基于ZigBee組網的自適應道路照明系統

牛萍娟 羅德智 劉雷 郭云雷 李舒舒

關鍵詞： ZigBee組網; 數據采集; 路燈控制; 智能化管理; 節能; 安全視距

中圖分類號： TN926+.23?34; TP212 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）04?0121?04

Self?adaption road lighting system based on ZigBee networking technology

NIU Pingjuan1， LUO Dezhi1， LIU Lei1， GUO Yunlei2， LI Shushu2

（1. School of Electrical Engineering & Automation， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China;

2. School of Electronics & Information Engineering， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China）

Abstract： In order to solve the problem of lack of intelligent management of road lighting system， the intelligent networking technology of ZigBee is studied， and the networking technology is applied to the design of the road lighting management system. The efficient integrated networking of the related equipments for a whole street is carried out to construct an efficient adaptive road lighting system and improve the intelligentization level of road facilities. The system can detect conditions of vehicles and pedestrians on the street and adjust the status of street lamps automatically according to the environment brightness， and determine how many street lamps should be turned on according the speed of vehicles on the street to keep the safety lighting range in front of cars to be completely covered in the safe sight distance of drivers and achieve adaptive lighting of street lamps.

Keywords： ZigBee networking; data acquisition; street light control; intelligent management; energy saving; safe sight distance

道路照明系統作為城市公共基礎設施的重要組成部分，在不斷推進城鎮化建設的過程中，道路照明系統安裝的路燈數量持續增加，能源的消耗也越來越多。而且大部分系統仍然采用傳統的人工控制或定時控制，出現了需要照明的地方燈卻不亮，不需要照明的地方燈卻很亮的情況，這樣的設計規劃操作不變、維修實時性差、控制線路成本高[1?2]、浪費能源。從以上道路照明系統發展現狀來看，有必要設計出管理效率更高和節能效果更好的自適應道路照明系統，使其變得更加智能化和綠色節能。本文基于ZigBee智能組網技術設計了一套智能化程度高、節能效果顯著、設備布置靈活[3]、維護方便的自適應道路照明系統。從道路照明系統的成本、智能化、應用前景等多方面衡量，采用ZigBee智能組網技術設計的道路照明管理系統，充分利用了ZigBee智能組網、自恢復技術建立無線網絡和功耗低、復雜度低、時延短、網絡總容量大等優勢，使照明管理系統越來越智能化和節能。

1 ?系統總體方案

1.1 ?ZigBee組網技術

ZigBee網絡是一種自組織網絡，網絡內部是通過16位短地址或者64位IEEE地址通信，與其他網絡不能直接通信[4]。ZigBee能夠組建3種網絡拓撲結構，其中網狀網絡拓撲結構擁有更為靈活的信息路由方式，在允許的情形下，路由器相互能夠直接通信，通過路由節點的路由表來完成消息的網狀路由功能。上述路由機制讓信息的通信效率變得更高，且設備間可以對等通信;一旦某個路由路徑在傳輸過程發生錯誤，信息就會自動地尋找別的路由路徑進行傳輸。ZigBee執行的是基于AODV （Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing）專用網絡的路由協議。該協議有助于網絡處理連接失敗和數據包丟失等問題。因此，該拓撲結構可以組成極為復雜的網絡，將整個道路的有關設備進行高效集成組網;且其具有自組織、自修復能力，魯棒性強，適合應用在工業控制和檢測、分布范圍廣的環境[5]。基于此，本系統采用網狀網絡拓撲結構進行組網，如圖1所示。

1.2 ?系統整體結構

照明系統結構如圖2所示。其包含PC機、ZigBee無線通信模塊、光照強度傳感器、人體紅外傳感器和車輛探測器; ZigBee節點間使用無線網絡連接，采用ZStack協議進行通信;PC機與ZigBee協調器使用RS 232串口進行通信，并在PC機上顯示環境數據和路燈狀態。由于ZigBee無線通信模塊處理ZigBee協議的芯片內部集成了微控制器[6]，故各終端節點均可直接作為控制器。終端節點連接傳感器及路燈驅動功率開關，進行數據采集和路燈自適應控制。

