基于ZigBee網絡的高速公路防霧霾路燈控制系統*

何子力，張麗娜，張放心，徐景宏，方 勇，劉 文

(中國科學技術大學 物理學院，安徽 合肥 230026)

0 引言

近幾年的春秋冬季節，我國許多地區霧霾天氣十分常見，由此引發許多交通事故，尤其對高速公路的正常運行影響極大。高速公路經常被迫在霧霾天氣時全線封閉，影響民眾出行、物流運輸，由此造成經濟上的重大損失。通過使用ZigBee技術采集霧霾濃度數據來控制路燈開關和亮度以提高霧霾天氣中高速公路的能見度，保證高速公路在霧霾天氣時的正常運行并減少交通事故的發生。

LED光源在能耗、壽命、發光效率、低電壓驅動、可二次配光設計等方面優于傳統路燈[1-2]，因此本系統采用LED光源作為路燈，通過霧霾檢測傳感器采集霧霾濃度數據傳送到控制中心，并對路燈進行控制達到節能和對路燈的智能化管理。以往文獻多專注于城市路燈照明系統的節能控制[3-7]，但是由于已有供電路線，很多時候采用PLC(電力載波通信)進行控制更加實用，在高速公路這類無市電連接的特殊情況下的研究較少。ZigBee作為一種低功耗、低速率、支持大量節點的無線通信技術在無線傳感器組網方面已經得到廣泛的研究和應用[8-13]，因此也正適合高速公路路燈場景的應用。本系統需要配備太陽能電池板和蓄電池作為供電電源使用。

1 系統總體方案設計

在高速公路上每隔20 m安裝一個LED路燈，為了節能和降低供電成本，每個路燈配置無線傳感器節點和供電控制系統，實現無市電情況下對路燈的組網進行智能化控制，給無線傳感網的戶外應用提供一定參考價值。防霧霾路燈控制系統采用“傳感控制模塊+ZigBee無線傳輸模塊+客戶端”的結構，其整體結構如圖1所示。

圖1 系統整體結構圖

客戶端作為系統的上層，通過GPRS網絡與控制柜中的ZigBee協調器通信，通過上位機軟件實現整個路燈系統的遠程監控和組網管理；ZigBee網絡由協調器和終端節點構成，各節點運行ZigBee協議棧實現組網管理；每個路燈模塊對應一個ZigBee終端節點，路燈模塊包含顆粒物濃度傳感器、溫濕度傳感器、微控制單元、實時時鐘芯片、太陽能電池、充電控制器、蓄電池、電源管理芯片、LED驅動模塊、LED路燈等。傳感器和電源管理芯片的狀態信息傳輸到微控制器中，并和ZigBee終端節點通過TTL接口通信，微控制器根據傳感器信息和實時時鐘信息控制LED路燈的亮度，實現對路燈的遠程監控管理。

2 系統的硬件設計

本系統中ZigBee無線網絡采用星型網絡組網。星型網絡由一個協調器和多個終端節點組成，各終端節點除了有上傳數據的功能外，還可以用廣播的方式轉發其他節點的數據包，使得遠處節點也可以和協調器通信。ZigBee網絡各節點均采用TI公司的CC2530芯片進行設計，CC2530是TI公司專門針對ZigBee應用設計的單芯片解決方案，經濟且低功耗，結合Zstack協議?？梢杂行нM行程序設計和維護。

路燈模塊核心是微控制單元(MCU)，MCU外圍設備由實時時鐘芯片、顆粒物濃度傳感器、溫濕度傳感器、LED驅動模塊、LED路燈、電源管理芯片、蓄電池、充電控制器、太陽能電池組成。其硬件結構如圖2所示。

圖2 路燈模塊結構圖

本系統采用STM32F103ZET6作為微控制單元(MCU)。該單片機是意法半導體公司生產的以ARM Cortex-M3為內核的32位單片機，具有2個I2C接口，3個USART接口，2個UART接口，多達4個16位通用定時器， 每個定時器有多達4個用于輸入捕獲、輸出比較、產生PWM和脈沖計數的通道，2個16 位6通道高級控制定時器，多達6路PWM 輸出，最大工作頻率達72 MHz。MCU和ZigBee終端節點通過USART接口通信。實時時鐘芯片采用DS1302芯片，給MCU提供實時時鐘以控制白色燈珠的開關。

研究表明，空氣中PM2.5濃度和相對濕度對能見度的影響最大[14]。檢測PM2.5濃度的顆粒物濃度傳感器采用攀藤科技有限公司的PMS5003數字式通用顆粒物濃度傳感器，PMS5003是一款基于激光散射原理的數字式通用顆粒物濃度傳感器，可連續采集并計算單位體積內空氣中不同粒徑的懸浮顆粒物個數，即顆粒物濃度分布，進而換算成為質量濃度，并以通用數字接口形式輸出，本系統僅選用其中PM2.5的數據。濕度傳感器采用DHT11數字溫濕度傳感器，DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，DHT11和MCU之間通過單總線串行接口通信。

