《基于Zigbee单片机的智能路灯控制系统设计》15000字（论文）

基于Zigbee单片机的智能路灯控制系统设计摘要路灯照明工程是我国城乡基础设施道路的重要一个组成部分,路灯在人们平常的生活中占据着不可或缺的地位，与交通的安全运输和市民的生活密切相关。同时户外日光照明灯所消耗的自然资源也是构成我国现代城乡环境能源消耗的重要不可组成的一部分,因此尽量减少不必要的自然资源和环境能量消耗在加快实现自然资源合理节约和有效资源综合集约利用这一方面也将起着至关重要的指导作用。随着中国城市和经济的高速发展，低碳环保成为人们追崇的生活，路灯照明得到越来越多的关注。但传统路灯对能源消耗大，且其寿命短，因此为了实现可持续发展以及节能，现需设计出一种智能节能控制路灯。现着眼于我国现有的智能技术基于Zigbee单片机实现一个路灯的智能控制及监测，包括控制检测节点模块设计和协调器模块及PC机控制管理软件设计。根据时间段而定时打开路灯、根据人流量调整灯光明暗、以及系统故障自检并将故障处发回控制中心，从而实现对电力资源的节约达到节能的目的。关键词：Zigbee单片机；节能；智能路灯；定时目录TOC\o"1-3"\h\u147501绪论 绪论1.1概述路灯作为城乡的道路基础性建设，它确保着交通的安全运输和民众的安全同行，在我们的生活中扮演着不可缺少的作用。除此之外，我们为社会的发展和科技的进步做了一系列的努力，并且路灯在生活中也越来越广泛的被使用在城乡的各个道路中，但路灯的使用是是伴随着巨大的能源消耗，据调查，2014-2018年，路灯的电量消耗占我国每年总电量消耗的35％，可见每年在路灯上的能源消耗相当大的。当下我国路灯利用最多的还是定时开关、人工开关和光照控制的模式，但这几种模式都存在着智能程度低、电能浪费以及缺少人性化等一系列问题。同时，针对于当下我们社会追求的可持续发展的理念，对路灯的节能改造行动是刻不容缓的。对于路灯上的电量浪费，究其原因，最根本的原因是路灯的控制技术落后和缺乏有效的管理。因此，针对路灯的节能改造，我们应该在路灯的建造上做一系列的改造的同时加以创新和科技的成果。针对目前使用最多的几种路灯的控制方式进行分析，并对这些控制方式的不足之处加以改进，同时加上物联网的智能灯控制方式实现路灯的智能化和节能化。这种控制方式是基于各种传感器设备以及ZigBee无线组网技术实现远程的路灯控制，实现有车或人通过时自动亮灯、无车或人通过时自动熄灯，同时天黑自动亮灯按需照明，也能对路灯的故障进行及时的报警，以此达到节能环保、延长路灯使用寿命、降低管理维护费用的目的。所以，进行智能的远程路灯控制方式的改进非常有意义。1.2国内外智能路灯研究现状1.2.1国外研究现状对于路灯这些的研究，国外开始的可是要比我们早的早呢，照明行业最早的研究是开始于20世纪80年代的美国，并在开始投入研究之后得到飞快的发展，并在之后逐步投入到生活使用中来。与此同时，随着科技的进步，各种先进的技术融合进照明系统中。在信息化的当下条件下，路灯的发展越来越智能化，自动化。进入21世纪后，一种全新的的光源LED灯逐渐进入到了人们的视野，并被用于照明的各个领域，而且它在照明领域占据着十分重要的地位。它之所以如此能够快速地成功占据中国市场,是因为它本身就能够具有环保、节约能源、体积小、使用寿命长等一系列其他同类照明灯都不能完全能够拥有的强大特性。也正是因为它的这些不可替代的作用让他啊在许多国家都相当受欢迎，许多国家都十分的推崇对它的使用，它在照明这方面是有着十分的优势的。2016年4月，世界市场经济管理论坛出版了《面向未来中国城市的企业激励服务：塑造未来社会发展的主动性和为城市服务》一书，这本书中为我们未来城市的转型指明了一个教学模式。即“基本公共产品的再生”。注意到我国的城市建设正在将这些消耗了人力资源的"死资产"转变成为学生可以通过提供增值服务(例如环境空气质量、时间、停车位等)有效吸引可观利润的资产。这些服务，再加上先进的数字广告平台，能够使城市能够最大限度地利用闲置资产，以更经济、更环保的方式提供原创功能。智慧路市政是物联网在城市中的重要应用，是我国大多数智慧城市旅游发展规划中的重要一项，由于系统智能化，电气化道路照明，网络化，它在世界上的身份是智慧之路的坡道，就像建立研究基础设施网络一样，需要有效地应用更具活力的无限空间的价值观。新型的智能路灯的研究成果将会是诞生一个整合了实时监控系统、4G微型基站、信息显示屏、安全警报、新能源汽车动力电池充电、公共无线广播系统、以及无线WiFi系统等硬件功能为一体的全新的智能路灯。