基于ZigBee的智慧路燈控制系統的研究

鄭瑤，吳澤森

（廣西機器視覺與智能控制重點實驗室 梧州學院，廣西梧州，543002 )

0 引言

路燈在城市生活中有著重要地位，既能為居民出行照明提供便利，也體現了城市現代化發展的程度[1]。就目前來看，我國城市路燈大多自動化水平不高，仍舊采用人工巡查的方法，這樣的管理效率不僅低，在一定程度上耗費不少的人力和電力資源。所以，智慧路燈取代傳統路燈是眾望所趨，通過智能路燈管理控制系統來提高城市照明化水平，節約人力與電力成本，推進現代化經濟建設和高新信息技術的快速健康發展[2]，實現城市的智慧化。因此，智慧路燈的研究與開發是城市化發展有力的途徑之一，也是智慧城市從發展走向全面發展的重要體現，對城市的建設具有重要意義。

21世紀初期, 美國、英國、德國、荷蘭、日本、韓國、新加坡等國均開展了智慧旅游城市的實踐[3]。西方發達國家在路燈建造方面比較注重電能的節約，針對電能浪費的問題，提出并實踐了許多方法。通過研究他們提出的路燈節能方法，不難發現主要有以下幾種：一是改變控制方法。采用新技術對路燈進行改造，例如聲控、定時、人體紅外控制等實現對路燈智能的調控；二是采用節能設備，不斷提高照明設備對電力的使用性能和使用效率，實現路燈節能；三是從根源入手，利用人民政府的威信和法律的權威對生產制造商進行約束，以提高照明設備的能源利用效率。每個國家的發展需求不同[4]，所以對智慧路燈的發展方向和模式也有不同的理解[5]。2015年開始，圣地亞哥在已有的路燈燈桿上外接多個設備和傳感器[6]。這款路燈可以說是一個全能路燈，在發現空閑車位的時候會通知司機，還可以拍攝違規停放的車輛。在美國，由于美國的國情，持槍具備合法性，所以在槍擊事件頻發的地方，一個可以偵測槍聲并定位的路燈，給警察迅速出警帶來了便利。

為此本文主要考慮公路路燈的管理模式，目的是采用合理的路燈管理模式，達到減少能源消耗、高效管控、安全穩定的目的，從而實現城市照明的智能化。

1 設計原理

智慧路燈系統分為三個部分，即PC端、協調器和終端。PC端通過打開上位機軟件獲取協調器轉發的數據，協調器與終端通過無線通信接收終端數據。終端的作用就是通過光敏傳感器、人體紅外傳感器獲取相應數據，可實現實時監測、自動調光和遠程控制等功能。

遠程控制采用的是指令下發的原理。指令是在上位機軟件中生成，手動模式給了指令生成的環境，在這環境下采用數字信號發送的方式，通過協調器傳遞給終端，終端對此信號進行高低電平分析，用于觸發繼電器模塊，實現指令的下發。

實時監測采用的是數據回傳的原理。數據在終端通過光敏傳感器和人體紅外傳感器檢測，包括光敏觸發數據、光照強度數據、燈光亮度數據和行人檢測數據。這些數據被整理上傳至協調器，然后按位的方式發送至上位機，軟件系統對數據進行解析并顯示出來，達到實時監測的目的。

自動調光是對光照強度數據的分析。當光敏觸發路燈打開后，通過PWM電壓調節電路，根據光照強度調節路燈的電壓以改變路燈的亮度，實現自動調光。本文設計中3級燈光亮度，分別適應微暗天、暗天、微暗有人3種情況。微暗時采用1級亮度，暗天時采用2級亮度，微暗有人時采用3級亮度。

2 硬件控制電路設計

硬件控制系統的電路主要有以下幾部分組成：燈具硬件、ZigBee協調器電路、終端控制電路、按鍵模塊、液晶顯示模塊、電源模塊組成，系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

（1）光敏感應模塊電路模塊

光敏感應模塊是ZigBee終端外接的模塊電路。因為光敏感應模塊對光照感應靈敏，輸出的形式為簡單的數字型，工作電壓與ZigBee終端工作電壓一致，所以本設計利用光敏感應模塊檢測環境的光線亮度和燈光亮度，觸發繼電器模塊和檢測路燈的好壞。電路如圖2所示。光敏電阻工作原理就是通過光照強度來改變自身的阻值大小，光照強，阻值就會減小，反之，光照弱，阻值就會增大。

圖2 光敏感應模塊電路設計圖

LM393是一個雙電壓進行比較器，但在本電路系統設計中只用到其中的一路電壓比較，即比較正向輸入電壓（U+）與反向輸入電壓（U-）的大小，從而確定輸出的電平。當U+＞U-時，1號引腳輸出高電平，U+＜U-時，1號引腳輸出低電平。圖中VR2是用來調節光敏電阻的靈敏度，VR2設定一個閥值后，與其連接的反向輸入電壓為參考電壓，當光敏電阻感應到強光，阻值減小，由歐姆定律可知，正向輸入電壓會隨之減小， DO端輸出低電平，LED2亮，連接的繼電器斷開，路燈關閉；當光照減弱時，光敏阻值增大，正向輸入工作電壓增大，DO輸出一個高電平，LED2滅，繼電器接通，路燈打開。檢測燈光的光敏電阻也是利用此原理來實現路燈故障檢測。

