ZigBee+GPRS的LED路燈監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：將ZigBee技術(shù)和GPRS移動通信技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee+GPRS的LED路燈照明遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用兩級雙網(wǎng)組網(wǎng)模型和簇-鏈型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過網(wǎng)絡(luò)化、智能化控制，實(shí)現(xiàn)了燈具的遙測、遙控。此外，提出了一種應(yīng)用于路燈照明的亮度自適應(yīng)節(jié)能控制算法，該算法可根據(jù)時(shí)段、環(huán)境亮度和人員活動情況改變PWM信號的占空比，自動調(diào)節(jié)LED的亮度，充分利用LED的可控性，實(shí)現(xiàn)最佳照度控制，達(dá)到節(jié)能目的。
關(guān)鍵詞：ZigBee GPRS；LED照明系統(tǒng)；PWM

引言
    LED作為新光源，具有光效高、壽命長、易于調(diào)光、體積小、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被人們稱為是第四代光源，因此，LED照明是21世紀(jì)城市照明系統(tǒng)的重要組成部分。城市道路管理作為現(xiàn)代城市管理的重要組成，實(shí)現(xiàn)道路照明系統(tǒng)的智能化與網(wǎng)絡(luò)化控制是現(xiàn)代城市照明系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。本系統(tǒng)基于LED照明的智能監(jiān)控和分時(shí)調(diào)光技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了智能化的監(jiān)控算法；通過GPRS和ZigBee技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了無線的區(qū)域化、網(wǎng)絡(luò)化的控制；最后，結(jié)合LED可調(diào)光的高效驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)了對路燈的遙控、遙信和遙測。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型及工作原理
    遠(yuǎn)程智能照明網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用ZigBee和GPRS兩級雙網(wǎng)組網(wǎng)模型，出監(jiān)控中心、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)及GPRS移動通信網(wǎng)絡(luò)3部分組成。上層為GPRS主干網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸；下層為ZigBee二級子網(wǎng)，由各個(gè)路燈子節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，采用簇-鏈型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完成數(shù)據(jù)路由和轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)連接ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)議和TCP／IP協(xié)議兩種協(xié)議棧之間通信協(xié)議轉(zhuǎn)換。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)布監(jiān)控中心的控制命令，并把收集到的燈狀態(tài)信息轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)燈具的遙測、遙控。通過ZigBee和GPRS構(gòu)成的智能監(jiān)控網(wǎng)，城市照明監(jiān)控中心一方面能及時(shí)、準(zhǔn)確地檢測出LED路燈電壓、電流及工作狀態(tài)等信息，實(shí)現(xiàn)防盜和遠(yuǎn)程故障監(jiān)測；另一方面，又能根據(jù)需要對LED路燈進(jìn)行開／關(guān)及亮度控制。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
2．1 系統(tǒng)總體框架
    系統(tǒng)由GPRS模塊、ZigBee節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)模塊、單片機(jī)、LED恒流驅(qū)動和照明模塊、傳感器模塊組成，系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

2．1．1 LED恒流驅(qū)動設(shè)計(jì)
    LED恒流驅(qū)動設(shè)計(jì)采用FMD公司FT870的LED恒流驅(qū)動方案，驅(qū)動電路如圖3所示。當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)，主電流回路導(dǎo)通，此時(shí)AC給LED供電，并使電感L1儲存能量；當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)，主電流回路改變，此時(shí)電感L1釋放能量，保持LED的輸出。由于開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，流過LED的電流同時(shí)也流過R1，所以通過檢測R1上的電壓來檢測流過LED的電流，從而達(dá)到恒流的目的。FT870在一個(gè)固定頻率下可以控制MOS管，因?yàn)槭呛懔黩?qū)動LED燈組，所以會輸出恒定的光照，并且具有較好的穩(wěn)定性。輸入LED組的電流可以被外部電阻或一個(gè)PWM信號控制。

2．1．2 主控節(jié)點(diǎn)單片機(jī)電路設(shè)計(jì)
    主控節(jié)點(diǎn)采用MSP430超低功耗單片機(jī)。MSP430是TI公司的一款超低功耗16位RISC混合信號處理器，具有超低功耗、高度集成、豐富的片上外圍模塊等特點(diǎn)。MCU的P3．4、P3．5引腳設(shè)置為異步串行收發(fā)接口，與節(jié)點(diǎn)的ZigBee模塊進(jìn)行異步串行通信。單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給ZigBee模塊，而ZigBee模塊接收到的無線數(shù)據(jù)也可透明地傳送給MCU。MSP430最小系統(tǒng)圖如圖4所示。
2．1．3 ZigBee通信模塊設(shè)計(jì)
    ZigBee模塊選用Chipcon公司推出的符合2．4 GHz IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器CC2420，ZigBee模塊電路如圖5所示。

