基于Zigbee的路灯控制系统设计与分析

基于Zigbee的路灯控制系统设计与分析
作者：刘星
来源：《经营者》2014年第10期
摘要：随着绿色照明和电子控制技术的发展，在路灯系统领域的发展方向也逐渐开始发生变化，在一定程度上看，节能、单灯控制以及远程监控很可能是未来路灯控制系统一个很重要的发展方向。

在本文的分析讨论过程中，主要在无线网络技术的基础上，设计了一套使用Zigbee技术实现的路灯控制实训系统，通过使用该系统，可以实现对路灯的远程实时监控以及采集相关数据。

关键词：无线网络；Zigbee技术；路灯控制系统；设计
一、引言
进入新常态下的社会，人们的生活水平不断提高，并对更高层次的生活质量有了新的要求，体现在对城市路灯控制的要求上，不仅要求更加节能环保，还要进一步提升其安全性、美观性和便利性。

在本文设计的路灯控制系统中，可以基本上满足上述要求。

二、路灯控制系统的硬件配备
该路灯控制系统所用到的基础硬件包括路灯节点、无线通信模块，其中无线通信模块主要是内嵌于路灯节点和监控中心，以实现无线连接与控制。

（1）无线网络。

该无线网络在实际设计过程中使用了Zigbee技术，这样，就可以使得路灯工作现场的相关数据信息可以及时地传递到系统监控中心，进而提高路灯的控制效率。

一般来讲，Zigbee技术应用的主要领域是，那些对传输速率要求不高，并且传输距离非常短的电子设备之间，如在一些工业厂区内的控制、局部地区环境监测等领域，Zigbee技术的功耗相对较低。

因此，可以有效降低系统的运营成本，同时其设计简单，易于维护，对于路灯控制系统来说，非常合适。

该系统Zigbee模块，其控制电路的核心，使用了采用CC2530片上系统，具有256KBFLASH，在接收模式下，一般的电流损耗低于25mA；在发射模式下，一般的电流损耗低于34mA。

系统模块的外部稳压电源为其提供5V电压，这样就可以保证各节点能够长时间稳定的工作。

在实际设计过程中，技术人员根据路灯系统的相关特点，使用树形连接的方式连接网络，这样的连接方式可以更加灵活地扩展节点和自组网络。

与PC机串口RS232连接的Zigbee模块，是网络协调器，主要发挥着组织、管理网络和发号施令的作用；如果出现网络有新的节点加入时，网络协调器就会自动分配地址给新节点，这样就保证了不会出现掉电和低功耗的情况。

该系统的路由器，是与路灯单元串口连接的Zigbee模块，主要发挥着中继器的作用，这个中继器在实际工作过程中，能够对进来的相关信息数据进行收发和转发，通过中继器还可以实现上位机和相邻节点的相互通信。

（2）路灯节点。

路灯节点的组成部分主要包括：路灯控制器、电源模块和Zigbee模块。

路灯节点在整体系统中所承担的主要任务是，对路灯现场数据及控制命令进行合理处理，根据相关指令控制好LED的灯开，并实现对灯光的调节。

在本文设计的路灯控制器中，其核心部件是8位AVR微处理器ATmega16，该微处理器性能的优点在于其低功耗、性能高。

在实际工作过程中，可以根据使用需求和路灯现场的使用情况，自主设定单片机的输入/输出口，同时，该微处理器具备较强的驱动能力，本身包含了许多器件，综合功能也比较强大。

在运行中，可以有效降低外围器件的使用量，这样一来就使得电路的整体结构变得相对简单。

在该控制器中，信号检测、亮灯驱动和故障检测属于外围电路。

在电流的使用上，主要使用5V及12V的直流电。

在实际系统运转过程中，是通过把220V交流电经过整流桥KBP210，而后变成12V的直流电，这样就实现了为LED驱动电路和故障检测电路提供电源，根据相关测试结果，其功率一般能够达到40W；12V直流电源再通过LM2596-5.0集成三端稳压器，就可以输出5V直流电源，经过测试，发现其输出的电流可以达到3A，并且还具有良好的线性和负载调节特性，这样就可以满足Zigbee模块、单片机及其他外围电路的电源需求。

（3）监控中心。

该系统的监控中心主要由PC机和Zigbee模块组成，能够提供有效的监控信息，其中人机界面显示的功能非常强大，能够非常流畅地实现对相关数据信息的遥测、遥控及存储和管理。

通过这种监控系统，基本上可以实现对整个路灯系统工作状况的实时动态监控。

在实际工作过程中，通过无线通信网络，PC机可以很精确地采集路灯的工作信息数据。

例如，环境光强度、用电量、亮灯率等，并且可以根据相关程序，实现对路灯节点的控制。

三、系统软件设计
（1）现场信号采集、检测与处理程序。

路灯现场环境光采集模块经由光敏电阻得到电压值，并通过ATmage16内部的1路10位ADC模数转化电路将其转化为数字信号。

（2）通信程序设计。

1）路灯节点之间的通信实现。

路灯节点之间采用串口通信，通信参数配置为异步通信、8位数据、无奇偶校验、一个停止位及无倍速。

串口的发送程序采用查询方式，接收程序采用中断接收方式。

2）路灯节点与监控中心之间的通信。

这二者之间的相互通信，有着两方面的功能，其一，通过上位机能够实现为路灯节点配置相关信息，并发出相关控制指令，其二，接收来自路灯节点的现场运行信息，实现系统在监控室进行路灯系统操控和故障查询、报警等功能。

（3）监控软件功能设计。

1）显示监控程序。

显示监控程序包括路灯状态信息、街道状态信息、报警信息。

通过显示监控界面可以实现街道选择；观察路灯当前光通量、功耗、工作时长及是否故障。

2）调试配置程序。

调试配置程序包括串口配置、Zigbee读取及配置、路灯调试。

通过串口配置界面设置相应的串口配置参数；通过Zigbee的配置程序可读取Zigbee模块的网络ID号，可以方便设置Zigbee模块的网络ID号、波特率。

3）存储工作运行数据。

在系统运行的过程中，下位机发送的路灯信息及报警信息都会保存到数据库中。

同时街道及路灯的配置信息也保存在数据库中，并可方便用户导出及打印信息。

四、系统功能
1）可进行单灯远程监控，并可调节灯具亮度。

2）可根据环境光自动开关路灯，并可调整灯具亮度，保证使用需要。

3）根据道路是否有行人/车辆通过实现亮度渐变，具有路灯故障检测功能。

4）具有数据统计和存储功能。

可提供路灯用电量、亮灯率和功耗等数据，并可查询历史记录。

5）系统具有休眠状态，降低系统功耗。

五、结束语
从路灯控制系统的发展方向来看，未来智能化和网络化控制系统很可能会成为一种主流趋势。

随着无线通信技术的进步和城市发展对路灯需求的提高，路灯控制系统的功能应该得到进一步提升和开发，在本文的设计分析中，通过使用Zigbee协议基本上实现了对路灯控制模拟系统的实时监控和网络化管理。

并且基于Zigbee的路灯控制系统有着非常优秀的使用特点，其网络升级扩展灵活、使用安装过程简单，控制监测界面清楚，运营成本相对较低，在城市路灯控制系统中有着一定的优势。

参考文献：
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