它可以通过一系列先进的技术对周围环境进行采集，然后将采集到的实时数据和信息传输到“智能照明软件平台”，并对这些信息做出判断，智能照明，这作为照明信息化管理的一个后台，进而实现了在当代大数据交互环境下的智能照明、智能交通和无线城市。在洛杉矶市有一个大规模的智能系统，将公共照明与电网连接起来。全市有20多万个智能照明灯具，这些智能照明路灯为市民提供城市道路、高速公路、城市或山间隧道的自动照明功能和信息服务。它们还具有声传感器和环境噪声监测传感器，这让他们除了照明和网络外，还可以检测车辆碰撞，并且直接向城市应急通信系统提供及时的信息，并为警察部门提供支持。减少反应时间，尽快抢救病人。由纽约创业公司Engoplanet设计，公共照明在拉斯维加斯的一个广场上安装了四次，地面上安装了八个动能发电板。它所需要的电力主要由太阳能电池板提供，但当遇上白天天气不好，晚上电池供电不足时，动能电池板可以利用行人的脚步所产生的能量为电池充电，行人的脚步每一步产生约4-8瓦的电力。该系统不仅是一种公共照明的供电系统：在大型商业广场上的闭路电视、WiFi热点和移动手机充电站都是采用相同的供电方式，使广场与网络完全断开。除了这些常见的功能之外，它还有与众不同的功能，就像是检测空气的质量、温度和湿度这些先进的功能。1.2.2国内研究现状目前，我国已经有许多关于智能路灯的研究，并且已经有部分已经投入使用。我国现有的智能路灯主要是时控和光控以及红外控制技术，但这种控制技术路灯灵活性不强，无法很好的节约资源。并且现有的路灯系统设计功能单一，设计成本较高，不适合大规模的推广，目前的研究也主要是以下几种：光控技术：光控技术的核心思想是基于半导体的光电效应而制成的光敏电阻。光敏电阻是光线敏感的电子元件，它的敏感之处在于它的阻值大小是和光线的亮度呈现一种函数关系。一般采用场效应管作为开关，采用感光电阻作为触发器，根据光电阻值根据光线强度来变化的特点，当光表面有光电阻时，电阻值随光的强度而变化，当光值符合要求时，有一个信号加场效应管门，门漏上，此时会产生控制信号，从而达到控制路灯的开关。这种控制工作方式进行比较简单，应用广泛并且企业成本较低，但这种控制方式并不适用于复杂的环境。时控技术：主要是通过一个定时器实现对路灯的定时开关，但该技术下的路灯控制不够灵活，不能达到节能的效果。红外技术：主要使用的是一个可以感受到红外线的热释红外感应器，因为我们人体是有着恒定的体温的，所以我们是会热辐射的形式来进行散热的，因此可以通过测量是否存在着热辐射来判断是否有人通过，从而判断是否需要打开路灯。该种技术主要适用于人流量小的地方。现下我国也已经有许多城市开始将自动化路灯投入使用，尤其是在一线城市的使用尤为显著。为了智能化路灯的普及，许多路灯科研也在进行一系列的智能化系统的研究。金领之都园区在2016年的五月设立了40多根智能路灯杆，用于安装充电电池、广播系统、显示屏和移动基站。它的灯配备了摄像头，可以实时监控人们进出公园的活动。此外，在公园外或在公园工作的人可以通过连接灯提供的WiFi网络和控制公园底部来获得准确的信息。2015年10月，静安区大沽路正式推出了智能公共交通灯，该款智能交通灯具有无线、照明、监控、广播、环境监测、咨询、收费、停车收费等八大先进功能。前端的城市微基站可以用来提供稳定的WiFi信号，LED灯提供道路照明；其中最重要的就是网络视频监控；安装在灯柱“腰”上的设备能智能传输和查看环境监测数据；这些“支腿”不仅配备了方便快捷的辅助按钮，还配备了充电装置，这实现了可以直接为新车充电。在不久的未来，电子RFID标签、停车收费表、交通指示器、交通标志、收费标志，甚至网络化汽车信息显示屏，都将具备高度的功能扩展性。2015年7月，在浙江西溪大学校园附近实施了浙江省第一个基于物联网的标准化NB智能照明工程。这项照明工程是在当时十分先进的一项项目工程，它可以集成照明、视频监控、无线WiFi、充电电池和信息传输等信息应用。杭州市委照明调度中心的一名工作人员表示，在试点增加电瓶数量后，将考虑启用市民充电箱和支付卡的电子支付功能。然后，移动应用程序可以提前15分钟预订灯杆充电，电子显示屏将连接到停车诱导系统，以方便停车。2016年12月，首款集照明功能、空气监测功能、微基站服务、WiFi设备器、视频实时监控功能、信息发布功能、以及电动汽车快速充电七大功能于一体的20盏复合灯在北京街头闪亮登场，并且迅速为大众所知。目前，这款新型的路灯在全市已试点应用100个。除了照明之外，这些复合灯还通过智能化城市接入先进的广泛平台实现了安全智能视频监控、城市无线WiFi全方面覆盖和PM2.5智能感知等功能。