基于ZigBee的智能LED路燈監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案

0 引言

城市智能LED照明系統(tǒng)是智能交通系統(tǒng)重要組成部分。利用智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠有效提高如何節(jié)約能源，提高路燈能源的利用率并對路燈進(jìn)行自動化、智能化的管理等急需解決的問題。

ZigBee 技術(shù)以其低功耗、通信可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點為路燈自動控制領(lǐng)域提供了較合適的解決方案。而基于ZigBee 自組網(wǎng)的LED 智能照明控制系統(tǒng)是將ZigBee 在短距離無線傳輸?shù)膬?yōu)勢與LED 照明壽命長和節(jié)能的優(yōu)勢相結(jié)合。具有安全、智能、便于控制、方便維護(hù)等特點。

本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的交通照明控制系統(tǒng)。利用用ZigBee 技術(shù)與新型傳感器、功率控制器及LED 路燈相結(jié)合，完成對城市路燈照明系統(tǒng)的集中監(jiān)控。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

對路燈來說，其照明作用是最主要的，其它傳感器是為了輔助路燈而設(shè)計的，用來實現(xiàn)更好的照明效果或減少不必要的資源浪費。因此，傳感器的選擇比較關(guān)鍵。本系統(tǒng)涉及的傳感器有人體熱釋電紅外傳感器、tsl2561 亮度傳感器。路燈節(jié)點主要由LED燈具、蓄電池、LED 穩(wěn)壓電路、故障檢測電路、微控制器、ZigBee無線數(shù)傳模塊及其它外圍傳感器模塊構(gòu)成，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如下圖1 所示。

本系統(tǒng)路燈的工作模式共三種：分別為白天模式、夜晚模式和午夜模式。在主控平臺進(jìn)行工作模式的選擇，工作模式由外界環(huán)境來設(shè)定。

白天正常模式下，當(dāng)環(huán)境亮度強(qiáng)到一定光強(qiáng)值時，不再需要路燈照明，此時路燈將處于關(guān)閉狀態(tài);特殊情況下，如陰雨或大霧天氣時，只需在主控平臺進(jìn)行設(shè)置，使路燈打開，即可應(yīng)對各種突發(fā)情形。

夜晚模式下，路燈會根據(jù)設(shè)定的光強(qiáng)值進(jìn)行判斷，當(dāng)環(huán)境亮度小于所設(shè)定的光強(qiáng)時，路燈開啟，并將路燈的狀態(tài)通過無線數(shù)傳模塊發(fā)送到主控平臺，在主控平臺的界面上就可隨時觀測路燈狀態(tài)。一旦此時路燈突然關(guān)閉，將會實現(xiàn)自檢功能，將檢修的信息發(fā)送到主控平臺，主控平臺通過對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可將有問題的路燈信息通過GSM 模塊發(fā)送到路燈維修人員的手機(jī)上，以實現(xiàn)路燈的及時維護(hù)。

在午夜模式下，主控平臺會根據(jù)電腦系統(tǒng)時間定時關(guān)閉路燈，以節(jié)約電能。主控平臺的硬件結(jié)構(gòu)如下圖2 所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 控制部分

2.1.1 主控制器單元

主控平臺用LCD12864 液晶輔助顯示路燈實時狀態(tài)信息。中央處理器用Arduino MEGA2560 單片機(jī)處理路燈實時數(shù)據(jù)信息。

MEGA2560 的處理器核心是ATmega2560,同時具有54 路數(shù)字輸入/ 輸出口(其中16 路可作為PWM 輸出)，還具有16 路模擬輸入，4 路UART 接口，采用16MHz 的晶體振蕩器，兼容Arduino UNO 設(shè)計的擴(kuò)展板。片上資源可以滿足單路燈節(jié)點照明的需求，并為后續(xù)在路燈上開發(fā)新應(yīng)用提供了較大的選擇空間。

2.1.2 故障監(jiān)測

本系統(tǒng)是通過路燈外部傳感器配合微控制器來控制路燈的狀態(tài)，因此路燈故障的監(jiān)測也更為復(fù)雜。要實現(xiàn)遠(yuǎn)程故障監(jiān)測，需要可正常工作的無線模塊，若不能監(jiān)測到無線模塊傳回的數(shù)據(jù)，則問題可能出現(xiàn)在供電或模塊損壞上。

計算公式為：checkDATA = 0xFF - (type) - (DATA)

