1 引言
采用時(shí)間控制、光照控制等方式控制的路燈照明系統(tǒng)存在著路燈使用壽命短、管理開(kāi)銷(xiāo)大、電能浪費(fèi)、無(wú)法遠(yuǎn)程監(jiān)控以及故障維修反應(yīng)效率低等現(xiàn)象。隨著人們生活質(zhì)量的提高及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)城市路燈的要求越來(lái)越高，不僅要求安全、節(jié)能、維護(hù)方便，還要求其能美化夜景，彰顯城市魅力；例如上海市博園安裝的無(wú)線(xiàn)景觀路燈照明，為其夜晚增添了不少的色彩。
目前國(guó)內(nèi)外路燈系統(tǒng)正朝著節(jié)能、單燈控制以及遠(yuǎn)程監(jiān)控的方向發(fā)展。本文基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套采用Zigbee 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的路燈控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)； 該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)路燈的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)等功能。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)由安裝在路燈燈桿上的路燈節(jié)點(diǎn)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)及監(jiān)控中心組成，結(jié)構(gòu)如圖1 所示，路燈節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控中心需要配備無(wú)線(xiàn)通信模塊。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2. 1 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)
無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)采用Zigbee 技術(shù)，使路燈工作現(xiàn)場(chǎng)與系統(tǒng)監(jiān)控中心可靠通信。這種技術(shù)主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)傳輸速率不高且短距離傳輸?shù)母鞣N電子設(shè)備之間，非常適合工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)等場(chǎng)合，具有低功耗、低成本和低復(fù)雜度等特點(diǎn)。本系統(tǒng)Zigbee 模塊采用CC2530 片上系統(tǒng)作為控制電路的核心，具有256KBFLASH，在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于25mA 和34mA.模塊電源由外部穩(wěn)壓電源提供5V電壓，以確保各節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。
根據(jù)路燈系統(tǒng)特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)采用樹(shù)形連接，以便靈活擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)和自組網(wǎng)絡(luò)。與PC 機(jī)串口RS232 連接的Zigbee 模塊為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，起著組織、管理網(wǎng)絡(luò)和發(fā)號(hào)施令的作用；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)有節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，它分配地址給新節(jié)點(diǎn)，因此不能掉電也沒(méi)有低功耗狀態(tài)。
與路燈單元串口連接的Zigbee 模塊為路由器，起著中繼器的作用，可以收發(fā)數(shù)據(jù)也可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，承擔(dān)著與上位機(jī)和相鄰節(jié)點(diǎn)通信的任務(wù)。
2. 2 路燈節(jié)點(diǎn)
路燈節(jié)點(diǎn)由路燈控制器、電源模塊和Zigbee 模塊組成，完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)及控制命令的處理、控制LED 燈開(kāi)關(guān)及調(diào)光的任務(wù)。
路燈控制器選擇高性能、低功耗的8 位AVR 微處理器ATmega16 作為核心部件，該單片機(jī)輸入/輸出口可以自由設(shè)定，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，集多種器件與多種功能于一身，大大減少了外圍器件的使用量，降低了電路的復(fù)雜程度。控制器的外圍電路包括信號(hào)檢測(cè)、亮燈驅(qū)動(dòng)和故障檢測(cè)等電路。
信號(hào)檢測(cè)部分由光敏電阻電路和熱釋電紅外傳感器電路組成。光敏電阻5537 用于對(duì)環(huán)境光檢測(cè)，從而控制燈光的亮度；熱釋電紅外傳感器DYPME003感應(yīng)距離0 ~ 7 米可調(diào)，用于判斷是否有行人或者車(chē)輛通過(guò)，并根據(jù)設(shè)定值調(diào)節(jié)燈光亮度。
