基于ZigBee的道路照明智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言

城市照明的迅速發(fā)展在改善城市環(huán)境、完善城市功能、提高市民的生活素質(zhì)發(fā)揮重要作用的同時(shí)也加大了對(duì)能源的需求和消耗，加劇了城市供用電緊張。據(jù)中國(guó)照明學(xué)會(huì)統(tǒng)計(jì)，由于線路損耗、夜間超負(fù)荷運(yùn)行等原因，城市道路照明的電能利用率不到65%,耗電總量占中國(guó)發(fā)電總量的2%左右，節(jié)能潛力巨大叫除此之外普通城市照明還存在監(jiān)控管理方式落后,安全性能較低等問題。

我國(guó)提出的建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的目標(biāo)和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的任務(wù)為上述問題的解決提供了很多思路。其中風(fēng)力與太陽能互補(bǔ)路燈采用風(fēng)能與太陽能為能源，無需開溝埋線，具有不受供電影響，不消耗常規(guī)電網(wǎng)能源，安裝簡(jiǎn)便，綠色環(huán)保，無安全隱患等優(yōu)點(diǎn)，是解決上述問題的一種重要解決方案，具有極高的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

為了保證路燈的正常使用，使路燈始終工作在最優(yōu)狀態(tài),管理機(jī)構(gòu)需要對(duì)路燈的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控管理。但是在目前通常風(fēng)光互補(bǔ)路燈的設(shè)計(jì)中，為了簡(jiǎn)化布線，每個(gè)路燈均為一個(gè)獨(dú)立的光伏系統(tǒng)。圖1所示，每套路燈均由太陽能電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、路燈控制器、蓄電池組、路燈燈頭以及架桿組成，各燈之間相互獨(dú)立，沒有線路連接，無法以傳統(tǒng)布線的方式對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)路燈的進(jìn)行監(jiān)控和管理。

針對(duì)上述問題，論文引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建了一種基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)光互補(bǔ)路燈照明智能控制系統(tǒng)，通過在每一盞路燈的控制器安裝ZigBee節(jié)點(diǎn)構(gòu)建ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，并在管理機(jī)構(gòu)搭建路燈智能監(jiān)控管理平臺(tái)，將管理機(jī)構(gòu)與每一桿路燈連接起來，最終實(shí)現(xiàn)管理機(jī)構(gòu)(監(jiān)管平臺(tái))對(duì)每一盞路燈的工作狀況全方位的分布式自動(dòng)/人工監(jiān)視和控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)路燈照明工作狀態(tài)的最優(yōu)化管理。

圖1傳統(tǒng)風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

基于ZigBee的道路照明智能控制系統(tǒng)主要由道路照明設(shè)施、ZigBee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)、輔助決策系統(tǒng)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心等幾部分組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中道路照明設(shè)施與ZigBee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)為一體化裝置，其ZigBee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)由眾多接入相應(yīng)風(fēng)光互補(bǔ)路燈智能控制器的無線傳感節(jié)點(diǎn)自組網(wǎng)形成，因此ZigBee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可以完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有風(fēng)光互補(bǔ)道路照明設(shè)施工作狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，進(jìn)而通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，完成對(duì)路燈的無線遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)視；無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)也可以向道路照明設(shè)施控制器發(fā)送從數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)接收到的監(jiān)控中心相關(guān)控制命令，從而完成對(duì)路燈的無線遠(yuǎn)程控制。

圖2道路照明智能控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

輔助決策系統(tǒng)主要由光照度采集傳感器、GPS模塊、溫濕度傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、雨雪傳感器和網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)組成,主要用作對(duì)相應(yīng)區(qū)域內(nèi)道路照明設(shè)施控制的決策依據(jù)。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)的通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)將輔助決策數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，數(shù)據(jù)監(jiān)控中心根據(jù)當(dāng)前的氣象狀態(tài)數(shù)據(jù)向相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的ZigBee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)發(fā)送控制命令，從而完成對(duì)路燈工作狀態(tài)的控制。

