基于ZigBee技術(shù)的某工廠智能路燈改造研究

邢焱哲，肖文歡，馮 桂，吳家奎

（中海福陸重工有限公司，廣東 珠海 519000）

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 工廠路燈系統(tǒng)現(xiàn)狀

該工廠現(xiàn)場地中已投入使用的122盞路燈均為150 W LED路燈。路燈控制中心位于二號門保安室內(nèi)，共有四段線路，分別對應(yīng)現(xiàn)場四個線路區(qū)域的路燈，并通過分合閘的方式開啟或關(guān)閉路燈。該工廠目前使用的LED路燈控制方式為：手動、自動切換控制，在自動模式下，路燈會根據(jù)預(yù)設(shè)時間點自動點亮和關(guān)閉路燈；手動模式下，則需要人為地開合閘來點亮和關(guān)閉路燈。該工廠在工程趕進度期間，夜間廠區(qū)內(nèi)常有作業(yè)車輛行駛和工人行走，需要路燈提供正常照明。而在正常作業(yè)期間，夜間廠區(qū)行駛車輛較少，這時若仍用額定功率進行照明便會造成電能浪費[1-5]。由此可知，目前路燈系統(tǒng)主要有如下特點：控制方式老舊、節(jié)能效果差、無故障監(jiān)測。

1.2 智能路燈方案設(shè)計

已知該工廠路燈基建已完成，故在建造路燈時引入有線通信控制的方式已無法實現(xiàn)，無線通信控制成為必然選擇。ZigBee無線通信有成本低、無需布線、功耗低的優(yōu)勢，十分適合用于無線通信控制。

基于ZigBee無線通信技術(shù)設(shè)計出如圖1所示的由路燈管理中心、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點和路燈控制終端組成的智能路燈系統(tǒng)。

路燈管理中心下達指令，由RS485總線經(jīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將指令傳遞給路由節(jié)點，路由節(jié)點再將指令傳達給子網(wǎng)內(nèi)的路燈控制終端。反過來，系統(tǒng)中各節(jié)點搜集各個路燈電壓、電流、行人及作業(yè)車輛、外界光照度等信息，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)經(jīng)路由節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，最終反饋到管理中心并進行分析。整個系統(tǒng)最終實現(xiàn)自動識別日照條件并作出開關(guān)燈的動作；檢測各路燈回路、各路燈電壓電流情況，實時反饋故障情況；沒有夜間作業(yè)時，自動調(diào)低亮度實現(xiàn)節(jié)約電能；有車輛夜間作業(yè)時，自動識別作業(yè)車輛，退出節(jié)能模式進行正常照明。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

出于減少改造的難度和降低硬件成本考慮，數(shù)量最多的路燈控制終端硬件應(yīng)盡量簡化，功能上集成開關(guān)燈的執(zhí)行器、車輛傳感器以及通信模塊即可。這也決定了路燈控制終端將使用簡化功能節(jié)點RFD（Reduced Function Device）。RFD節(jié)點僅可以與FFD進行通信。

圖1 智能路燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

路由節(jié)點與路燈控制終端基本功能一樣，亦能對路燈進行控制和監(jiān)測車輛。不同的是，路由作為全功能節(jié)點FFD（Full Function Device），可以與其他FFD節(jié)點即其他路由和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進行通信。也就是說路由節(jié)點既是執(zhí)行機構(gòu)亦是連接路燈控制終端和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的信使。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器硬件除了基本的通信模塊用于建立和維護Zigbee無線通信網(wǎng)絡(luò)，為了可以監(jiān)測外界光照度提供光照值給路燈控制中心判斷是否需要開燈，還應(yīng)集成光照傳感器及其通信模塊。下面對部分設(shè)備硬件組成模塊進行介紹。

2.1 無線通信模塊

作為除上位機之外各設(shè)備的基本硬件模塊，無線通信模塊采用CC2530模塊，由美國德州儀器公司（TI）生產(chǎn)的真正CMOS系統(tǒng)芯片具有很好的穩(wěn)定性。CC2530芯片是低成本、低功耗的2.4 GHz波頻ZigBee應(yīng)用代表。使用極低成本就可以搭建強大且穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)。

2.2 LED調(diào)光電路

LED路燈需要可以起到恒定電流、穩(wěn)定電壓作用的LED驅(qū)動器作為開關(guān)電源，以驅(qū)動LED路燈燈珠。PT2407驅(qū)動芯片是非常合適的調(diào)光電路芯片，其良好的散熱性能亦非常適合路燈燈柱封閉的環(huán)境中。PT2407通過控制流過LED路燈的有效電流時間可以實現(xiàn)對LED路燈亮度的控制。

2.3 光照度檢測模塊

光照度傳感器其原理即為光敏原件，將光照強度轉(zhuǎn)換為電信號供芯片處理。市場上封裝成型的光照度傳感器便可滿足需求。考慮工廠廠區(qū)內(nèi)的光照度差異不大，可只在網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點的硬件中集成光照度傳感器，實現(xiàn)對區(qū)域光照度監(jiān)測的同時節(jié)約了硬件成本。

2.4 電壓電流測量電路

路燈狀態(tài)監(jiān)測通過由電壓互感器、電流互感器等元件構(gòu)成的電壓電流測量電路實現(xiàn)。220 V電壓市網(wǎng)電壓通過微型電壓互感器PT107以及微型電流互感器KCT103得到的二次側(cè)電壓、電流數(shù)值偏小，經(jīng)過電壓抬升電路即可滿足CC2530芯片AD轉(zhuǎn)換要求。