考慮到LED 路燈高效節(jié)能及其應(yīng)用日趨廣泛，采用LED 作為光源，并采用XN2115 芯片驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)選用1W、3. 2 ~ 3. 6V 的LED 燈4 顆。路燈故障檢測(cè)信號(hào)取自XN2115 芯片的SW 點(diǎn)的電壓，將該點(diǎn)電壓通過(guò)大電容平波后與電壓比較器的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，比較結(jié)果的高低電平送入單片機(jī)處理，并將故障信息送至上位機(jī)實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警、位置顯示等功能。
路燈節(jié)點(diǎn)使用了5V 及12V 的直流電。將220V交流電通過(guò)整流橋KBP210 變?yōu)?2V 直流電，為L(zhǎng)ED 驅(qū)動(dòng)電路和故障檢測(cè)電路提供電源，功率可達(dá)40W; 12V 直流電源再通過(guò)LM2596-5. 0 集成三端穩(wěn)壓器輸出5V 直流電源，輸出電流最大可達(dá)3A，具有很好的線(xiàn)性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性，為Zigbee 模塊、單片機(jī)及其他外圍電路提供電源。
2. 3 監(jiān)控中心
監(jiān)控中心由PC 機(jī)和Zigbee 模塊組成，提供系統(tǒng)信息，具有遙測(cè)、遙控及存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)功能的人機(jī)界面顯示，可以對(duì)整個(gè)路燈系統(tǒng)進(jìn)行工作狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
PC 機(jī)可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)采集路燈狀態(tài)，例如環(huán)境光強(qiáng)度、用電量、亮燈率等，并可向路燈節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令，路燈節(jié)點(diǎn)根據(jù)這些命令對(duì)LED 燈進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的按需控制及每盞路燈的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化，檢測(cè)系統(tǒng)是否正常工作，如果正常則按照路燈控制界面進(jìn)行路燈狀態(tài)檢測(cè)或者對(duì)路燈進(jìn)行輸出控制，使路燈按照既定程序?qū)崿F(xiàn)開(kāi)/關(guān)狀態(tài)，并經(jīng)由Zigbee 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)顯示信息。
監(jiān)控界面可選擇各Zigbee 模塊的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)號(hào)，搜索網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各個(gè)模塊，將控制命令發(fā)送至指定的路燈節(jié)點(diǎn)，也可實(shí)時(shí)顯示路燈狀態(tài)信息和底層數(shù)據(jù)包。
3. 1 現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集、檢測(cè)與處理程序
路燈現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境光采集模塊經(jīng)由光敏電阻得到電壓值，并通過(guò)ATmage16 內(nèi)部的1 路10 位ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)化電路將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。為了平滑采樣信號(hào)，提高系統(tǒng)抗干擾能力，設(shè)計(jì)中采用了數(shù)字濾波方式，每次轉(zhuǎn)換完閉后，ATmage16 會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生中斷信號(hào)，將本次和前8 次數(shù)據(jù)取平均值送給單片機(jī)處理。
當(dāng)有人經(jīng)過(guò)時(shí)熱釋電紅外傳感器會(huì)輸出高電平，經(jīng)過(guò)后續(xù)處理電路，單片機(jī)得到一個(gè)低電平。為了避免重復(fù)觸發(fā)，人體檢測(cè)中斷觸發(fā)方式采用下降沿方式。
路燈的調(diào)光是通過(guò)給XN2115 芯片的DIM 引腳端上施加PWM 信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。ATmage16 內(nèi)部自帶四通道的PWM，設(shè)置為快速PWM 模式、OC2 復(fù)位、32 分頻。當(dāng)OCR2 的值從0 到256 變化時(shí)，LED 燈從全亮到全滅。
3. 2 通信程序設(shè)計(jì)
系統(tǒng)通信程序包括路燈與路燈節(jié)點(diǎn)之間的通信及其路燈節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控中心之間的通信兩部分。
1） 路燈節(jié)點(diǎn)之間的通信實(shí)現(xiàn)。
路燈節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)通信，一方面是為了了保證路燈在夜間沒(méi)有行人或車(chē)輛通過(guò)時(shí)處于節(jié)電狀態(tài)，即微亮狀態(tài)，另一方面是當(dāng)路燈節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到道路上有行人或車(chē)輛通過(guò)時(shí)，使該路燈轉(zhuǎn)為全亮，并通知下一盞路燈轉(zhuǎn)為全亮，以確保行人或車(chē)輛的出行安全。