路燈出現(xiàn)故障時會向主控平臺發(fā)送類似數(shù)據(jù)：

主控平臺對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，將收到幀數(shù)據(jù)的后三個字節(jié)的值求和，并進(jìn)行判斷，若為0xFF,則該幀數(shù)據(jù)有效;反之，該幀數(shù)據(jù)無效。通過簡單的計算和判斷就可知道信息來源與信息數(shù)據(jù)以及信息的正確性。這樣便可大大的提高數(shù)據(jù)的可靠性與穩(wěn)定性。

2.1.3 故障報修

本系統(tǒng)采用華為公司的GTM900C 無線通信模塊來反饋故障信息，這是一款兩頻段GSM/GPRS 無線模塊，支持標(biāo)準(zhǔn)AT 命令及增強(qiáng)的AT 命令，可提供豐富的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等，支持Text 和PDU 格式的SMS(Short Message Service,短消息)，可通過UART接口與單片機(jī)通信。

路燈管理人員通過液晶顯示屏可知道當(dāng)前路燈狀態(tài)。若路燈出現(xiàn)故障，微控制器將分析反饋回來的信息，將有故障的路燈信息顯示在液晶顯示屏上，并向指定的手機(jī)號碼發(fā)送短信，告知故障路燈信息。路燈維護(hù)人員通過短信即可知道路燈故障的原因，這將減少維修時間，提高維修效率。

2.2 無線通信(ZigBee) 模塊

本系統(tǒng)ZigBee 模塊采用的是DIGI 公司生產(chǎn)的XBee S2 模塊，該模塊是一款超小型但功能完善的ZigBee 收發(fā)器，其接口簡單，易于使用，具備防水、防雷和防沖擊的性能，并且可以滿足室外各路燈間的距離要求。是一款把ZigBee 協(xié)議內(nèi)置進(jìn)Flash里的ZigBee 模塊，其內(nèi)部已經(jīng)包含了所有外圍電路和完整協(xié)議棧，能夠立即投入使用。PC 上有專門的配置工具X-CTU,采用串口和用戶產(chǎn)品進(jìn)行通訊，并可以對模塊進(jìn)行發(fā)射功率，信道等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮?shù)的配置，使用起來簡單快捷。本項目中XBee 模塊通過UART 接口直接與MEGA 2560 控制器的串口0 相應(yīng)管腳交叉相連。[!--empirenews.page--]

XBee 模塊的通信系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如下圖3 所示：

2.3 傳感器模塊

路燈上采用熱釋電紅外傳感器來檢測有無行人，行人檢測原理如下圖4 所示。熱釋電紅外傳感器具有成本低、無需發(fā)射源、靈敏度高、可流動安裝等特點。實際應(yīng)用中，在傳感器前加菲涅爾透鏡可以提高接受的靈敏度，增加檢測距離和范圍。實驗證明，熱釋電紅外傳感器不加菲涅爾透鏡時檢測距離為2m ;而配上菲涅爾透鏡后檢測距離可達(dá)到7m 以上。

路燈上的亮度檢測傳感器采用TAOS 公司推出的第二代光強(qiáng)數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TSL2561,其具有高速、低功耗、寬量程、可編程靈活配置等優(yōu)點。并且具有直接的I2C 接口，將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 下位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)

路燈節(jié)點的微控制器控制XBee 模塊與主控平臺保持實時信息交流結(jié)構(gòu)如圖5 所示。路燈開燈條件為亮度低于設(shè)定值且在路燈旁有人經(jīng)過時，則會自行打開路燈。當(dāng)路燈出現(xiàn)故障時，單片機(jī)便自行發(fā)送故障信息，及時告知路燈維護(hù)人員。

3.2 上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)

PC 機(jī)服務(wù)器采用QT 編寫程序，采用QT 是因為其可移植性高和利于編寫良好人機(jī)界面的特點。本軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示，以實時數(shù)據(jù)庫為核心來實現(xiàn)功能，它要求能夠?qū)崟r地從協(xié)調(diào)器獲取數(shù)據(jù)，進(jìn)行運算、顯示、故障報警等。該系統(tǒng)管理軟件有如下一些主要功能：主界面是對路燈的實時觀測，反饋路燈的狀態(tài)、運行時間、環(huán)境光強(qiáng)、功耗等實時信息。

4 實驗結(jié)果

制作了4 個路燈節(jié)點模型，在小范圍進(jìn)行模擬實驗，通過PC智能路燈管理軟件遠(yuǎn)程操作可以完成三種模式的要求，并實時監(jiān)測路燈信息，反饋給PC 軟件。

5 結(jié)束語

文章介紹了基于MEGA 2560 微控制器的智能LED 路燈控制系統(tǒng)，利用XBee S2 自組網(wǎng)與GSM 移動通信相結(jié)合的通信網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)智能無線監(jiān)測路燈的功能，并自己設(shè)計開發(fā)了路燈管理軟件。