在这一批灯柱中有两个是装有电子显示屏的，上面可以当前的显示日期和时间、温度、湿度、风速和其他信息。此外，灯柱还装有一个十分方便的电动汽车充电的充电口，需要充电的车主可以在此处进行快捷的充电，在充电口是有用于支付的二维码来为充电车主提供充电收费的快捷方式。由传统灯柱升级为智慧、灯柱、光源智能灯柱等，从产业技术的应用层面上来看其发展已经成为了一个包括智慧城市的智能照明、城市综合信息与交通现代化等智慧新型城市的交通综合信息数据采集与共享服务管理系统、通讯数据基站、电动汽车无线充电等在内的城市综合信息服务载体,，专家纷纷指出，针对此项目而言，建设解决方案不难，基本有成熟技术，但仍还知识处于前期试点阶段，在目前为止我国还没有能够得到全面推广，专家们指出，主要可能是因为这两个基本原因。第一个是谁来管理它。由不同的操作员操作进行操作，会产生不同的焦点。例如，在一些通信运营商的情况下，智能路灯方案中很有可能就没有考虑到与市政相关关的某些功能。若城建方运营，则在方案上很有可能无法涉及双方的沟通。因此，中兴通讯公司能源总监王东旭指出，“所以整个智能路灯解决方案或解决方案的主体组成部分，由谁来使用，谁来建，又由何人来操作，这就是一个巨大的问题。”第二个是由谁来协调。即使现有的运营商已经为我们的公共交通运营建造了一些智能化的路灯，规划中也涵盖了气象、交通、城市建设、广告管理等各种不同领域,但这些领域都分别由我们国家相应的行政机构和部门来管理的领域。不同行政部门之间的信息沟通和协调,也是一个重大的问题。中国照明学会秘书长窦林平指出，多功能路灯推广存在的困难是一个系统性的问题。除非智能路灯可以拥有足够强大的发展背景和极其先进的技术支持，它才能为我们做出一套让人满意的解决方案，就好比我们将智能路灯作为城市发展创新的一个特色，这在某种程度上部署，所以是可行的，但旧城改造，还是应用欠发达地区，有些还将是问题。总体而言,随着多功能智慧城市的快速建设和移动物联网等整个信息时代技术的快速发展进步创新发展,多功能照明智慧城市灯柱为新的下一代智慧城市照明建设发展提供了新的城市发展战略思路，其发展前景广阔。然而，目前还面临着一系列的挑战，如降低成本、提高技术，以及商业模式等需要探索和解决的问题。要实现大规模应用我们还需要很长的路要走。

1.3本文主要研究内容以及章节安排本文主要是对智能路灯的一个研究设计，设计出一个智能节能的控制系统。该智能路灯控制系统主要用到Zigbee单片机CC2530为主，采用红外热释传感器、光敏电阻、时钟芯片等元器件来进行信息的采集，之后经过处理将采集到的信息传送给控制处，来进行对路灯的亮灭控制，从而实现天黑有人亮灯，无人或车时灭灯来实现对电力资源的节约。且该设计有两种模式，一种没有上位机控制的状态，该状态下不进行定时设置，采用人工定时开关，另一种状态是联网下的无线控制状态，联网状态下是可以通过上位机来实现对路灯的定时亮灭以及亮度调节。全文共分为四个章节，各个章节的安排内容如下所示：第一章为绪论，主要是说明了国内外对智能路灯的研究现状，并对现存的智能路灯技术进行分析，然后得到本文的研究方案以及设计思路，并给出本文的各个章节主要内容。第二章为项目设计方案，主要从智能路灯的整个系统出发，对系统的构成和模块做了介绍，并介绍每个模块所实现的主要功能，重点突出每个部分在整个系统中的作用。第三章主要是对整个系统的软件介绍并对路灯在软硬件结合下的一个调试，同时对路灯所能实现的功能的一个介绍以及在调试过程中所遇到的问题，并对问题原因进行分析，然后找出解决办法。第四章主要是对项目的一个总结以及对智能路灯发展的一个期望。分析了该设计的优缺点，针对相关问题进行研究。并对未来的发展说出自己的想法。2项目设计方案2.1系统方案设计在该设计系统中，主要实现的是要智能路灯的一个自动化控制，同时可以通过上位机控制路灯，还要再路灯有故障时系统可以及时检测到故障，并且可以将故障信息及时传输回控制中心。该系统的设计将会对路灯使用电力资源的节约起到很明显的作用，对我们的生活将会带来很大的便利。2.1.1整体系统概述系统设计核心之处主要是在于Zigbee单片机，整个设计的实现智能控制路灯便在于此处，设计整体分为两个个模块，其中终端控制，它的实现方式是通过控制中心利用上位机软件对整个系统进行一个实时情况的了解，然后对路灯在各个方向上的工作情况进行同步地监控及接收所要采集的数据。另外一个是远端接入，它是需要两个Zigbee共同负责完成无线传输这一方面的工作,控制中心将每一盏路灯采集到的信息用协调器发出无线控制信号并进行传输,然后送到每一盏路灯，路灯采集中心将采集到的各种参数信息上传至协调器并由协调器发送至控制中心。