基于ZigBee 的智能路灯控制系统设计

1 系统实现方案
按照系统要求，本设计主要完成支路控制器和路 灯及二者之间的通信网络设计，其中支路控制器完成 时间、光照信息的测量，路灯终端完成故障诊断和移 动物体的检测，利用ZigBee无线网络技术实现支路控 制器和路灯终端之间的通信。因此系统主要包括以下 分系统：电源稳压系统、支路控制系统、ZigBee协调 器系统、Zig⁃Bee 路由和终端系统。其中电源稳压包括 5 V 稳压和3.3 V稳压；支路控制系统包括时间模块、键 盘模块、显示模块和光照采集模块；ZigBee协调器包 括显示模块和键盘模块；ZigBee路由和终端包括微波 雷达检测模块、故障检测模块和路灯控制模块。系统 结构框图如图1所示。
3.2 协调器系统软件设计
根据协议栈对协调器系统进行软件编程。实现此项目要求只需修 改协议栈的应用层和硬件层。应用层执行查询任务工作，修改硬件层 使整个系统与所扩展的硬件匹配[10]。根据协议栈对协调器系统进行软 件编程。实现此项目要求只需修改协议栈的应用层和硬件层。应用层 执行查询任务工作，修改硬件层使整个系统与所扩展的硬件匹配[10]。
3.2.1 硬件层的修改
定义协调器的P2.0、P2.1为数据的输入端口。协调器上有显示故障 信息的12864显示模块，首先建立一个lcd.h 文件，在内部定义所应用的 管脚定义及相应的宏定义。之后按照12864 的时序编写12864 的读写程 序lcd.c，建立出数据与写数据位置的接口函数。在协议栈中ZigBee 联盟 已经将LCD 的显示程序封装在硬件层，如果应用另外的显示硬件只需将 原有的lcd.h文件覆盖即可。
ZigBee技术是一种新兴的短距离无线通信技术， 在近距离无线网络领域得到广泛应用。ZigBee技术采 用自组网络，其网络拓扑机构可以随意变动，这一特 点对实现路灯智能监控系统的智能化、高可靠性、低 成本起到很好的作用[5⁃]。ZigBee的网络拓扑结构可分 为：网状结构、星型结构和树状结构，考虑到树状结 构能够提高通信网络的可靠性，因此本设计中无线系 统的网络拓扑 采用树状结构，使用路由功能传输。无线系统由 一个ZigBee协调器、若干个路由控制器和若干个路灯 终端所组成，网络示意图如图2所示。根据ZigBee通信 组网技术的特点，将ZigBee 技术与传统的路灯控制模 式相结合，根据不同路段及时间，对协调器设置不同 的检测与控制方式，能及时对路灯进行相应的控制并 发现路灯损坏情况和它的具体位置，方便维修管理， 实现按需节能、智能化管理，达到城市照明系统节能 减排的目标。
3.1 主机系统软件设计
根据智能路灯系统实现功能的需要，主机系统软件划分为以下几个部 分：监控主程序、日历时钟子程序、LCD显示子程序、键盘扫描子程序、 光线明暗检测子程序。监控主程序通过对时间、键盘、光线情况的循 环判断，决定是否执行相应的功能程序。主机软件设计流程图如图8所 示。主机根据时间与外界光线状态发出控制命令如表1所示。
3.2.2 应用层修改
系统不断的采集主机数据输出端口发来的数据，根据数据的不同 而执行相应的操作。首先将读取主机数据任务ID 号加入到任务中，这 样在任务循环执行时方可执行到，否则永远执行不到这个任务。协调 器读取任务流程如图9所示。
3.3 路由器和终端节点系统软件设计
根据协议栈对路由器和终端节点系统进行软件编程。同样只需修 改协议栈的应用层和硬件层。应用层执行查询任务工作，修改硬件层 使整个系统与所扩展的硬件匹配。路由器和终端节点系统中开关灯、 开关雷达端口用协议栈内部定义好的两个LED灯端口。用控制两个LED 灯的开/关分别控制路灯开/关、雷达控制开/关。路由器和终端节点系 统接收来自协调器的字符控制信号，不同字符执行不同操作。利用中 断查询方式采集亮灯状态下灯泡的光照强度进而判断是否出现故障， 出现故障进入故障处理函数，编辑路灯地址并发送到协调器。
2.3.2 故障检测模块