2智能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1智能路燈控制器

智能路燈控制器作完成了照明系統(tǒng)的發(fā)電控制、蓄電池供放電控制、路燈照明開閉及亮度控制等，是道路照明智能控制系統(tǒng)的核心部件，對(duì)道路照明系統(tǒng)的工作效率和穩(wěn)定性起到?jīng)Q定性作用。考慮到論文設(shè)計(jì)的道路照明智能控制系統(tǒng)的光伏及風(fēng)力發(fā)電的原理、蓄電池充放電工作原理、ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)工作方式和道路照明的實(shí)際需求，論文設(shè)計(jì)了如圖3所示的風(fēng)光互補(bǔ)路燈控制系統(tǒng)，包括了微處理器模塊、發(fā)電設(shè)備發(fā)電/充電控制管理模塊、蓄電池狀態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊、電源控制管理模塊、負(fù)載狀態(tài)采集模塊和負(fù)載輸出驅(qū)動(dòng)控制模塊等，除此之外風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能電池板、蓄電池組、LED路燈燈頭和無線通信模塊與控制器相連，最終與燈桿、燈架等設(shè)備組裝后安裝于道路兩側(cè)實(shí)現(xiàn)道路照明功能。

智能路燈控制器能夠完成的具體功能包括：外界氣象條件達(dá)到設(shè)備發(fā)電需求時(shí)，控制發(fā)電設(shè)備發(fā)電，在經(jīng)過整流、恒壓或升壓后控制向蓄電池組充電或向LED燈頭負(fù)載供電；對(duì)電池板和風(fēng)機(jī)的電壓、電流進(jìn)行檢測(cè)，通過MPPT算法追蹤其最大輸出功率點(diǎn)，使發(fā)電設(shè)備以最大輸出功率為蓄電池充電;對(duì)蓄電池組進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制，并控制完成過放電保護(hù)、過充電保護(hù)、短路保護(hù)、反接保護(hù)、極性保護(hù)和風(fēng)機(jī)失速剎車等;控制節(jié)點(diǎn)自動(dòng)接入路燈ZigBee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的路燈系統(tǒng)工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，接收遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的控制命令，完成LED燈頭的開燈、關(guān)燈及亮度調(diào)節(jié)控制，太陽能電池板的朝向角度控制；對(duì)蓄電池剩余電量智能檢測(cè)，并根據(jù)風(fēng)機(jī)與太陽能板的預(yù)期發(fā)電效率調(diào)整放電時(shí)間及光源亮度，盡可能延長(zhǎng)照明時(shí)間；在發(fā)電設(shè)備發(fā)電量無法滿足LED負(fù)載照明時(shí)，控制蓄電池放電，驅(qū)動(dòng)照明。

圖3道路照明智能控制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

其中控制器微處理器采用德州儀器推出的ZigBee新一代SOC芯片CC2530,支持IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)/ZigBee/ZigBeeRF4CE和能源的應(yīng)用，芯片內(nèi)集成了ZigBee無線模塊，結(jié)合了一個(gè)完全集成的，高性能的RF收發(fā)器與一個(gè)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051MCU，8KB的RAM，32/64/128/256KB閃存［3］。主要控制完成各個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集、太陽跟蹤算法的實(shí)現(xiàn)、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)以及相應(yīng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)的發(fā)送和控制命令的接收等路燈控制器功能。

電力拖動(dòng)模塊采用的步進(jìn)電機(jī)控制電池板在高度角和方位角上進(jìn)行變化，并通過限位傳感器判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)停止位置。并配置合適的蝸輪蝸桿減速機(jī)，由于蝸桿軸向力較大,機(jī)構(gòu)具有自鎖性，可實(shí)現(xiàn)反向自鎖，即只能由蝸桿帶動(dòng)蝸輪,而不能由蝸輪帶動(dòng)蝸桿，防止電池板在大風(fēng)天氣下反向拖動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。

2.2ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)

ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)集成了ZigBee匯聚節(jié)點(diǎn)與GPRS網(wǎng)關(guān)模塊（或直接接入有線Internet網(wǎng)絡(luò)），主要作為ZigBee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的通信樞紐完成監(jiān)控中心控制命令的下傳和各路燈狀態(tài)數(shù)據(jù)的上傳等工作，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖

ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)主要是通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)接收太陽能板的旋轉(zhuǎn)角度、發(fā)電電壓和蓄電池充放電狀態(tài)等數(shù)據(jù),并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，完成實(shí)時(shí)監(jiān)控功能；或者通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)廣播到各路燈控制器節(jié)點(diǎn)，以完成相應(yīng)的控制功能。