在整个系统进行工作之时，它是需要通过这个和协调器的Zigbee来进行无线信息的发送接收，他们一方面接收协调器发出的Zigbee信号并执行相应的操作，另一方面采集到的实时的信息传输至控制中心，然后由控制中心对当下情况进行判断，并根据需求产生PWM信号至LED驱动来调节路灯亮度，从而达到设计的节能目的。在整个系统设计中，有信息采集模块，这部分主要是采用光敏电阻，用以对光线变化的判断，来调节根据光线情况来判断是否需要开灯；采用红外热释传感器来采集到是否有人或车通过，并根据情况来判断灯的亮灭；实时时钟模块，这个模块主要是在联网状态下可以进行一个定时开关的功能。信息采集模块主要是将采集到的这些信息传送到处理中心，之后信息经过处理之后，终端对路灯的亮灭做出判断并控制灯的亮灭，继而实现路灯的一个自动化的智能控制。同时路灯的单灯具有电路检测功能，用以判断路灯的一个是否正常工作的情况，并可以检测路灯的异常之处的同时可以将路灯的异常上报控制中心。2.1.2整体系统框架系统设计整体是两个Zigbee共同组成，一个是协调器，一个做终端控制，整个系统是以Zigbee的CC2530为核心的设计，在协调器节点部分，接入的是系统的信息采集模块，用以采集路灯的当前环境情况，光敏传感器用以感应周围光线的强度，红外热释传感器用以判断当前是否有行人或车辆经过，这些传感器在整个系统的信息采集中占着不可缺少的位置，起着十分重要的位置。系统框图如图2.1所示。图2.1系统设计框图2.2系统模块介绍系统模块主要包括四个核心模块CC2530、信息采集模块：红外热释传感器和光敏传感器、实时时钟电路模块、以及灯光控制电路。2.2.1核心板块CC2530以及Zigbee通信技术ZigBee的基本原理是从蜜蜂的通讯方式中衍生出来的。蜜蜂通过Z字形状告知同伴食物的位置、距离和方向，并在群体之间建立无线通信网络。人类根据该原理发明了ZigBee无线通信技术。Zigbee无线通信技术具有低功耗、低成本、短时延以及有较大网络容量等特点，Zigbee技术是无线传感技术中的一个要技术。核心芯片CC2530主要作为系统的中央处理器使用，CC2530单片机是8位处理器的升级版，其不仅封装很大程度上缩小了，性能也大大提高了，而且相比于传统的处理器，它降低了功耗，并且提高了内存，使其能够储存更大规模的应用程序，同时为方便工程师使用。CC253X这一系列的芯片中所使用到的是一个8051处理器内核，它具有单周期的8051兼容内核。其中以不同得存储器对总线（SFR、DATA和CODE/XDATA）进行访问的，并且对SFR、DATA和主SRAM分别进行的是单独的周期数据存取。它还包括一个调试接口和一个18输入扩展中断单元。中断控制器提供了六个组的中断源，共有18个，每组与四个中断优先级相关。当运行的机器从活动服务模式状态被切换到非活动服务模式状态时，其将会触发所有的服务的中断请求，某些中断也可能将设备从睡眠中唤醒。CC2530有很多外设，这些外设都是不尽相同的，CC2530通常可以被用来开发应用程序的软件设计师使用来帮助开发高级的软件应用。CC2530原理图如图2.2所示。它拥有一个执行专有的两线串行接口的调试接口，用于内电路的调试。I/O控制器负责所有通用I/O。CPU中断可以单独激活每个引脚的电源。可以在两个不同的I/O位置之间选择连接到I/O的每个设备，这样可以确保在不同应用程序中的灵活性。图2.2CC2530原理图2.2.2电源转换电路电源转换主要将5V转换为3.3V，该类型的芯片通常称为稳压芯片。因为该系统所选用的核心板块所需要的工作电压为3.3V，因此需要对接入电压进行一个合适的转换。电压转换需要选用合适的电源转换器，也就是一种变压器，对电压进行变换并将电压稳定在所需要的电压值。该设计选用的AMS1117-3V3是一款专门用于电源电压转换的芯片，其具有宽电压输入的特点，可输入范围为12V~4.2V，稳定输出3.3V电压，最高可输出1A电流。由于其使用方便，被广泛应用在电子产品上。C2、C3、C4电容用于稳压与抗干扰。电容对于电源的作用十分重要。作为储能元器件，电容理论上不消耗能量，但由于实际中电容存在一定的内阻，使其必然消耗一部分的能量。相比消耗的能量而言，其储能的效果却能够起到稳压、滤波的作用。