故障检测电路如图6 所示。夜晚开启路灯的 同时开启故障检测模块，路灯正常工作时光线强， 比较器输出低电平；路灯故障时，光线较暗，比 较器输出高电平。由于比较器输出的只是高低电 平，出现故障变为高电平，此时如若直接连接到 ZigBee模块上它会不断的发送故障信息，造成系 统资源的浪费。设计中用STC15F104单片机不断 的检测比较器的输出端，出现故障时由P3.3端向 ZigBee模块输出一个负脉冲。单片机的工作电源 由ZigBee 模块的LED 端控制，保证系统在高亮时 段实时检测故障从而节约了系统资源。
2.2 ZigBee协调器设计
ZigBee协调器负责组建网络与信息的收发处 理工作。协调器不断采集主机发来的开关路灯与 开关雷达指令，通过发送不同的字符给终端使其 作相应的操作。同时能够显示故障地址，并能对 故障信息进行清除。当接收到终端和路由发来的 故障地址时，将地址显示在LCD上。由于CC2530 的IO口资源较为紧缺，所以设计时选择串口驱动 方式。故障维修人员记录检查故障信息，维修员 维修之后，需要将原有的故障信息清除，此时只 要按下故障清除按键即可。ZigBee协调器接口电 路如图4所示。
4 总结
本文从应用方面着手对ZigBee技术的网络拓 扑结构进行研究，采用TI公司的Z⁃Stask协议栈 和IAR 开发环境，以CC2530芯片为核心构建了 一个基于ZigBee通信网络的路灯控制系统。网 络规模的大小，取决于实际控制路灯的多少。 终端控制器的定时时间，可以根据不同地区、 不同季节由主控制机统一设定。该路灯控制系 统与传统的路灯控制系统相比，一方面减少了 “ 全夜灯”、“后夜灯”，有效的节约了电能 资源，并且还保护了电灯，延长了其使用寿命； 另一方面智能路灯控制系统可对全部路灯进行 实时监控和管理，集中控制、监视、检查，大 大减少了后期人力、物力、财力的投入，同时 提高了巡查设备和路灯的工作效率。
2.3.1 微波雷达检测模块
微波雷达传感器受气流、温度、尘埃的影响较小，因 此设计中选用标准的10.525 GHz微波多普勒雷达探测器 HB100进行移动物体检测。在人与车稀少的区段开启移动 物体检测模块，当有移动物体在路灯所检测的范围内活动 时开启路灯；当移动物体离开后保持路灯处于低亮状态一 段时间STC15F104 单片机提供延时，并由P3.1口输出控制信 号。电路如图5所示。其中CC2530的P2.1口控制三极管的通 断决定单片机与雷达模块是否上电工作。三极管的发射极 与基极电阻R4 使三极管更有效截止与导通。
图8 主机控制流程图 季 节 模式 偏僻 夏 开启路灯 季 19：00—00：00 繁华 偏僻 冬 开启路灯 季 18：00—00：00 繁华 18：00—次日6：00 开启路灯关闭雷达 高亮状态雷达关闭 06：00—18：00 关闭路灯 关闭雷达 19：00—次日5：00 00：00—06：00 开启路灯关闭雷达 高亮状态雷达关闭 开启雷达检测 05：00—19：00 关闭路灯 关闭雷达 时间 00：00—05：00 光照较强 外界状态 光照较弱 开启雷达检测
Leabharlann Baidu2 硬件设计
2.1 支路控制器设计
根据系统功能，支路控制器主要包括时空电路、 光控电路、键盘及显示等，电路如图3所示。时间控制 芯片采用的是DS12887芯片，其内部自带锂电池，外部 掉电时，还可准确走10年之久，有12小时制和24小时 制，数据可分二进制或BCD 码传送，使用非常方便。 环境光检测部分采用的是敏电阻加LM339电压比较器 的测量方案[8]。电阻RV2，R5，R9 及光敏电阻共同构 成了惠斯顿电桥的两桥臂。在光线相对较强时，电路 输出端输出低电平；当光线强度相对较暗时，电路输 出端输出高电平。统共设置5个按键，采用独立式键盘， 包括时间调节键，模式选择键及季节设置键。时间调 节键三个，设置键、上调键和下调键，按下设置键开 光标，上下调节键用来调节时间。模式选择键，采用 自锁式按键，进行繁华和偏僻模式转换。季节设置键， 也采用自锁式按键，进行夏季和冬季转换。
3 软件设计
