基于zigbee的智能节能路灯控制系统设计

基于zigbee的智能节能路灯控制系统

1 引言

传统的路灯节能系统存在着智能化程度低、通讯稳定程度差、路面照度分布不均等问题。目前路灯电费和管理费用是政府的一项巨大的财政支出。从路灯节能控制系统的成本、可靠性、信息化、应用前景等方面考虑，采用ZigBee无线自组织网络技术无疑是可以实现路灯节能控制系统的智能化、信息化、可靠性高、低成本的目标。

2 系统方案

本系统采用ZigBee和GPRS无线网络两层网络。ZigBee路由节点安装在路灯灯杆上，起着控制路灯节能和为其他节点的信息中寄的作用。在系统各子网路灯控制器通信采用ZigBee协议，无需通信费用，子网控制器是采用GPRS数传终端，对子网采用ZigBee协议与路灯控制器通信，对系统中心通过GPRS通信。ZigBee网络协调器负责建立网络和管理网络，形成一个ZigBee子站，远程控制中心通过GPRS网络于ZigBee子网相联。

①路灯控制器

主要功能有：控制路灯开关、亮度调节、电流采集、电压采集、计算功率以及功率因数等。

②子网控制器（GPRS数传终端）

主要功能有：接收和发送子网的所有路灯控制信号、数据记录、报警处理等。它负责控制子网的路灯控制器运行，将系统中心的命令下达给路灯控制器，将路灯控制器及线路信息反馈系统中心。子网控

制器处于系统中心和子网路灯控制器的中间，向上通过GPRS同系统中心通信，向下则是通过ZigBee通讯协议方式，同各个路灯控制器通信。

③系统中心

系统中心主要实现通过系统控制软件对子网下的路灯控制器进行远程数据访问和控制，包括参数配置，控制命令发送、现场灯具状态收集等。能够显示路灯状态（亮度、电压、电流、功率和功率因数）信息，能够远程控制路灯的开关和调节路灯的亮度，可以实现时序调度事件、读取数据记录、监视事件和报警应答等操作。

3 节能策略

控制模型采用基于功率的闭环控制系统。在容许的超调亮围实现对路灯功率的自动调节，通过单片机控制可控硅的导通角，对路灯的功率进行调节。

智能感应控制。白天，当光线达到预期要求时关灯；晚上，当有人或车辆经过时，控制路灯自动控制打开路灯或者增强路灯的亮度；而在一段时间没有人或车辆经过，自动延时后关闭路灯或者减弱路灯亮度。

系统控制网络拓扑图系统架构图

4 系统功能介绍

(1)自动巡测功能：系统中心可以自动巡测每路路灯的开关状态。

(2)数据采集功能：采集电流、电压、功率因素等数据。

(3)过载保护：通过采集到的数据进行处理判断，保证负载处于合理围。

(5)控制功能：系统中心可以随意开关任何一盏路灯。

(6)自动控制功能：现场按预先设计好的时间计划自动调节路灯开关时间。

(7)报警功能：故障出现后，系统中心可以准确获取故障灯的位置信息，工作人员可以在最短时间赶到现场进行维护。通过采集电力线的电流、电压状况，通知系统中心，从而进行防盗处理。

(8)数据存储功能：可对路灯安装和时间、地点、运行参数、工作时间等用户关心的信息进行记录存储。

(9)数据查询功能：系统中心可以通过互联网查询任意时间段每路路灯数据信息。

(10)远程维护功能：进程网络维护，控制模块具备远程参数设置和维护功能。

(11)信号传递功能：将任一路灯所在处人和车辆的情况传递到下一个路灯，可以通知下一个路灯提前点亮。

5 具体实施方案和过程

5.1灯泡亮度调节控制方法

利用可控硅实现基于单片机的可控硅功率调节电路。可控硅调节

功率具有不冲击电网、对用电设备不产生干扰等优点，是一种应用广泛的功率调节方式。所谓功率调节就是控制在给定周期可控硅的导通时间，从而改变负载功率，实现功率调节。

实现可控硅功率调节须解决3个技术关键：(1)获取工频交流电源的过零脉冲，作为触发双向可控硅的同步脉冲；(2)将控制算法得到

的控制量变为可控硅在给定周期的导通时间；(3)隔离工频交流电源

强电对微机系统和控制电路弱电的干扰。

可控硅功率调节电路如图1

220V

220V

P1.2

P1.1

图1

电路中，光电耦合器TIL117用于产生工频交流电的过零脉冲。交流电经全波整流后驱动光电耦合器输入端的发光二级管的通断，通过合理设计光电耦合器电阻R1和和R2的阻值，在光电耦合器输出端即可获得1个幅值和宽度均能满足要求的过零脉冲。该脉冲信号分为两路：一路送至单片机的高速输入通道HIS的引脚，另一路送至与非门的1个输入端，与之对应的另一输入端接门控信号，以控制过零脉冲在T周期通过与非门的时间。该门控信号就是单片机高速输出通道

P1.1输出的脉宽信号。

由与非门输出的过零脉冲通过光电耦合器TIL113隔离传输至双向可控硅触发电路，为使可控硅可靠导通，同步触发脉冲再经晶体管功率放大，R9为负载电阻。

由图1可知，光耦合器TIL117和TIL113将工频交流强电与单元机电路弱电隔离，提高了系统的抗干扰能力和工作的可靠性。

5.2灯泡功率因数测量方法

5.2.1功率因数是电力供电系统重要参数之一，将直接影响电网供电质量。采用电流和电压信号的门限电压值的“过零检测”技术，实现信号功率因数的测量。该测量仪具有硬件电路结构简单、实用、测量精确度高、抗干扰能力强等特点。

图1为功率因数测量中的相位-时间转换法的结构框图。

由于电力系统中工频周期为20 ms，因此，电压与电流的相位差测量精度取决于相位差信号的高电平宽度的测量。相位差为Φ的电压和电流信号Ui和Ii分别经电压转换器和低通滤波器。再经相应过零比较器变成方波，最后经相位-时间转换电路得到与相位成比例的高电平方波。

图2给出图1中各节点的信号波形。

相位-时间转换法所得Φo与实际相位有一定的相位差，这是由低通滤波器引起的，可通过软件进行补偿。Φo信号是由单片机定时器定时计数高电平而测量的，其相位差Φ为：

式中，△t为高电平宽度。

余弦值的计算采用查表和小数补偿算法。首先对计算出的相位整数度查表，求得当前值和下一整数值的余弦值；然后，计算小数部分余弦值的增量值为两整数余弦值之差乘以小数部分，最后，将当前值的整数相位余弦值加上小数值进行校正补偿。这样就可得到精度较高的功率因数。

5.2.2系统硬件结构及其工作原理

图3为功率因数测量电路原理图，该测量仪由信号预处理电路、相位检测电路、电源、显示和单片机小系统等模块组成。图3中的Ui、Ii、Uo、Io和Φo各节点与图1中的各点相对应。