电容就好比是一座水塔，而电路中的电源就是供水的水源和一条条水管，当电路中的某一个元器件突然需要极大的电能时，电源产生的瞬间压降有可能导致其他元器件宕机或重启，因此为稳定电源电压，通常会在大功率元器件的电源输入位置并上一个大电容，其主要作用可在电源产生瞬间压降的瞬间，通过电容的放电效应来弥补这部分的电压差，以此达到一个稳压的效果。如图所示的C4即为大电容，将其并于AMS1117的输入端，可起到对电源输入的稳压作用。这样AMS1117便能较为稳定的输出3.3V电压。而输出3.3V电压后，再次通过一个C2标称值为104的小电容进行稳压，为后续使用3.3V电压的元器件做一定的稳压保护作用。电源转换原理图如下图2.3所示。图2.3电源转化原理图2.2.3红外热释传感器众所周知，红外线是十分特殊的一种光，是我们不能用肉眼所能看见的光，并且红外线的热效应是它最显著的的一个特征，也就相当于是所有温度高于绝对物质都是可以产生红外线。我们充分利用红外线的这个特点做出很多产品，我们对于红外线的利用尤其是在自动控制方面相当显著，比如我们常见的自动门、自动灯等。它们都是利用人体发出的红外线为感应，当我们进入探测器的探测范围时，红外传感器探测到人体红外光谱的变化，将会自动接通输出电路，同时将会打开相应负载，一旦我们离开它们的探测范围，传感器将不会再感应到人体所发射出的红外线时，输出将会自动关闭，从而实现节能的效果。热释红外传感器便是一种可以检测到人或动物发射的红外线从而输出电信号的传感器，利用它的这个特性就可以将其作为一个控制电路的输入端。在热释红外传感器为了完成阻抗变换在其结构中引入了场效应管，因为我们就需要对热电元输出这个电荷信号进行一个电压转换。热释红外传感器是一种包括传感元件、干扰滤波器和场效应管等配件的元器件。在设计中，高热电材料宜被制作成一定厚度的薄板材，并在金属电极两侧均加以镀层，再通过加电使其极化，制成热电探测器。热释传感器探测元件的尺寸通常为2*1mm。每个探测器中安装一个或两个探测元件，探测器中装入的是两个探测器元件的串联是以反向极性的方式，这样可以抑制它自身温度升高而引起的干扰。人们通常会选择在探测器前面安装菲涅耳透镜用以提高探测器的探测灵敏度，扩大探测的范围，所加的这种透明透镜是由塑料制成的一个特殊的透镜光学系统，这个透镜光学系统可以协调放大电路，完全可以将信号放大70分贝以上，这样我们便可以实现对20米以内的人的运动进行测量。对于此次智能路灯设计中信息采集模块上对红外信息检测的元器件的选用，我们所选择的是HCSR501人体感应传感器，它是基于人体红外的自动控制技术的一个元器件，该元器件具有灵敏度高、可靠性强、以及可以超低电压工作模式的特点。它还能够实现传感器的感应距离的一个调节，以及对传感器探测模式的配置，同时还可以配置为可重复触发和不可重复触发两种检测模式，可重复触发模式在检测到人时，只要一直检测到有人，就会被一直顺延一个固定的时间，并输出持续高电平，直到没人的一个固定时间后输出低电平。而在不可重复触发模式下，当检测到有人，传感器输出一段时间的高电平后即输出低电平，直到检测到没人后，重复以上的检测过程。两种模式的切换可由传感器的跳线帽进行选择。HCSR501接线原理图如下图2.4所示。图2.4HCSR501接线原理图2.2.4光敏感传感器该设计中需要用到光敏元件来进行一个对光线变化的检测，并将采集到的光线情况传送到处理中心，然后由处理中心对此进行判断，进而做出是否需要打开路灯。在该设计中，光感模块同样占据着十分重要的地位，对智能路灯的智能化十分重要，并且在节能和方便上起着不可或缺的作用。在该设计中光线传感器是选用的模拟感光元件，通过感光元件对光线进行采集，通过CC2530内部集成的ADC采集模块将模拟信号进行转换为数字信号。目前市面上常用的感光元件主要有两种，分别是光敏电阻和光敏二极管。光敏电阻与光敏二极管最大的区别在于二者的组成不同，结构也不同，使用方法更是不同等。但在二者售价方面，基本是属于相同的价位。更重要的是二者的使用方法决定着他们主要的应用场合。其中光敏二极管在感应到不同的光线的条件下，它的正向导通性是会随光线的不同而变化。但光敏电阻随光线的强度变化则是其阻值。除此之外，在其作为一个光线传感器时，光敏电阻仅仅只是需要在他的一端串联一个上拉电阻，再将另外一端接地，便可在光敏电阻与上拉电阻的公共端实现对光线传感器模拟电压量的采集，但是光敏二极管则需要反向接入到上拉电阻与地之间，这是需要注意的，同样的，在上拉电阻与光敏二极管的公共端对模拟信号进行采集处理，这一点光敏二极管和光敏电阻是一样的。因此光敏二极管的装配是需特别注意光敏二极管的方向，而光敏电阻则无此需求，相比之下光敏电阻比光敏二极管的使用更加方便。