（2）ZigBee終端控制器最小系統設計

ZigBee終端控制器的最小系統作為核心板，由復位電路、時鐘和電源電路組成，工作電壓為3.3V，當電路中晶振正常工作后即可組建ZigBee網絡。ZigBee終端控制器的底板有多個外接I/O口，可根據設計需要進行配置與連接。

（3）人體感應模塊

hc_sr501采用熱釋電元件，在接收到人體紅外溫度變化時，元件會向外釋放電荷，電荷經BISS0001芯片處理后，從VO引腳輸出一個周期性的信號，利用上升沿觸發改變數據的輸出。圖中VR2電位器用于調節人體感應距離，可調節范圍在3M～7M之間；VR3電位器用于調節感應延遲時間，調節范圍在0.5s～300s。7133-1穩壓管的作用是保證電路穩定輸出一個3.3V電壓。原理圖見圖3所示。

圖3 人體感應原理圖

3 軟件設計

運用C#語言對上位機進行設計，實現上位機對燈光的控制與顯示當前路燈狀況，實現實時的檢測與控制。ZigBee協調器與ZigBee終端控制器采用IAR程序開發軟件進行設計。上位機與協調器建立串口進行通信，將指令傳送給終端控制器。終端控制器對協調器下發的命令進行解析并執行；終端控制器對各類傳感器采集的數據進行回傳。設計框圖如圖4所示。

圖4 系統軟件總體流程圖

根據設計模塊，實現PC端對數據進行監控，必不可少要對上位機進行設計與開發。目前上位機的開發語言有許多種，VB最先使用的，后來C++進行了更深層次的開發，更高效的C#語言在微軟公司發布。由于微軟Visual Studio平臺進行設計與編程會更加的便捷與高效。所以在本設計中上位機的開發采用的就是此類平臺。設計C#上位機窗體應用程序，可根據開發環境工具欄中提供的控件，選擇需要的控件進行界面的整體布局，并對控件的屬性進行設計，設計的過程軟件會在主程序部分自動生成相應的事件，根據功能需求在事件函數中進行程序的編寫，從而賦予控件工作技能，使之實現設計需要。本設計中，插入了相應的圖標，這些圖標可根據數據的變化而變化。此外，串口和波特率也非常重要。設計流程如圖5所示。

圖5 上位機界面程序設計圖

4 結論

通過該系統對路燈燈泡亮度進行測試。測試時要保證測試環境的明亮。表1為測試結果，光敏可從AO引腳進行亮度采集，利用采集到的亮度對路燈進行自動調光處理。現對光敏采集到亮度進行測試。在同一光源的照射下，照度計測光儀測出的數據作為參考值，再與光敏測出來的數據進行比較，求出誤差值。

表1 亮度測試誤差表

本次上位機顯示測試在自動模式下進行。上位機可以顯示路燈的光照強度、自然光的光照強度、路燈的狀態、顯示路燈是否正常和顯示路燈下是否有人。本系統采用一個終端節點和一個協調器共同完成測試，連接實物圖如圖6所示，測試結果如圖7所示。

圖6 傳感器連接實物圖

組網成功后，數據開始上傳，在未開始測試前，上位機如圖7(A)所示，圖(A)中確定了串口號，打開串口，顯示自然光的光照強度數據和其它默認值；當圖6中的人體感應模塊檢測到人時，顯示系統狀態信息如圖7(B)所示,無人框變成“有人”；圖6中左邊的光敏是檢測自然光照，當用手掩蓋此光敏模擬天黑狀態時，顯示如圖7(C)：燈泡圖標變亮，圖標上的光照強度減小，路燈正常，檢測路燈的當前亮度能夠顯示相應數據；圖6右邊的光敏是檢測路燈光照，用手捂住此光敏模擬路燈不亮，就會顯示路燈故障，當前亮度無數據，如圖7(D)所示。測試結果表明，上位機能夠準確的顯示下位機的實時狀態與數據，符合測試標準。

圖7 測試顯示圖

遠程控制測試：將1號路燈放在20m遠處，啟動上位機手動模式，可對1號路燈進行開關控制，點擊手動模式下的兩個“小燈泡”，遠程控制路燈的亮度。測試結果表明路燈開關有效，燈光亮度調節明顯。自動調光測試。2號路燈為測試對象。啟動上位機，選擇自動模式。在自動模式下路燈可根據光敏上傳的數據進行調光，有人經過時自動提高亮度。測試結果表明當光敏數據變小時，路燈燈光變暗；有人經過時路燈變得更加亮，說明自動調光功能實現。結合遠程控制測試和自動調光測試，說明路燈的實時監測功能實現，并能根據監測數據進行合理的調控。整體測試結果表明，該智慧路燈系統能夠滿足功能要求，完成了整體的設計。