基于ZigBee的道路智能照明控制系统设计

基于ZigBee的道路智能照明控制系统设计

图1系统构造图

2系统硬件设计

硬件局部主要包括：ZigBee模块、传感器模块、GPRS模块等。本设计中，传感器模块有光敏电阻模块和光照传感器模块[4]，分别用于路灯状态检测和采集环境光强信息。ZigBee模块选用TI公司生产的CC2530芯片，该芯片集成了Z⁃Stack协议栈，可以便利地实现自组网从而组建路灯传感网络。GPRS模块采纳易通星云公司的M260模块，此模块是易通星云公司的一款工业级的GPRS无线通信+GPS定位功能的模块产品，利用SIM卡和运营商GPRS网络供应无线网络数据通信，通过对模块远程设置猎取GPS坐标信息，还可以通过串口和目标设备相连接做数据通信。该模块内置协议栈，供应免费的云平台和手机SDK，便利进展系统的设计。

2.1路灯终端节点设计

路灯终端节点是整个传感网络的末端，它们主要负责数据的采集并周期性地将数据上传，依据照明治理中心的掌握命令开关路灯和调整PWM[5]输出从而调整路灯的亮度。每个节点由CC2530芯片、光敏电阻模块和LED路灯（带PWM驱动）组成。光敏电阻模块通过推断是否有光照推断路灯是否正常运行，若发生故障，会发送故障信息给照明治理中心，LED通过CC2530调整PWM的占空比对亮度进展掌握。路灯终端节点硬件构造图如图2所示。

图2终端节点硬件构造图

2.2无线网关节点设计

无线网关节点是整个传感网络的中心点，每个无线网关节点负责一组无线传感网络，主要负责数据的交换。终端的路灯运行状态信息通过终端发送给无线网关节点，无线网关节点发送到效劳器，照明治理中心从效劳器猎取信息，由照明治理中下发的掌握指令经由效劳器发送至无线网关节点，然后通过传感网络下发至各个路灯终端节点执行指令调整路灯的工作状态，每个区域的无线网关节点上连接着一个光照传感器，用来采集外界环境的光照信息供照明治理中心分析进展路灯的掌握策略调整。每个无线网关节点由CC2530模块、M260模块和光照传感器模块组成，M260模块和CC2530模块通过串口相连接，实现ZigBee和GPRS之间协议的转换，光照传感器通过I2C通信协议进展驱动采集数据。无线网关节点硬件构造如图3所示。

图3无线网关节点硬件构造图

3系统软件设计

系统软件设计包括数据通信帧的设计、无线传感网络软件设计、照明治理中心软件设计。要保证数据的精确收发必需有合理的数据帧，从而简化治理中心和路灯终端节点的分析数据的过程;无线传感网络的组网方式、外设模块的驱动等需要软件编程实现;照明治理中心需要設计合理的软件界面，简化操作流程，便利治理人员操作。

3.1通信数据帧设计

本文设计的照明掌握策略[6]，分别是依据车辆顶峰期分时间段掌握、单双灯的间隔群组掌握和依据外界环境光照强度掌握。同时还有路灯故障报警信息和外界环境信息的显示。为了进展有效的数据传输，设计了节点命令掌握帧、节点传输数据帧便利软件进展数据的分析。

1）节点命令掌握帧

照明治理中心使用掌握指令帧经由无线网络发送命令，掌握终端节点以实现灯的开关、亮度和群组掌握。节点命令掌握帧由4个字节组成，分别表示路灯的开关掌握指令、掌握策略指令、节点号信息、亮度指令。

2）节点传输数据帧

上传的数据中包含光照强度的信息和路灯故障信息，因此采纳“#”符号连接两种数据，治理中心接收到数据之后进展字符串的拆解，将数据分类出来分别进展显示和推断处理。

3.2路灯终端节点程序设计

路灯终端节点负责监测路灯运行状态并通过传感网络发送给无线网关节点，当接收照明治理中心由无线网关节点下发的掌握命令数据时，依据解析出来的命令掌握灯的开关，输出相应的PWM掌握路灯的亮度，详细流程如图4所示。

图4路灯终端节点软件流程图

3.3无线网关节点程序设计

无线网关节点首先上电初始化，选择适宜的信道，胜利建立网络之后进入监控状态，治理终端节点的参加，同时传感网络的协调器连接光照强度传感器对外界光照环境进展采集，采集完成后通过串口发送给GPRS模块，GPRS再将数据上传至效劳器，终端节点传回的路灯状态信息先由协调器接收，通过串口将数据转发。当GPRS模块接收到照明治理中心发来的掌握命令时，通过串口发送给协调器，协调器通过播送向网络内的全部终端节点发送掌握指令进展掌握，软件流程图见图5。

图5无线网关节点软件流程图

3.4照明治理中心程序设计

照明治理中心软件基于消息队列遥测传输平台（MessageQueuingTelemetryTransport，MQTT），此平台是IBM开发的一个即时通信协议，是物联网的重要组成局部。该协议支持全部平台，几乎可以把全部联网物品和外部连接起来，被用来作为传感器和制动器的通信协议。照明治理中心软件可以在IOS、Android、.NET、微信、Linux、网页等平台上设计实现。本设计中采纳Google公司的AndroidStudio平台编程设计了智能手机端的照明治理软件，治理软件对数据进展采集、分析并将采集数据实时显示于交互界面。软件构造见图6。

图6照明治理中心软件构造图

治理人员可以通过治理中心软件界面查看路灯终端节点上傳的实时数据，依据对数据的分析可以手动或者自动对路灯的运行状态进展设定。同时可以看到当前路灯的实际运行状态，当路灯发生故障时，治理中心软件会发出报警，同时照明治理中心调用高德地图的接口依据得到的GPS信息在地图中标出不同区域路灯的详细位置，能够在地图上查看到报警路灯的定位信息，便利维护人员精确到达路灯损坏位置。

4系统测试与分析

智能照明掌握系统硬件实物图如图7所示。左端4组为智能照明终端节点，右端为无线网关节点。利用亮度可调整的LED模拟路灯，组建网络后通过照明治理中心对比明进展掌握。试验室中测试整个网络通信正常，考虑到在实际应用中路灯之间的通信距离，在外界环境下将4个路灯终端节点间隔50m放置，经测试整个网络通信正常，间隔70m以上时，传感网络有时会消失数据无法正常传输的状况，存在丢包现象。在实际的应用中，可以参加功率放大芯片增大信号的放射功率，从而削减丢包率，提高通信的牢靠性。

图7智能照明掌握系统实物图

5结论

本文系统将ZigBee网络和GPRS网络相连接，同时将效劳器与远程照明治理中心相结合，构建了道路智能照明掌握系统。经过试验测试，该系统响应快速，报障精确，且通信性能牢靠，提高了道路照明的智能化。照明治理中心的多平台互通便利了使用不同设备的治理人员进展监管。在“互联网+”的