故而本设计选用更为好用的型号为5516的光敏电阻作为光线传感器的感光元器件。对于光敏电阻5516而言，光敏电阻的阻值大小的变化是会随光线亮度的变化而发生改变的。在本次设计中当光敏电阻串联一个10K电阻时，接法如图时，我们所检测到的ADC值就是光敏电阻的分压值，如果光线暗，光敏的阻值大。分压就大，这样测得的ADC值比较大。反过来测到的ADC值就比较小。接线原理图如下图2.5所示。 图2.5光敏电阻接线图2.2.5实时时钟模块对于此次设计的智能路灯控制系统，除了需要它根据光线情况和人流量的情况来自动调节灯的亮灭之外，还需要可以定时开关，进而需要实时时钟模块，来进行对路灯的定时开关的控制。实时时钟芯片在当前的技术下的研究已经是十分成熟，本文主要选用的是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路的时钟芯片DS1302时钟芯片。在DS1302的\t"/item/%E6%97%B6%E9%92%9F%E8%8A%AF%E7%89%87/_blank"引脚排列中,Vcc1为后备电源，Vcc2为主电源。该时钟芯片可以主电源关闭的情况下，保持时钟的连续运行。DS1302的供电来源主要是取决于Vcc1和Vcc2中的较大者。其中RST引脚是复位/\t"/item/%E6%97%B6%E9%92%9F%E8%8A%AF%E7%89%87/_blank"片选线，RST的输入是具有两种功能的：首先，当RST接通控制逻辑时，是允许地址/命令序列送入\t"/item/%E6%97%B6%E9%92%9F%E8%8A%AF%E7%89%87/_blank"移位寄存器；其次，便是RST提供终止单\t"/item/%E6%97%B6%E9%92%9F%E8%8A%AF%E7%89%87/_blank"字节或多字节数据的传送手段，当RST为高电平时，所有的数据传送都会被初始化，此时是允许对DS1302进行操作的，但如果在传送过程中RST置为低电平的话，则会终止此次数据传送，I/O\t"/item/%E6%97%B6%E9%92%9F%E8%8A%AF%E7%89%87/_blank"引脚变为高阻态；在上电运行时，对于Vcc>2.5V之前，要求RST必须保持低电平，这是因为只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平；I/O为串行数据输入输出端(双向)；SCLK始终是输入端。时钟芯片DS1302拥有12个\t"/item/%E6%97%B6%E9%92%9F%E8%8A%AF%E7%89%87/_blank"寄存器，这12个寄存器中7个寄存器是与日历、时钟相关，存放的\t"/item/%E6%97%B6%E9%92%9F%E8%8A%AF%E7%89%87/_blank"数据位为BCD码形式。DS1302与RAM相关的寄存器分为两类：一类是单个RAM单元，共31个，每个单元\t"/item/%E6%97%B6%E9%92%9F%E8%8A%AF%E7%89%87/_blank"组态为一个8位的字节，其命令控制字为C0H～FDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；另一类为突发方式下的RAM寄存器，此方式下可一次性读写所有的RAM的31个字节，命令控制字为FEH(写)、FFH(读)。时钟芯片接线图如下图2.6所示。图2.6时钟芯片接线图2.2.6功能按键模块按键使用的IO口为P0_1、P0_4以及P1_7。按键的有效值可设置为高电平有效或低电平有效，通常由于单片机的IO口具有上拉电阻的功能，并且上电默认工作在上拉电阻有效的模式，因此按键一般采用低电平有效的方案。若选择低电平有效的触发方式，则按键的一端接IO口，另一端接GND即可实现按键按键的检测。若选择高电平有效的触发方式，则按键的另一端通常为一个上拉电阻。两种方式均可实现对按键的检测。本次设计考虑到CC2530的IO口默认开启上拉电阻的功能，因此选择低电平有效作为按键触发的条件。对于此次的设计而言，具备传感器的光线采集功能和人体感应功能，因此设计了一种规则，让该套系统具备两套运行模式，即手动模式和自动模式，其中S1按键用于选择控制模式，S2、S3按键用于调控路灯的灯光强度，其中S2按键用于调高亮度，S3按键用于降低亮度。按键原理图如下图2.7所示。图2.7按键原理图2.2.7灯光控制电路灯光控制在该设计中主要由传感器采集到信息进行处理并转变为电信号，进而对这些信息做出判断然后对灯光进行一个亮度的调节，在模拟实物中用了一个mos管产生PWM脉宽调制信号，用PWM进行一个调光功能。