    CC2420的31、32、33、34引腳與單片機(jī)對應(yīng)的SPI通信接口相連，即CC2420的CSn、SCLK、SI、SO、引腳與MSP430的SET0、SMCLK、SIMO 0、SOMI0引腳相連。這樣，CC2420發(fā)射芯片就能與MCU進(jìn)行全雙工的通信。27引腳(SFD帖開始定界符)與MCU的Time Capture引腳相連。28引腳(CCA空閑信道估計(jì))與MCU其中的一個(gè)引腳相連。MCU可以通過對該引腳狀態(tài)的讀取，判斷是否有空閑信道。
2．1．4 GPRS模塊設(shè)計(jì)
    GPRS模塊選用明基的M23方案。M23采用半雙工方式的串口通信，即采用的是TXD、RXD、GND這3條線通信。模塊電路圖如圖6所示。模塊的TXD、RXD引腳經(jīng)74LVC14AD和榴應(yīng)MSP430的RXD、TXD交叉連接。LEDA引腳控制一個(gè)外接LED的閃爍，當(dāng)LED閃爍時(shí)，表示該模塊連接上了網(wǎng)絡(luò)，否則沒有連上網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)SIM卡接入移動網(wǎng)中，該指示燈就會不停地閃爍，用來提示和檢測該M23模塊是否正常工作。引腳11、12、13和23為M23模塊和SIM卡之間的通信接口。

2．1．5 監(jiān)控軟件
    路燈管理系統(tǒng)監(jiān)控軟件采用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，在Visual C++6．0集成開發(fā)環(huán)境下完成開發(fā)。采用模塊化設(shè)計(jì)，分別由系統(tǒng)管理模塊、燈具測量模塊、燈具控制模塊和異常處理模塊4部分組成，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理及燈具的遙測、遙控、防盜和遠(yuǎn)程故障監(jiān)測等功能。

3 亮度自適應(yīng)節(jié)能控制算法
3．1 LED亮度控制
    采用PWM法進(jìn)行調(diào)光，即在恒流和恒定頻率的情況下，通過調(diào)節(jié)MOS開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間來調(diào)節(jié)平均亮度。這種方法不但可以使通過LED的電流恒定，保證了LED色彩的一致性，而且還有助于LED的散熱。通過設(shè)定MSP430單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)囂A(或B)工作在比較模式，可提供多路PWM控制信號，僅需改變相關(guān)寄存器的設(shè)定值即可。通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳遞監(jiān)測信息和控制指令。一方面，通過網(wǎng)絡(luò)將路燈節(jié)點(diǎn)溫度、電壓及電流信息傳送到監(jiān)控中心，判斷節(jié)點(diǎn)工作是否正常以及是否被盜；另一方面，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)根據(jù)環(huán)境亮度和時(shí)段，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)給LED燈具下達(dá)統(tǒng)一的亮度調(diào)節(jié)指令，這樣就根據(jù)不同情況完成了LED亮度控制。
3．2 LED亮度自適應(yīng)節(jié)能算法
    LED亮度自適應(yīng)節(jié)能算法流程圖如圖7所示。系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，然后開始掃描亮度傳感器傳來的環(huán)境亮度信息，根據(jù)亮度信息判斷是否是白天。若是白天，LED停止工作，返回亮度檢測，循環(huán)等待；若是夜晚，則進(jìn)入LED供電程序，根據(jù)時(shí)鐘芯片判斷此時(shí)處于哪個(gè)時(shí)段。
若處于由白天到黑夜或由黑夜到白天的過渡階段，則根據(jù)亮度傳感器檢測的亮度等級進(jìn)行亮度自適應(yīng)控制；若處于前半夜，則進(jìn)行全功率照明，若處于后半夜，則關(guān)掉2路LED，進(jìn)行半功率照明，同時(shí)打開智能傳感器，檢測人員活動情況。當(dāng)檢測到人車時(shí)，全功率照明，人車離開后，延時(shí)30 s恢復(fù)節(jié)電方式工作。通過亮度自適應(yīng)節(jié)能控制，充分利用LED的可控性，可最大程度節(jié)省能源，相同情況下節(jié)電10％～15％。

結(jié)語
    本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee+GPRS的LED路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用兩級雙網(wǎng)組網(wǎng)模型和簇-鏈型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過網(wǎng)絡(luò)化、智能化控制，實(shí)現(xiàn)了燈具的遙測和遙控。提出一種應(yīng)用于路燈照明的亮度自適應(yīng)節(jié)能控制算法，可降低照明能耗，達(dá)到節(jié)能目的。該系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)營成本低、組網(wǎng)靈活，可以節(jié)約人力成本，提高生產(chǎn)效率，提高路燈管理自動化水平，適用于道路照明，也可推廣應(yīng)用于橋梁、隧道等其他公共照明場合。本系統(tǒng)采用先迸的ZigBee技術(shù)、GPRS技術(shù)、PWM技術(shù)、傳感器技術(shù)、無線組網(wǎng)技術(shù)，并將這些技術(shù)有機(jī)融合、實(shí)現(xiàn)了高可靠性、智能化、低成本、高效、節(jié)能環(huán)保的智能控制LED路燈系統(tǒng)。