路燈節(jié)點(diǎn)之間采用串口通信，通信參數(shù)配置為異步通信、8 位數(shù)據(jù)、無(wú)奇偶校驗(yàn)、一個(gè)停止位及無(wú)倍速。串口的發(fā)送程序采用查詢(xún)方式，接收程序采用中斷接收方式。
路燈節(jié)點(diǎn)控制器之間的發(fā)送程序?yàn)椋?br />
sysDRFarr ［0］ = 0xfd; / /點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸指令
sysDRFarr ［1］ = 1; / /數(shù)據(jù)長(zhǎng)度
sysDRFarr ［2］ = sysAddress ［（ LEDNumber ）* 11 + 1］; / /目標(biāo)地址高
sysDRFarr ［3］ = sysAddress ［（ LEDNumber ）* 11 + 2］; / /目標(biāo)地址低
sysDRFarr ［4］ = 0; / /數(shù)據(jù)
put_ arr （ sysDRFarr，5） ; / /發(fā)送一串?dāng)?shù)據(jù)幀
接收處理程序?yàn)椋?br />
void PointToPointRecive （ void）
{
LEDPWM_ Adjust （ usartReceiveBuf ［3 ］） ;
/ /接收到的數(shù)據(jù)
sysDRFarrShortAddress ［0］ = usartReceiveBuf［4］; / /來(lái)源地址高
sysDRFarrShortAddress ［1］ = usartReceiveBuf［5］; / /來(lái)源地址低
usartReceive_ Init （ ） ; / /串口數(shù)據(jù)初始化
}
2） 路燈節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控中心之間的通信。
路燈節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控中心之間的通信一方面可以通過(guò)上位機(jī)為路燈節(jié)點(diǎn)配置相關(guān)信息、發(fā)送控制指令，另一方面可以接收來(lái)自路燈節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在監(jiān)控室進(jìn)行路燈系統(tǒng)操控和故障查詢(xún)、報(bào)警等功能。
采用PC 機(jī)串口與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器相連，實(shí)現(xiàn)讀取路燈節(jié)點(diǎn)信息或控制路燈運(yùn)行狀態(tài)。例如PC 機(jī)要讀取當(dāng)前系統(tǒng)路燈信息，利用串口調(diào)試工具觀察PC機(jī)向無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，如圖2 所示。發(fā)送指令格式為： FB + 02 + 14 + 路燈編號(hào)（ 本系統(tǒng)中路燈編號(hào)為01，02，03），表示讀取編號(hào)為01、02、03 的路燈節(jié)點(diǎn)當(dāng)前信息；路燈節(jié)點(diǎn)做出回應(yīng)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)返回路燈信息格式為： 環(huán)境光強(qiáng)+ 路燈光強(qiáng)+ 故障情況。路燈節(jié)點(diǎn)1 返回的信息表明當(dāng)前所處環(huán)境光強(qiáng)度為E2（由強(qiáng)到弱范圍： FE ~ 00）、路燈亮度FB （ 由滅到全亮范圍：FE ~ 00） 、無(wú)故障00（ 有故障為01） 。
圖2 串口調(diào)試界面
3. 3 監(jiān)控軟件功能設(shè)計(jì)
系統(tǒng)監(jiān)控中心程序包括： 顯示監(jiān)控程序、調(diào)試配置程序、系統(tǒng)參數(shù)配置程序及存儲(chǔ)工作運(yùn)行數(shù)據(jù)程序。
（1） 顯示監(jiān)控程序。
顯示監(jiān)控程序包括路燈狀態(tài)信息、街道狀態(tài)信息、報(bào)警信息。通過(guò)顯示監(jiān)控界面可以實(shí)現(xiàn)街道選擇； 觀察路燈當(dāng)前光通量、功耗、工作時(shí)長(zhǎng)及是否故障； 自動(dòng)統(tǒng)計(jì)該街道的總用電量、亮燈率；系統(tǒng)自動(dòng)工作的時(shí)間段； 顯示當(dāng)前街道故障的路燈編號(hào)及該路燈在什么時(shí)間發(fā)生故障。
（2） 調(diào)試配置程序。
調(diào)試配置程序包括串口配置、Zigbee 讀取及配置、路燈調(diào)試。通過(guò)串口配置界面設(shè)置相應(yīng)的串口配置參數(shù)；通過(guò)Zigbee 的配置程序可讀取Zigbee 模塊的網(wǎng)絡(luò)ID 號(hào)、波特率、網(wǎng)絡(luò)地址、MAC 地址，可以方便的設(shè)置Zigbee 模塊的網(wǎng)絡(luò)ID 號(hào)、波特率；通過(guò)路燈調(diào)試界面可以讀取該街道路燈的環(huán)境光強(qiáng)、路燈光強(qiáng)、功耗、是否故障等信息。可以對(duì)該路燈進(jìn)行調(diào)光測(cè)試及設(shè)置該路燈開(kāi)始工作時(shí)間。
（3） 系統(tǒng)參數(shù)配置程序。
系統(tǒng)參數(shù)配置程序包括校正路燈節(jié)點(diǎn)時(shí)間、設(shè)置系統(tǒng)工作時(shí)間、配置街道地址。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)時(shí)間可能會(huì)與當(dāng)前時(shí)間有差別，通過(guò)系統(tǒng)時(shí)間校正，可以使系統(tǒng)時(shí)間與PC 機(jī)時(shí)間同步； 可以設(shè)置系統(tǒng)正常工作的開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)間與街道地址。