在实物设计中对路灯的控制设计了五个亮度的调节，这五个亮度的调节可以在不联网的状态下通过按键调节，在联网状态下通过上位机进行设置调节，灯的自动模式和手动模式主要通过按键S1进行选择。但对于实际情况的下的路灯而言，可以采用亮灭部分灯来实现对亮度的控制和对资源的节约，在人流量少的时候可以选择隔灯亮的模式，或者在天将亮未亮的时候选择隔灯亮的模式，这样对于电力资源的节约将会是很大改变。实物设计亮度电路图如图2.8所示。图2.8实物设计亮度电路图2.3接口原理图通用异步收发传输器（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter），通常简称UART，是一种通用串行\t"/item/%E9%80%9A%E7%94%A8%E5%BC%82%E6%AD%A5%E6%94%B6%E5%8F%91%E5%99%A8/_blank"数据总线，是电脑硬件的一部分。它将要传输的资料在串行通信与并行通信之间加以转换，作为把并行输入信号转成串行输出信号的芯片，UART通常被集成于其他通讯接口的连结上。UART接口即通用串行异步通信传输接口。早期的电脑、或电子设备没有人机交互界面，也没有设备和设备之间的通信接口，使得设备之间很难联动或联系在一起做成一套电子系统。后来诞生了UART接口。该接口仅需三条线即可实现串口通信，即机器和机器之间可通过UART实现串口数据的交互。有了UART接口之后，电子设备的调试也变得十分方便。如开发过程中常见的软件BUG，或者流程流向，能够使用printf函数将调试信息从串口打印到电脑端，以此实现软件的调试。因此UART接口对于嵌入式开发十分重要，这也是该接口在此次设计中必须保留的接口之一。UART接口原理图如下图2.9所示。图2.9UART接口原理图CCDEBUG接口是TI公司针对CC25XX系列开发的仿真接口，通过该接口可实现程序的硬件仿真与程序烧写，我们正是通过该接口实现将程序下载到实验板上的。该接口仅有4条信号线，分别为SCK时钟线、SDA数据线、RESET复位线、GND地线。而程序的下载方式有两种，一种是通过开发环境IAR实现程序的下载，另一种则是通过SmartRFProgram程序烧写器进行程序烧写。CCDEBUG接口原理图如图2.10所示。图2.10CCDEBUG接口原理图2.4整体设计电路连线图如图2.11所示。图2.11整体连线图2.5本章小结本章从系统的整个需求出发，对每个模块进行了一个单独的说明、介绍，并且对每一块的功能、电路图进行详细的介绍。且本章主要详细介绍了该设计中所用到的核心板块Zigbee系统的CC2530芯片，并介绍到主要根据PWM来进行一个灯的亮度的调节。3软件设计3.1整体流程分析软件的设计思路整体是以时间线为主轴，以各个模块的循环触发进行设计。首先进行的是整个系统的初始化，主要目的就是设置光敏传感器、红外热释传感器的初始化参数，然后系统正常时也就是正常通电时路灯会在设置的所需的情况下正常亮灯。流程图设计如图3.1所示。图3.1流程图Zigbee终端的程序流程较为复杂，首先zigbee终端判断是否有无线数据接收处理时间，若有则判断是否为协调器的命令，若是则判断该命令是模式切换或者是开关灯命令。若是模式切换则根据当前的工作模式自动切换手、自动模式。若是开关灯命令则执行相应的命令。最终返回继续判断是否收到数据，若没有收到数据，则进行工作模式的判断，若是工作在自动模式，则zigbee终端获取光线值和人体感应值，如果有人且光线暗则执行开灯，如果有人但光线亮或者无人，则执行关灯。3.2软件介绍软件系统部分的整体框架由Z-Stack协议栈组成，在协议栈框架中通过添加并初始化所有需要使用到的按键的IO口、编写DHT11驱动用于温度采集并整合进Z-Stack协议栈、编写可调的PWM波驱动程序整合进协议栈之中。程序运行时首先会进入自动调光模式，采集当前环境的温度值并与预设阀值进行对比，对比结束后调用PWM波驱动程序，使用预设的调光参数产生当前环境温度所对应的PWM波驱动LED灯，至此完成自适应调光。当光控中心端接收到模式切换键的键值时，转为手动控制模式。3.2.1IAR开发平台IAR开发平台软件作为一款优秀的专业嵌入式系统软件开发工具，其几乎可以支持多种微处理器的开发。使用IAR开发平台开发CC2530可以轻松实现软硬件调试仿真，并且还可以便于开发者快速开发程序，同时IAR相对于其他开发环境是比较稳定的，且它编译高效也是我们为何选择使用该开发平台的原因。