2.5 雷達檢測電路設(shè)計

為了增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，可使用標準10.525 GHz的HB100微波模塊。非工程建設(shè)高峰期時，夜里廠區(qū)內(nèi)的行人和車輛較少，路燈亮度調(diào)節(jié)至50%。而工程建設(shè)高峰期內(nèi)，即使在夜里，廠區(qū)內(nèi)依然有行人和作業(yè)車輛，通過微波多普勒雷達探測行人和作業(yè)車輛信息，將行人和作業(yè)車輛所在的區(qū)域及臨近區(qū)域路燈亮度調(diào)整為100%，并在行人和車輛遠離后將亮度恢復(fù)成50%。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計

首先對網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的CC2530芯片進行初始化，建立一個新的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，然后進入無線監(jiān)聽狀態(tài)接收其他設(shè)備數(shù)據(jù)，若有新節(jié)點申請加入網(wǎng)絡(luò)則為其分配網(wǎng)絡(luò)地址。若沒有節(jié)點申請加入，則判斷是否有來自路燈控制中心上位機或者下級路由節(jié)點的數(shù)據(jù)需要傳輸，并將相應(yīng)數(shù)據(jù)傳遞給對應(yīng)節(jié)點。因為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器集成了光照度傳感器模塊，所以應(yīng)定時將采集到的光照度信息通過RS485總線上傳給路燈管理中心的上位機，供上位機判斷是否需要開燈。

3.2 路由節(jié)點軟件設(shè)計

首先對路由節(jié)點CC2530芯片進行初始化，搜索加入現(xiàn)有的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，成功加入后，接收上下級節(jié)點數(shù)據(jù)并傳遞給對應(yīng)節(jié)點。路由節(jié)點聯(lián)系著路燈控制終端和路燈管理中心，路由節(jié)點作為數(shù)據(jù)信息的中繼點存在，在整個系統(tǒng)中起著重要作用。路由節(jié)點接收網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器傳來的指令，通過路由節(jié)點靈活組網(wǎng)的特點將指令快捷高效地轉(zhuǎn)發(fā)到路燈控制終端，為后者能高效、及時執(zhí)行路燈管理中心的指令奠定基礎(chǔ)。路由節(jié)點與路燈控制終端在硬件上并沒有區(qū)別，只是在軟件配置時分配了相應(yīng)的功能，所以路由節(jié)點在充當路由的同時也可以起到路燈控制的功能[6]。

3.3 路燈控制終端軟件設(shè)計

作為系統(tǒng)的執(zhí)行器，路燈控制終端接收來自路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的指令，完成指令要求的操作，如開關(guān)路燈操作以及亮度調(diào)節(jié)。作為系統(tǒng)的傳感器，路燈控制終端將采集到的路燈電流、電壓、作業(yè)車輛信息通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)向上反饋。

路燈控制終端程序流程如下：首先對CC2530芯片進行初始化，搜索加入現(xiàn)有的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)；成功加入后，掃描是否上級節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)，若有數(shù)據(jù)則按照數(shù)據(jù)中的指令進行開關(guān)燈操作；如果沒有上級指令，則根據(jù)是否有車輛、行人向上反饋或定期向上反饋路燈狀態(tài)信息。

3.4 路燈管理中心軟件設(shè)計

路燈管理中心主要通過電腦上位機軟件監(jiān)控整個路燈控制系統(tǒng)，通過監(jiān)控軟件主界面可以實時查看系統(tǒng)中路燈運行狀態(tài)，根據(jù)實時的路燈報警對路燈進行及時維護，有效保障廠區(qū)路燈照明安全。路燈管理中心上位機使用SQL Server數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對路燈控制終端采集到的數(shù)據(jù)的存儲，方便管理員獲取路燈歷史狀態(tài)。

圖2為路燈管理中心程序流程圖，在硬件初始化完畢之后，首先根據(jù)來自網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的外界光照度信息顯示各路燈狀態(tài)并判斷當前光照度是否低于開啟路燈預(yù)設(shè)光照值，如果判斷為真，則下達路燈開燈并處于50%亮度命令。否則發(fā)送關(guān)燈命令。當路燈處于50%亮度狀態(tài)下，根據(jù)路燈控制終端探測到的車輛行人信息，發(fā)送該區(qū)域及臨近區(qū)域路燈100%亮度指令。

圖2 路燈管理中心程序流程圖

3 結(jié) 論

本文根據(jù)場地道路照明的結(jié)構(gòu)和特點，提出了當前系統(tǒng)內(nèi)存在的一些問題，并根據(jù)LED照明特性及其驅(qū)動方式，在ZigBee無線通信技術(shù)基礎(chǔ)上，提出一套系統(tǒng)的改進方案。本方案可實現(xiàn)靈活控制路燈開啟關(guān)閉、照度智能化調(diào)節(jié)、電參數(shù)測量、行人車輛智能監(jiān)控等功能，利用上位機對數(shù)據(jù)進行分析、做出判斷、發(fā)送指令，并創(chuàng)建SQL數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲。方案軟硬件理論基礎(chǔ)扎實，具有良好工程可行性。