其中MCU+ZigBee模塊同樣采用新一代SOC芯片CC2530,E2PROM采用EEPROM24C系列存儲(chǔ)芯片，按鍵與顯示模塊完成人機(jī)交互。GPRS模塊采用HC-GPRS/232/T,該模塊是GPRS透明傳輸終端，內(nèi)置工業(yè)級(jí)GPRS模塊，具有RS232接口的工業(yè)設(shè)備無需更改任何軟件即可通過GPRS無線聯(lián)網(wǎng)，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多通信。

3智能控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1太陽自動(dòng)追蹤策略

由于地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的影響，太陽的高度角和方位角會(huì)在一年四季內(nèi)按照固定的規(guī)律發(fā)生變化，而太陽光在與太陽能電池板成垂直角度照射時(shí)，電池板接收光照強(qiáng)度最高，發(fā)電效率最好，因此論文以路燈套件中的電力拖動(dòng)模塊為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了電池板的太陽追蹤策略，構(gòu)建太陽追蹤系統(tǒng)，保證太陽能板工作時(shí)始終處于較高的發(fā)電效率狀態(tài)［4］?？紤]到實(shí)際應(yīng)用需求，論文將太陽追蹤策略分為如流程圖3種工作狀態(tài)：

自動(dòng)回位

在日落時(shí)，風(fēng)光互補(bǔ)路燈主要依靠風(fēng)機(jī)發(fā)電，若風(fēng)機(jī)發(fā)電不足則依靠蓄電池組供電照明。此時(shí)需要太陽能電池板以限位傳感器為基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)到初始垂直位置，等待次日的繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

自動(dòng)控制模式

當(dāng)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過布置于某區(qū)域的輔助決策系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到該區(qū)域當(dāng)前的氣象條件適合電池板正常發(fā)電時(shí)，通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)向該區(qū)域各路燈控制器控制器發(fā)送控制命令，使其切換至自動(dòng)控制模式。

在自動(dòng)控制模式下，各路燈控制器定時(shí)通過固化于其存儲(chǔ)器中的自動(dòng)控制策略根據(jù)當(dāng)?shù)氐木暥?、?dāng)前的日期時(shí)間和太陽運(yùn)行規(guī)律公式計(jì)算出任意時(shí)刻的太陽高度方位角，然后通過二維極軸電力拖動(dòng)模塊，控制電池板旋轉(zhuǎn)至相應(yīng)的角度，實(shí)現(xiàn)高度角-方位角的全稱追蹤。

(3)遠(yuǎn)程控制模式

當(dāng)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過某區(qū)域的輔助決策系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到該區(qū)域當(dāng)前的氣象條件(如陰雨天氣等)無需電池板進(jìn)行視日追蹤時(shí)，通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)向該區(qū)域各路燈控制器控制器發(fā)送控制命令，使其切換至遠(yuǎn)程控制模式。

此時(shí)路燈控制器根據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心管理系統(tǒng)或管理人員發(fā)出的控制命令，使電池板旋轉(zhuǎn)至相應(yīng)的位置，并在氣象條件無法滿足電池板發(fā)電條件時(shí)使其開路停止發(fā)電。

3.2ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)

ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)主要完成路燈ZigBee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與公共網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，在采用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸路燈狀態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)，為了減少GPRS數(shù)據(jù)流量，在路燈狀態(tài)數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)則不再實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)，而改為查詢方式，即只需要在上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心需要查看當(dāng)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)，上傳相關(guān)數(shù)據(jù)叫其軟件流程如圖5所示。

圖5ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)的軟件流程圖

4結(jié)語

論文設(shè)計(jì)的基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)光互補(bǔ)路燈照明智能控制系統(tǒng)通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)及相應(yīng)的管理平臺(tái)使城市照明管理機(jī)構(gòu)對(duì)傳統(tǒng)獨(dú)立式安裝的每一盞路燈的工作狀況實(shí)現(xiàn)全方位的分布式自動(dòng)/人工監(jiān)視和控制，實(shí)現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)路燈照明工作狀態(tài)的最優(yōu)化管理，提高了道路照明的智能化程度。

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