基于ZigBee的智能路灯控制系统设计方案

[导读]

本文提出了一套采取无线通信协议ZigBee智能路灯控制系统设计方案。该方案系统利用ZigBee无线通信技术实现主控系统对终端路灯实时控制，具备微波雷达移动物体检测、环境光检测及时间设定等路灯控制方式，能实现路灯远程控制、自动调光、故障检测及定位等功效。模拟试验表明，本方案中所设计系统操作简单，智能化程度高，节能效果好。0引言伴随中国城市和经济快速发展，城市路灯照明已经成为展示城市魅力名片和窗口，不过照明在带来绚丽和方便同时，也碰到了很多问题。据调查，我国小型城市在夜晚9点后，大中城市在午夜12点后，道路上行人非常稀少，即便是北京、上海、广州这么繁荣城市，凌晨2点以后，道路上也罕见行人、车辆。这时假如保持“恒照度”会造成资源大量浪费；另外后午夜是用电低谷期，电力系统电压升高，路灯反而会更亮，而我国现行70%道路照明使用高压钠灯，这类电网电压波动致使灯泡实际使用寿命不超出1年，带来了高额维修费和材料费，而且系统难以及时反馈路灯运行故障信息，无法进行远程控制和处理，只能采取人工巡查方式。路灯控制系统从最初开关控制功效，逐步演化到监控节能控制功效，各种新技术被用于路灯监控系统中。路灯控制方法有PLC控制，电力载波控制和无线网络控制等。从路灯控制系统成本、可靠性、信息化、应用前景等方面考虑，本方案采取ZigBee无线自组网网络技术实现LED路灯节能控制目标。1方案系统设计按照系统要求，本设计主要完成支路控制器和路灯及二者之间通信网络设计，其中支路控制器完成时间、光照信息测量，路灯终端完成故障诊疗和移动物体检测，利用ZigBee无线网络技术实现支路控制器和路灯终端之间通信。所以系统主要包含以下分系统：电源稳压系统、支路控制系统、ZigBee协调器系统、Zig-Bee路由和终端系统。其中电源稳压包含5V稳压和3.3V稳压；支路控制系统包含时间模块、键盘模块、显示模块和光照采集模块；ZigBee协调器包含显示模块和键盘模块；ZigBee路由和终端包含微波雷达检测模块、故障检测模块和路灯控制模块。系统结构框图如图1所表示。ZigBee技术是一个新兴短距离无线通信技术，在近距离无线网络领域得到广泛应用。ZigBee技术采取自组网络，其网络拓扑机构能够随意变动，这一特点对实现路灯智能监控系统智能化、高可靠性、低成本起到很好作用。ZigBee网络拓扑结构可分为：网状结构、星型结构和树状结构，考虑到树状结构能够提升通信网络可靠性，所以本设计中无线系统网络拓扑采取树状结构，使用路由功效传输。无线系统由一个ZigBee协调器、若干个路由控制器和若干个路灯终端所组成，网络示意图如图2所表示。依照ZigBee通信组网技术特点，将ZigBee技术与传统路灯控制模式相结合，依照不一样路段及时间，对协调器设置不一样检测与控制方式，能及时对路灯进行对应控制并发觉路灯损坏情况和它详细位置，方便维修管理，实现按需节能、智能化管理，达成城市照明系统节能减排目标。2系统硬件设计2.1支路控制器设计依照系统功效，支路控制器主要包含时空电路、光控电路、键盘及显示等，电路如图3所表示。时间控制芯片采取是DS12887芯片，其内部自带锂电池，外部掉电时，还可准确走之久，有12小时制和二十四小时制，数据可分二进制或BCD码传送，使用非常方便。环境光检测部分采取是光敏电阻加LM339电压比较器测量方案。电阻RV2，R5，R9及光敏电阻共同组成了惠斯顿电桥两个桥臂。在光线相对较强时，电路输出端输出低电平；当光线强度相对较暗时，电路输出端输出高电平。统共设置5个按键，采取独立式键盘，包含时间调整键，模式选择键及季节设置键。时间调整键三个，设置键、上调键和下调键，按下设置键开光标，上下调整键用来调整时间。模式选择键，采取自锁式按键，进行繁荣和偏僻模式转换。季节设置键，也采取自锁式按键，进行夏季和冬季转换。2.2ZigBee协调器设计ZigBee协调器负责组建网络与信息收发处理工作。协调器不停采集主机发来开关路灯与开关雷达指令，经过发送不一样字符给终端使其作对应操作。同时能够显示故障地址，并能对故障信息进行去除。当接收到终端和路由发来故障地址时，将地址显示在LCD上。因为CC2530IO口资源较为紧缺，所以设计时选择串口驱动方式。故障维修人员统计检验故障信息，维修员维修之后，需要将原有故障信息去除，此时只要按下故障去除按键即可。ZigBee协调器接口电路如图4所表示。