LED驅動電路原理圖LED驅動電路如圖3所示，其基于凌力爾特公司的LT3755芯片進行設計，接收MCU輸出的PWM信號實現LED路燈的PWM調光。LED路燈包含4顆白光燈珠用于平時夜間照明，8顆穿透性更強的黃光燈珠可在霧霾天氣時使用，額定電壓12 V，總功率12 W。

電源管理芯片采用LT2943芯片，該芯片為凌力爾特公司生產的多節電池電量測量芯片，可測量自身溫度、電池充電狀態、電池電壓、電池電流。輸入電壓范圍寬，高達20 V。一個精準的庫侖計量器負責對流經檢測電阻的電流進行積分運算。電池電壓、電流和溫度利用一個內部14位無延遲增量累加ADC來測量。測量結果被存儲于可通過內置I2C/ SMBus 接口進行存取的內部寄存器中，芯片與MCU之間采用I2C接口通信。

考慮太陽能電池的發電效率和霧霾最長持續一周的情況，設計蓄電池容量為120 Ah，太陽能電池標稱功率為40 W，充電控制器用于太陽能電池對蓄電池的充電管理。

3 系統的軟件設計

本系統軟件設計主要包含客戶端應用程序、協調器應用層、終端節點應用層、路燈模塊等部分的程序設計?？蛻舳藨贸绦蚧赩S2015平臺開發，由于其效率高、功能強大，適合Windows平臺應用的快速開發，該應用程序實現了對路燈網絡的實時監控。

圖3 LED驅動電路原理圖

3.1 協調器和終端節點軟件設計

基于Z-stack協議棧進行協調器和終端節點的軟件設計。其流程框圖如圖4、圖5所示。

圖4 協調器程序流程圖

圖5 終端節點程序流程圖

協調器程序：系統上電后，組建網絡等待終端節點連接。當收到終端節點發來的數據包后，判斷簇標志，若正確，將數據包通過串口發送給GPRS模塊，再次進入等待接收無線數據狀態。

終端節點程序：系統上電后，進入輪詢狀態。當串口接收到MCU發來的數據包時，將數據包進行廣播發送到空中并進入輪詢狀態；當收到空中的無線數據包時，判斷其與上次的數據包是否重復，若是重復包，則進入輪詢狀態，否則廣播發送該數據包，之后進入輪詢狀態。

3.2 路燈模塊軟件設計

路燈模塊程序負責路燈的亮度調節和數據上傳，其流程框圖如圖6所示。

路燈模塊上電后，MCU讀取PMS5003和DHT11傳感器的數據，進行分析處理后輸出PWM信號控制黃燈亮度，同時MCU從LT2943芯片中讀取電池狀態信息，將上述信息打包處理后發送給ZigBee終端節點。此外，MCU還依據DS1302芯片提供的時鐘每天定時打開和關閉白燈。

3.3 串口通信協議的設計

本系統中終端節點通過串口上傳數據，ZigBee網絡轉發數據包，協調器串口接收數據包并通過GPRS網絡傳到客戶端，因此只需對MCU上傳到ZigBee終端節點串口的數據包格式進行設計。串口傳輸協議格式如圖7所示。

圖7 串口傳輸協議格式圖

起始字節占2 B，值固定為0x3553；終端標志位用于對終端進行編號管理，占2 B；之后為監測數據：PM2.5濃度、溫度、濕度、電池電量、電流、電壓、主板溫度，均占2 B；最后為校驗和，采用求和取余的方法求得，占2 B。

4 系統測試

為了驗證本系統在實際應用中的性能和推廣的可行性，按照文中所述搭建系統進行測試。

實驗設施概況：采用1個協調器，4個終端節點，其中一個節點配有路燈模塊，其余節點配有單片機模擬路燈輸入串口數據，終端節點沿直線放置，彼此間隔20 m，協調器放在系統末端，戶外環境下各節點之間沒有明顯障礙物。協調器連接GPRS模塊，實驗人員遠程接收系統發送的數據并監測系統狀況。上位機運行情況如圖8所示。

圖8 上位機運行圖

經過一個月的連續測試，本系統保持穩定的運行，路燈隨著環境參數的變化準確開關和調節亮度，電源模塊可以穩定提供電力保障，實現了低成本的智能化路燈監控管理，該系統可以滿足高速公路的裝配需求。

5 結論

本文設計了一種應用于高速公路的防霧霾路燈控制系統，在電源管理、ZigBee組網、定制驅動電路等多方面實現創新應用，對戶外多種復雜環境下無線傳感網的搭建具有一定參考價值。該系統經測試可以在霧霾天氣發生時準確實現路燈的亮度控制和遠程監控，可以裝配在有需求的高速公路中，可顯著提升高速公路運營的安全性和經濟效益。