時，進入數據采集和比較階段，在這種工作模式下，MCU將各傳感器實測的數值和預設的閾值進行比較，如果超出或低于閾值則進行告警，同時通知斷路控制器給LED燈具停止供電，等待維修。

圖3　LED路燈檢測與報警裝置工作原理流程圖

路燈控制箱是對LED路燈進行開、閉控制的裝置。在本系統中對路燈控制箱進行了改進，在原有功能的基礎上增加了ZigBee接收模塊和北斗短報文數據發送和接收模塊。當收到服務范圍內的路燈ZigBee告警信息后，控制箱中北斗模塊將編制特殊格式的消息與路燈管理機構相應服務器通信。數據和日志服務器在收到消息后存儲日志記錄，同時將該短報文信息發送到相應維修人員的北斗移動設備上。

2.2.1電源供電模塊設計

根據上述的總體設計，對電源部分的設計既要考慮能給本裝置提供穩定的電源，同時當LED路燈發生故障時能夠及時切斷電源供電，讓路燈關閉，等待維修。從而避免路燈長時間在損壞狀態下工作，以防引起更大的安全隱患，從而提高路燈的安全性。在結構設計上，電源模塊主要由太陽能電池板、蓄電池組、供電控制電路和電壓與電流比較電路組成。

圖4 智能電源供電流程圖

太陽能電池板采用光電轉化效率較高的多晶硅材料，主要是負責給蓄電池組提供電能。整個檢測過程與報警裝置的電能都是由蓄電池組供給，市電不參與供電。供電控制電路通過變壓器將蓄電池提供的電壓轉化為各傳感器芯片組所需要的不同的工作電壓，保障MCU和各傳感器正常工作。供電控制模塊的工作原理如流程圖4，具體工作流程如下：

(1)當裝置自檢發現自己的電量<50%，不足以持續給裝置提供穩定的電源時，市電將直接給蓄電池充電，同時蓄電池持續為裝置供電。

(2)當判斷電量>50%時，智能供電模塊將判定太陽能電池板是否可以給電池充電，如果不行，仍然通過市電對蓄電池進行充電。當太陽能板能產生足夠的電能給蓄電池充電時，改由太陽能給蓄電池充電。

(3)當供電模塊判斷電量小于80%時，繼續進行(2)操作。

同時，在供電模塊中還設計有電壓和電流控制電路(圖5)。當給LED燈具供電的電壓或電流經過比較器后，控制電路發現其超過了燈具的電壓閾值則控制電路斷開市電供電。這樣，光感傳感器發現路燈故障則通過ZigBee模塊報警。

圖5 電源控制裝置

2.2.2各傳感器模塊設計

在本系統傳感器的設計上，主要使用了光感傳感器模塊和溫濕度傳感器模塊，并在板卡上預留了相應模塊的空間，便于對系統進行擴展。圖6是各傳感器和MCU的工作模式。

圖6　故障檢測裝置傳感器和相關模塊

(1)光感傳感器模塊。光感模塊是故障檢測的重要部件，LED路燈發生故障時的表現形式為不亮、亮度減弱、閃爍等，同時還要考慮環境光對傳感模塊的影響，所以光敏原件安裝在太陽能電池板的中心位置。這個位置正對著LED路燈，可以避免其他光源的干擾。系統在對該光感傳感器的設計上充分考慮到傳感器的敏感度，選擇抗干擾能力強的光敏二極管(如S1133 DIP-2直插式)和相應的數顯模塊(如TSL2561)。光感模塊將處理過的數值傳送給MUC，如果產生高于或低于閾值的情況，則MCU控制電源斷路并上報故障參數。

(2)溫濕度傳感器模塊。LED燈體內的溫度和濕度是檢測故障的重要參考標準。當溫度和濕度達到燈具的設計上限值時，MCU可以強制供電模塊斷路，達到保護燈具的功能。如果由于溫濕度的原因發生故障，傳感器會采集到故障時候的數據供維修人員參考。在設計上，溫濕度傳感器均采用了能夠數顯的傳感器設備(如HS1101LF等)，傳感器將信號傳送給MCU，MCU通過A/D轉換，并通過ZigBee射頻模塊發送給路燈控制箱。

3一種短報文的傳輸通信協議設計

為了使路燈控制箱中的北斗模塊、數據日志中心和維修人員的北斗移動設備之間能很好地通信，系統為每種設備之間的通信分別設置了不同的通信協議。

當傳感器感應到故障產生后，通過射頻模塊將故障信息傳給路燈控制箱，此時箱內的北斗模塊將這部分信息及時傳給數據和日志服務器。在這個過程中，由于需要記錄詳細的故障點、經緯度數據和故障LED路燈的序號，通信量較大。系統為其設計了16個字節的報警協議(圖7)。

圖7　故障遠程傳輸短報文協議

在傳送給數據中心的短報文中主要描述故障地點(5字節)、產生故障的設備IC卡號(2字節)和發生的時間(4字節)，并將1個字節的故障代碼和1個字節的路燈編號傳給服務器。數據和日志服務器在接收到故障報警后，通過維修通信協議發送給維修人員的北斗設備(圖8)。該協議不需要詳細描述故障時間和地點，所以系統為其設計了6字節的傳輸協議。維修人員在看到報警設備IC卡號后，通過自身設備的數據庫查詢找到故障的大致地點，然后通過路燈序號找到具體的故障路燈，同時通過故障代碼了解故障的類型進行維修。

圖8 維保通信協議

4測試實驗結果

當系統處于正常工作狀態時，通過實驗分別測試裝置的傳感器、智能電源工作裝置、ZigBee報警裝置和北斗傳輸裝置的工作情況。第一次實驗使用升流器測試電源控制模塊的斷路控制器，當大電流通過時檢測裝置自動斷路，LED燈具停止工作并觸發報警，同時在數據和日志服務器及巡檢設備上均能收到短報文信息。第二次實驗使用強光閃爍照射光感傳感器，同樣，檢測裝置自動斷路，巡檢設備上收到服務器發送的故障IC卡號和故障代碼等信息。測試結果表明：該系統能夠有效地檢測出路燈的故障，并通過北斗短報文協議及時上報數據和日志服務器，解決了基站盲區的通信問題，并提高了故障點檢測的準確性和上報的及時性。

參考文獻：

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(責任編輯：汪材印)

doi:10.3969/j.issn.1673-2006.2016.05.027

收稿日期：2016-02-18