本系統通過分析傳感器采集到的信息，并依據程序預設的條件值，來控制路燈的自動開啟或關閉;并且可以在不同光照強度下調節燈光的亮度，實現路燈的自適應控制與節能管理。以路燈作為主要控制對象，利用傳感器技術、網絡通信技術、自動控制技術、軟件技術[7]，以及ZigBee智能自組網和自恢復技術將道路有關設施進行高效集成組網，構建高效的自適應道路照明系統，提升道路設施的智能化、安全、便利、舒適度;并實現環保節能的綜合道路網絡管理系統控制平臺。當路燈附近有車或人經過時，路燈能夠自動開啟并調節合適的亮度;并可以根據檢測到的車速確定需要開啟路燈的數量，保持汽車前方的路燈照明范圍能夠完全覆蓋駕駛員的安全視距，滿足駕駛員及行人的照明需求。當汽車和行人經過后路燈能夠自動關閉相應路燈，減少不必要的能源消耗。

2 ?ZigBee組網與硬件設計

2.1 ?ZigBee組網

ZigBee網絡是由協調器建立的，構建過程包含網絡的初始化和節點加入網絡，其他節點申請加入網絡需要通過協調器或已有父節點連接入網。當節點監測到附近有網絡時，能夠自動向最近的協調器或父路由申請加入網絡。節點加入網絡之后，將獲取本身的網絡地址信息，發送給協調器。入網申請時路由節點和終端節點都需要進行相應的配置。

協調器作為整個ZigBee網絡的核心部分，主要的功能是組建網絡、傳輸網絡信標和管理整個網絡的所有節點，以及將網絡各節點的信息進行存儲，而且還能夠提供網絡中有關聯節點間的路由信息。將協調器放置在整個管理系統的中心與PC機連接通信，可以將整個道路照明系統的信息在PC機上顯示，方便管理人員進行監控和管理。

路由器節點的主要作用是協助其他設備申請入網、進行數據跳轉和協助子終端節點進行通信。根據實際設計需求可以在ZigBee網絡中分配多個路由器連接足夠數量的終端，滿足照明系統的組網需求。在無線傳感網絡中，減少節點的傳輸能量、延遲全網的使用周期是關鍵問題之一，采用鄰節點尋找目的節點的路由選擇算法，能夠減少從源節點到目的節點的傳輸跳數，節約傳輸能量[8]，從而能夠降低整個網絡的能耗。

終端模塊主要是接收中央控制器通過ZigBee模塊發來的命令，同時解析命令，并進行相應操作[9]。它是具體執行數據采集和控制路燈的設備，根據需求可以在終端節點連接傳感器或路燈驅動功率開關，進行環境信息采集和路燈的自適應控制。終端在大部分時間都會被設置為低功耗休眠模式。

2.2 ?亮度采集模塊電路設計

高度采集模塊圖如圖3所示。亮度采集模塊中R8，R16和R17為保護電阻，可以防止電流太大導致LM324的引腳燒壞。R1和R5，R2和R6，R3和R7分別為光敏電阻RL1，RL2，RL3的分壓電阻;在不同的光照強度下GM1，GM2和GM3采集到光敏電阻的電壓值不同。用戶可以根據實際需求，通過調節電位器RP1，RP2和RP3的阻值改變它們的電壓; LM324通過內部比較器將電位器電壓與采集到的光敏電阻電壓值做比較后，分別輸出三路不同的高電平給控制器，從而控制器可以將系統的照明方式劃分為：A為關燈;B為可調照明;C為全功率照明。當處于A模式時，照明系統會自動將所有路燈和傳感器關閉（光照強度傳感器除外，其是決定整個系統是否工作的觸發條件，需要一直保持工作狀態），起到節約能源的作用;當處于B模式時，照明系統會自動開啟相應的路燈和傳感器，并根據環境的光照強度調節路燈的亮度;當處于C模式時，照明系統會自動開啟相應的路燈和傳感器，并將路燈的亮度調節到最大值。

3 ?系統軟件設計與開發

3.1 ?ZigBee軟件設計與開發

協議棧是協議的實現，是ZigBee程序開發和設計的主要部分。程序設計工程根據系統的實際應用，確定數據傳輸路徑、存儲和處理的方式，以及系統設備之間的通信順序。當某個節點需要發送數據時，該節點程序就會調用數據發送函數，完成數據的無線傳輸。當某個節點需要接收數據時，該節點就會調用數據接收函數，實現數據無線接收。當設備不需要進行數據傳輸時，就會調用睡眠函數讓設備處于休眠狀態;當設備需要進行數據傳輸時就會調用相應函數。ZigBee無線通信的所有任務函數和路燈控制程序都在OSAL操作系統上運行， OSAL可以根據各個任務的事件觸發條件來實現任務調度。