2.3ZigBee路由和终端系统ZigBee路由和终端系统接收来至协调器开关灯与开关雷达指令，某个路灯出现故障时发送本路灯地址给协调器。所以ZigBee路由和终端系统由微波雷达检测模块、故障检测模块及LED路灯控制模块组成。2.3.1微波雷达检测模块微波雷达传感器受气流、温度、尘埃影响较小，所以设计中选取标准10.525GHz微波多普勒雷达探测器HB100进行移动物体检测。在人与车稀少区段开启移动物体检测模块，当有移动物体在路灯所检测范围内活动时开启路灯；当移动物体离开后保持路灯处于低亮状态一段时间，STC15F104单片机提供延时，并由P3.1口输出控制信号。电路如图5所表示。其中CC2530P2.1口控制三极管通断决定单片机与雷达模块是否上电工作。三极管发射极与基极电阻R4使三极管更有效截止与导通。2.3.2故障检测模块故障检测电路如图6所表示。夜晚开启路灯同时开启故障检测模块，路灯正常工作时光线强，比较器输出低电平；路灯故障时，光线较暗，比较器输出高电平。因为比较器输出只是高低电平，出现故障变为高电平，此时如若直接连接到ZigBee模块上它会不停发送故障信息，造成系统资源浪费。设计中用STC15F104单片机不停检测比较器输出端，出现故障时由P3.3端向ZigBee模块输出一个负脉冲。单片机工作电源由ZigBee模块LED端控制，确保系统在高亮时段实时检测故障从而节约了系统资源。2.3.3LED路灯控制模块LED路灯控制电路如图7所表示，路灯由两部分控制。当定时时间到时开启路灯，开启模式为全亮；进入雷达检测模式后，有移动物体出现在检测范围内，开启全亮模式；两种控制用与门连接，有一个输出为低电平就开启路灯。没有移动物体在雷达检测范围之内时路灯处于半亮模式，接入电压为全亮模式二分之一用。为了使其控制端间互不影响，在各控制末端加入光电耦合器进行隔离。3软件设计系统上电后进行初始化，检测系统是否正常工作，假如正常则按照路灯控制界面进行状态检测并对路灯进行输出控制，使路灯按照既定程序实现开/关状态。主机系统显示对应控制信息；协调器不停检测主机数据输出口状态判断发送数据是否；终端等候协调器数据进行。系统软件设计主要包含主机软件设计、协调器软件设计、路由器和终端软件设计等三大部分。其中在协调器软件设计、路由器和终端软件设计上协议栈尤为主要，不一样厂家出品不一样产品有不一样协议栈。本文使用芯片为TI企业生产CC2530芯片，使用协议栈是由TI企业出品Z-Stack协议栈。3.1主机系统软件设计依照智能路灯系统实现功效需要，主机系统软件划分为以下几个部分：监控主程序、日历时钟子程序、LCD显示子程序、键盘扫描子程序、光线明暗检测子程序。监控主程序经过对时间、键盘、光线情况循环判断，决定是否执行对应功效程序。主机软件设计流程图如图8所表示。主机依照时间与外界光线状态发出控制命令如表1所表示。3.2协调器系统软件设计依照协议栈对协调器系统进行软件编程。实现此项目要求只需修改协议栈应用层和硬件层。应用层执行查询任务工作，修改硬件层使整个系统与所扩展硬件匹配。3.2.1硬件层修改定义协调器P2.0、P2.1为数据输入端口。协调器上有显示故障信息12864显示模块，首先建立一个lcd.h文件，在内部定义所应用管脚定义及对应宏定义。之后按照12864时序编写12864读写程序lcd.c，建立出数据与写数据位置接口函数。在协议栈中ZigBee联盟已经将LCD显示程序封装在硬件层，假如应用另外显示硬件只需将原有lcd.h文件覆盖即可。3.2.2应用层修改系统不停采集主机数据输出端口发来数据，依照数据不一样而执行对应操作。首先将读取主机数据任务ID号加入到任务中，这么在任务循环执行时方可执行到，不然永远执行不到这个任务。协调器读取任务流程如图9所表示。

3.3路由器和终端节点系统软件设计依照协议栈对路由器和终端节点系统进行软件编程。一样只需修改协议栈应用层和硬件层。应用层执行查询任务工作，修改硬件层使整个系统与所扩展硬件匹配。路由器和终端节点系统中开关灯、开关雷达端口用协议栈内部定义好两个LED灯端口。用控制两个LED灯开/关分别控制路灯开/关、雷达控制开/关。路由器和终端节点系统接收来自协调器字符控制信号，不一样字符执行不一样操作。利用中止查询方式采集亮灯状态下灯泡光照强度进而判断是否出现故障，出现故障进入故障处理函数，编辑路灯地址并发送到协调器。4总结本方案从应用方面着手对ZigBee技术网络拓扑结构进行研究，