3.2.2Z-Stack协议栈Z-Stack协议栈是由TI公司基于Zigbee协议自主开发而成的，它可以在TI官网进行免费下载及使用。其主要是解决了将协议转化为协议栈的问题，可以将Z-Stack协议栈理解成zigbee协议的代码实现。Z-Stack协议栈遵循zigbee协议，其主要包括两大部分，各自是zigbee协议框架与用户函数接口。Zigbee协议框架将协议栈分为硬件层、MAC层、网络层、安全层、应用层、协议栈操作系统等。使用者在实际中操作的层称为应用层。而所有的用户函数接口最终都是可以被应用层的函数所调用的，以便开发者开发所需的功能。Z-Stack协议栈更像是一个操作系统，整体框架已由TI构建完成。用户处理函数运行时，采用轮询的方式检测事件标志位。事件标志位分为按键状态变化标志位、网络状态变化标志位、数据接收标志位。对应的事件发生时即可响应事件处理程序以便于及时进行处理。Z-Stack协议栈可以提供3种无线数据通信模式，分别包括有广播通信、点播通信以及组播通信。广播通信它表示的是一个网络节点向所有网络节点进行无线数据的周期性广播，所有的网络节点都能接收到这个网络节点所发出的数据；点播通信即是一个网络节点向另一个网络节点的点对点数据传输，它是在两个节点之间进行的，并且只有是在点对点时才能够能够收发数据；组播通信指的是某个网络节点向指定的一组网络节点进行数据传输，也就是表示一个网络节点便可以与一组网络节点完成数据的交换。使用广播通信时，传输的数据是周期性广播的，这与我们的设计是不相通的；使用点播通信时，如若一个遥控端控制多组光控端，便无法实现。而采用组播通信即可满足设计的需求。4安装调试4.1焊接安装该设计硬件采用万用板和CC2530核心模块组合，硬件部分主要采用焊锡、飞线将原理图的电路电气连接在一起，焊接过程要十分小心才可以，因为在焊接时如果不注意的话就会导致虚焊，不细心也会导致焊接错位置，我在焊接时就因为不注意导致部分点出现虚焊，不得不重新焊接，焊接完毕后，使用万用表进行短路、断路测试，在这些电路基本测试无误后，便完成了硬件环境的搭建。实物焊接完毕后，还需要进行部分元器件模块的安装，其中主要包括USB型LED灯的安装，其安装简便，只需将其插入USB接口即可完成安装。除此之外，还需安装HC-SR501人体红外传感器，该传感器由三个2.54mm间距的引脚，板上采用一个2.54mm的母座作为该传感器的插槽，只需插入传感器的引脚即可完成安装。整个焊接工作完成之后便可以开始对硬件的基本功能进行测试。4.2功能测试功能测试是在硬件焊接之后必须要进行的，这项工作主要时为了测试产品是否实现了所设计功能，并通过功能测试进而来判断出产品的功能与预期是否一致。系统设计的是在断网情况下有两种模式，自动和手动模式，如图4.1所示，在zigbee协调器上的红色指示灯亮起的状态下，是表示该系统工作在手动模式下的，在手动模式下，按亮度减键S3，LED灯即逐级降低亮度，直至熄灭，按亮度加键S2，LED灯即逐级增强亮度，直至最高级别亮度，在手动模式下所需要的亮度是根据当前环境的情况由人来对的LED灯的亮灭以及亮度来进行控制，经测试在自动模式下的功能实现情况符合设计的要求，手动模式下的测试结果符合功能预期。图4.1手动模式下的协调器状态该设计在断网状态下是有两种工作模式的，手动模式测试完之后，对自动模式下的功能进行测试，测试时协调器的状态图如图4.2所示。在手动模式下按下模式切换键S1之后，zigbee协调器上的LED灯随即熄灭，这表示系统切换到了自动模式状态，此时需要观察图4.3信息采集以及亮度灯模块，对与此部分的测试需要将手遮住光线传感器模拟环境光线暗，则LED灯自动点亮，手离开LED灯熄灭，同时，在光线亮度较弱的情况下无人时，LED灯则会自动熄灭，在有人时灯会亮起，并且灯的亮度级别是根据当下环境的光线亮度相对应的。自动模式下的功能测试结果符合功能预期。图4.2自动模式下协调器状态图4.3亮灯模块图在联网状态时，通过IAR开发环境对该设计进行联网测试，通过下载端口对程序进行下载，此时如图4.4所示设置模块图，在此处进行系统的模式选择以及定时功能，并在此可以对LED灯的亮度进行调节。联网测试至此也测试完毕，并且符合预期功能。图4.4联网控制模块至此，zigbee无线遥控器设计的软硬件设计完成。总结此次的设计主要依赖于软硬件的结合实现，设计首先需要的是在有核心板的情况下选好每个模块要实现功能所需要的元器件，并对元器件进行充分的了解方可知道怎