ZigBee無線通信模塊啟動后需要先進行程序初始化工作，具體有芯片程序初始化、協議棧程序初始化、串口程序初始化和硬件程序初始化等。其中芯片、協議棧和串口程序的初始化工作都能夠調用協議棧程序中的初始化函數來實現，硬件程序初始化函數則需要根據實際應用電路的設計進行適當裁剪，使其符合實際的需求。協議棧程序執行的整個過程是由OS（Operating System）貫穿的，所有程序初始化工作結束后，就會通過osal_strar_system（）函數進入到OS。在程序執行所有任務的過程中，該函數作為主循環函數，會執行檢查全部任務事件的工作，并調用相應任務事件的處理函數來處理該任務事件。

3.2 ?數據采集軟件設計與開發

由于整個管理系統對路燈的控制方式都是由環境的光照強度決定，所以需要光照強度傳感器始終處于工作狀態。當路口的人體紅外傳感器和車輛探測器檢測到汽車或行人時，系統才會開啟其他需要開啟的傳感器;平時則將它們設置為睡眠模式，降低整個網絡的能耗。因此，各個路口的汽車探測器和人體紅外傳感器，也需要始終保持工作狀態，因為這是其他路燈進入工作狀態的觸發條件，而其他傳感器在沒有被觸發前保持睡眠模式。連接有傳感器的終端節點申請加入網絡成功后，協調器通過RS 232串口給PC機發送成功入網節點的IEEE地址，并更新其在PC機顯示道路示圖中的標識顏色。當想要獲得道路某個區域的路燈狀態時，只需要點擊PC機顯示道路標識上的相應節點。上位機程序會調用已存儲相應節點的物理地址，經串口和ZigBee網絡向該節點發送獲取狀態的指令，并等待接收節點傳回的狀態信息，協調器接收到傳回的狀態信息后，通過RS 232串口發送給PC機進行顯示。

3.3 ?路燈控制軟件設計與開發

如圖3所示，當系統處于A模式時，除光照強度始終保持工作狀態外，控制器會關掉其他傳感器，并關閉所有路燈，節約能耗。當系統處于B模式時，控制器會開啟每個路口的車輛探測器和人體紅外傳感器，其他位置的同類傳感器均設置為休眠狀態。當相應路口的傳感器檢測到有車輛駛來或有行人時才會打開前方的傳感器，并根據檢測到的車速確定需要開啟的路燈數量和環境光照強度調節它們的亮度;汽車移動過程前方的路燈會陸續開啟，保持汽車前方的路燈照明范圍能夠完全覆蓋駕駛員的安全視距。當汽車和行人通過后，如果后方傳感器沒有檢測到有汽車或行人，則后方的路燈會自動關閉。控制策略為：當車速低于10 km/h時，開啟汽車前方3盞路燈;當車速高于10 km/h且低于30 km/h時，開啟汽車前方5盞路燈;當車速高于30 km/h時，開啟汽車前方8盞路燈;當檢測到只有行人時，開啟行人附近3盞路燈;當同時檢測到有汽車和行人時，執行有汽車時的控制策略。當系統處于C模式時，控制方式和B模式相同，但不進行PWM 調光，而是將路燈的功率調到最大[10]，使路燈亮度達到最大。

4 ?結 ?語

本文通過深入研究ZigBee智能組網技術，并將該技術應用到自適應道路照明系統的設計中，將整個道路的有關設備進行高效集成組網，構建高效的路燈智能化節能管理系統。根據實際需求研究了協調器、路由器和終端的合理布局，設計亮度采集模塊電路;并開發了相關控制程序，使得該系統能夠綜合不同的光照強度、不同的車速、不同的交通流量和有無行人等情況，可以實時地自動調節路燈的狀態，實現路燈的自適應照明;并通過實時監控的方式來實現智能化管理，使城市道路照明系統實現真正的現代化、科學化和智能化。

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