（4） 存儲(chǔ)工作運(yùn)行數(shù)據(jù)。
在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，下位機(jī)發(fā)送的路燈信息及報(bào)警信息都會(huì)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。同時(shí)街道及路燈的配置信息也保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，并可方便用戶(hù)導(dǎo)出及打印信息。
4 系統(tǒng)功能測(cè)試
4. 1 系統(tǒng)測(cè)試
由于Zigbee 網(wǎng)絡(luò)能自組網(wǎng)，因此在構(gòu)造試驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)我們配置了最小系統(tǒng)： 1 個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和3個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)采用主從方式，一般處于休眠狀態(tài)，當(dāng)有中斷請(qǐng)求時(shí)激活節(jié)點(diǎn)進(jìn)行工作。路燈高度為0. 7m，路燈間隔為0. 8m，現(xiàn)場(chǎng)路燈系統(tǒng)如圖3、圖4 所示。
圖3 路燈1 微亮，2、3 全亮
圖4 路燈1，2 微亮，路燈3 全亮。
圖3 為小車(chē)運(yùn)行到路燈2 位置的狀態(tài)。路燈2全亮，并通知路燈1 轉(zhuǎn)為微亮、前方路燈3 轉(zhuǎn)為全亮。若1 號(hào)節(jié)點(diǎn)熱釋電紅外傳感器檢測(cè)不到信號(hào)并收到了前方路燈的信息，則狀態(tài)轉(zhuǎn)為微亮； 當(dāng)小車(chē)向前運(yùn)行進(jìn)入3 號(hào)節(jié)點(diǎn)熱釋電紅外傳感范圍時(shí)，3號(hào)燈通知2 號(hào)燈轉(zhuǎn)為微量，如圖4 所示，對(duì)應(yīng)的監(jiān)控界面如圖5 所示。監(jiān)控界面中淡黃色路燈表示路燈微亮、深黃色路燈表示路燈全亮。
圖5 監(jiān)控界面。
運(yùn)行路燈控制系統(tǒng)軟件時(shí)需要進(jìn)行系統(tǒng)配置、通信配置、Zigbee 配置等操作； 在運(yùn)行中可對(duì)路燈節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)光、校正時(shí)間等操作。如圖6 為系統(tǒng)工作時(shí)間設(shè)置，圖7 為路燈節(jié)點(diǎn)時(shí)間校正。
圖6 系統(tǒng)工作時(shí)間設(shè)置。
圖7 系統(tǒng)校正時(shí)間。
4. 2 系統(tǒng)功能
路燈控制方式可分為手動(dòng)控制方式和自動(dòng)控制方式，均可在監(jiān)控中心操作或進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能：
1） 可進(jìn)行單燈遠(yuǎn)程監(jiān)控，并可調(diào)節(jié)燈具亮度。
2） 可根據(jù)環(huán)境光自動(dòng)開(kāi)關(guān)路燈，并可調(diào)整燈具亮度，保證使用需要。
3） 根據(jù)道路是否有行人/車(chē)輛通過(guò)實(shí)現(xiàn)亮度漸變。路燈夜間無(wú)行人/車(chē)輛通過(guò)，路燈微亮； 當(dāng)檢測(cè)到遠(yuǎn)方有行人/車(chē)輛接近時(shí)，路燈由微亮轉(zhuǎn)為全亮，并通知前方路燈由微量轉(zhuǎn)為全亮；車(chē)輛/行人通過(guò)后，路燈又轉(zhuǎn)為微亮。
4） 具有路燈故障檢測(cè)功能。當(dāng)有路燈損壞，可以進(jìn)行聲光報(bào)警，并指示故障路燈的具體位置。
5） 具有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和存儲(chǔ)功能。可提供路燈用電量、亮燈率和功耗等數(shù)據(jù)，并可查詢(xún)歷史記錄。
6） 系統(tǒng)具有休眠狀態(tài)，降低系統(tǒng)功耗。
5 結(jié)束語(yǔ)
智能化和網(wǎng)絡(luò)化控制路燈是未來(lái)路燈控制的發(fā)展方向和必然趨勢(shì)。隨著技術(shù)的進(jìn)步和城市發(fā)展的需求，無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)集成度會(huì)越來(lái)越高，價(jià)格會(huì)越來(lái)越低，路燈控制系統(tǒng)的功能會(huì)越來(lái)越多，路燈的自動(dòng)化管理和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用也必然會(huì)越來(lái)越廣泛。
本系統(tǒng)采用Zigbee 協(xié)議實(shí)現(xiàn)了路燈控制模擬系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化管理。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展靈活、現(xiàn)場(chǎng)易于安裝，操作界面友好、管理方便。本系統(tǒng)已用于自動(dòng)化類(lèi)專(zhuān)業(yè)的大學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)，有助于學(xué)生了解無(wú)線(xiàn)通信、傳感技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)及其在城市路燈控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。