系统上电后进行初始化，检测系统是否正常工作，如果正常则 按照路灯控制界面进行状态检测并对路灯进行输出控制，使路灯按 照既定程序实现开 / 关状态。主机系统显示相应的控制信息；协调 器不断检测主机数据输出口状态判断发送数据与否；终端等待协调 器的数据进行。系统软件设计主要包括主机软件设计、协调器软件 设计、路由器和终端软件设计等三大部分。其中在调器软件设计、 路由器和终端软件设计上协议栈尤为重要，不同厂家出品的不同产 品有不同协议栈。本文使用的芯片为TI公司生产的CC2530芯片， 使用的协议栈是由TI公司出品的Z⁃tack协议栈。
基于ZigBee 的智能路灯控制系统设计
摘要
设计了一套采用无线通信协议ZigBee 实现的路灯控制系统。系统利用 ZigBee无线通信技术实现主控系统对 终端路灯的实时控制，具有微波雷达 移动物体检测、环境光检测及时间设 定等路灯控制方式，能实现路灯远程 控制、自动调光、故障检测及定位等 功能。模拟试验表明：系统操作简单， 智能化程度高，节能效果好。
Keywords：ZigBee；street light；microwave radar； light control；time control
引言
随着中国城市和经济的迅速发展，城市路灯照明 已经成为展示城市魅力的名片和窗口，但是照明在带 来绚丽和方便的同时，也遇到了诸多问题。据调查， 我国小型城市在夜晚9点后，大中城市在午夜12点后， 道路上行人非常稀少，即便是北京、上海、广州这样 的繁华都市，凌晨2点以后，道路上也罕见行人、车辆。 这时如果保持“恒照度”会造成资源的大量浪费；另 外后半夜是用电的低谷期，电力系统的电压升高，路 灯反而会更亮，而我国现行70%的道路照明使用的高 压钠灯，此类电网电压的波动致使灯泡的实际使用寿 命不超过1年，带来了高额的维修费和材料费，并且系 统难以及时反馈路灯运行的故障信息，无法进行远程 控制和处理，只能采取人工巡查方式。路灯控制系统 从最初的开关控制功能，逐渐演化到监控节能控制功 能，各种新技术被用于路灯监控系统中。路灯控制方 法有PLC控制，电力载波控制和无线网络控制等[1⁃4]。 从路灯控制系统的成本、可靠性、信息化、应用前景 等方面考虑，本设计采用ZigBee无线自组网网络技术 实现LED路灯节能控制系统的设计。
2.3.3 LED路灯控制模块
LED 路灯控制电路如图7 所示，路灯由两部分 控制。当定时时间到时开启路灯，开启模式为全亮； 进入雷达检测模式后，有移动物体出现在检测范围 内，开启全亮模式；两种控制用与门连接，有一个 输出为低电平就开启路灯。没有移动物体在雷达检 测范围之内时路灯处于半亮模式，接入的电压为全 亮模式的一半用[9]。为了使其控制端间互不影响， 在各控制末端加入光电耦合器进行隔离。
关键词：ZigBee； 路灯；微波雷达； 光照控制；时间控制
Abstract
A streetlight control system based on ZigBee wireless communication protocol is designed. In the system ZigBee wireless communication technology is used to realize the real⁃time control of main control system to the terminal lights. The streetlight control mode includes microwave radar moving object detection， ambient light detection and time settings etc. The sys⁃tem can realize the functions of lights remote control，auto⁃dimming，fault detection and position. The simulation test shows that the system is easy to operate，high intelligent and good energy⁃saving effect.