一種基于Zigbee的路燈控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案
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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、管理開銷大、電能浪費(fèi)、無法遠(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，對城市路燈的要求越來越高，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線景觀路燈照明，為其夜晚增添了不少的色彩。
目前國內(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。本文基于無線網(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)、無線網(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)控中心需要配備無線通信模塊。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2. 1 無線網(wǎng)絡(luò)
無線網(wǎng)絡(luò)采用Zigbee 技術(shù)，使路燈工作現(xiàn)場與系統(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)測等場合，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)場數(shù)據(jù)及控制命令的處理、控制LED 燈開關(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?？刂破鞯耐鈬娐钒ㄐ盘?hào)檢測、亮燈驅(qū)動(dòng)和故障檢測等電路。
信號(hào)檢測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 用于對環(huán)境光檢測，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輛通過，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。路燈故障檢測信號(hào)取自XN2115 芯片的SW 點(diǎn)的電壓，將該點(diǎn)電壓通過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交流電通過整流橋KBP210 變?yōu)?2V 直流電，為LED 驅(qū)動(dòng)電路和故障檢測電路提供電源，功率可達(dá)40W; 12V 直流電源再通過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、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)可以通過無線通信網(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)檢測或者對路燈進(jìn)行輸出控制，使路燈按照既定程序?qū)崿F(xiàn)開/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)場信號(hào)采集、檢測與處理程序
路燈現(xiàn)場環(huán)境光采集模塊經(jīng)由光敏電阻得到電壓值，并通過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)過時(shí)熱釋電紅外傳感器會(huì)輸出高電平，經(jīng)過后續(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)，人體檢測中斷觸發(fā)方式采用下降沿方式。
路燈的調(diào)光是通過給XN2115 芯片的DIM 引腳端上施加PWM 信號(hào)來實(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。
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