ZigBee＋GPRS的LED路燈監(jiān)控系統(tǒng)

閆齊陽，彭龑

（四川理工學院 自動化與電子信息學院，自貢643000）

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，被人們稱為是第四代光源，因此，LED照明是21世紀城市照明系統(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，實現(xiàn)道路照明系統(tǒng)的智能化與網(wǎng)絡化控制是現(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)控和分時調(diào)光技術(shù)，實現(xiàn)了智能化的監(jiān)控算法；通過GPRS 和ZigBee技術(shù)，實現(xiàn)了無線的區(qū)域化、網(wǎng)絡化的控制；最后，結(jié)合LED可調(diào)光的高效驅(qū)動，實現(xiàn)了對路燈的遙控、遙信和遙測。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡模型及工作原理

遠程智能照明網(wǎng)絡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用Zig-Bee和GPRS兩級雙網(wǎng)組網(wǎng)模型，由監(jiān)控中心、網(wǎng)關(guān)節(jié)點及GPRS移動通信網(wǎng)絡3部分組成。上層為GPRS主干網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程傳輸；下層為ZigBee二級子網(wǎng)，由各個路燈子節(jié)點構(gòu)成，采用簇—鏈型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)完成數(shù)據(jù)路由和轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點連接ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡與GPRS網(wǎng)絡，實現(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)絡上，通過GPRS網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心，實現(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、準確地檢測出LED路燈電壓、電流及工作狀態(tài)等信息，實現(xiàn)防盜和遠程故障監(jiān)測；另一方面，又能根據(jù)需要對LED路燈進行開／關(guān)及亮度控制。

圖1 遠程智能照明網(wǎng)絡系統(tǒng)

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)由GPRS 模塊、ZigBee節(jié)點和網(wǎng)關(guān)模塊、單片機、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

圖2 系統(tǒng)總體框圖

LED恒流驅(qū)動設(shè)計采用FMD 公司FT870 的LED 恒流驅(qū)動方案，驅(qū)動電路如圖3所示。當開關(guān)管Q1導通時，主電流回路導通，此時AC 給LED 供電，并使電感L1儲存能量；當Q1關(guān)斷時，主電流回路改變，此時電感L1釋放能量，保持LED 的輸出。由于開關(guān)管導通時，流過LED 的電流同時也流過R1，所以通過檢測R1上的電壓來檢測流過LED的電流，從而達到恒流的目的。FT870在一個固定頻率下可以控制MOS管，因為是恒流驅(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PWM 信號控制。

2.1.2 主控節(jié)點單片機電路設(shè)計

主控節(jié)點采用MSP430超低功耗單片機。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。MCU 的P3.4、P3.5 引腳設(shè)置為異步串行收發(fā)接口，與節(jié)點的ZigBee模塊進行異步串行通信。單片機將采集到的數(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

ZigBee模塊選用Chipcon公司推出的符合2.4GHz IEEE 802.15.4標準的射頻收發(fā)器CC2420，ZigBee模塊電路如圖5所示。

圖3 基于FT870的LED驅(qū)動電路

圖4 MSP430最小系統(tǒng)

CC2420的31、32、33、34引腳與單片機對應的SPI通信接口相連，即CC2420 的CSn、SCLK、SI、SO、引腳與MSP430的SET0、SMCLK、SIMO0、SOMI0引腳相連。這樣，CC2420發(fā)射芯片就能與MCU 進行全雙工的通信。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）與MCU 其中的一個引腳相連。MCU 可以通過對該引腳狀態(tài)的讀取，判斷是否有空閑信道。

圖5 ZigBee模塊電路圖

2.1.4 GPRS模塊設(shè)計

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和相應MSP430的RXD、TXD交叉連接。LEDA 引腳控制一個外接LED 的閃爍，當LED 閃爍時，表示該模塊連接上了網(wǎng)絡，否則沒有連上網(wǎng)絡。當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。

圖6 GPRS模塊M23電路圖

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，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，主要實現(xiàn)系統(tǒng)管理及燈具的遙測、遙控、防盜和遠程故障監(jiān)測等功能。

3 亮度自適應節(jié)能控制算法

3.1 LED亮度控制

采用PWM 法進行調(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)管的導通時間來調(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 單片機內(nèi)部的定時器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)絡傳遞監(jiān)測信息和控制指令。一方面，通過網(wǎng)絡將路燈節(jié)點溫度、電壓及電流信息傳送到監(jiān)控中心，判斷節(jié)點工作是否正常以及是否被盜；另一方面，網(wǎng)關(guān)節(jié)點根據(jù)環(huán)境亮度和時段，通過ZigBee 網(wǎng)絡給LED 燈具下達統(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亮度自適應節(jié)能算法

LED亮度自適應節(jié)能算法流程圖如圖7所示。系統(tǒng)首先進行初始化，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，則進入LED供電程序，根據(jù)時鐘芯片判斷此時處于哪個時段。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行亮度自適應控制；若處于前半夜，則進行全功率照明；若處于后半夜，則關(guān)掉2 路LED，進行半功率照明，同時打開智能傳感器，檢測人員活動情況。當檢測到人車時，全功率照明，人車離開后，延時30s恢復節(jié)電方式工作。通過亮度自適應節(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%。

圖7 亮度自適應節(jié)能算法流程圖

結(jié) 語

本文設(shè)計的基于ZigBee＋GPRS的LED 路燈遠程監(jiān)控系統(tǒng)采用兩級雙網(wǎng)組網(wǎng)模型和簇—鏈型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，通過網(wǎng)絡化、智能化控制，實現(xiàn)了燈具的遙測和遙控。提出一種應用于路燈照明的亮度自適應節(jié)能控制算法，可降低照明能耗，達到節(jié)能目的。該系統(tǒng)建設(shè)和運營成本低、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，也可推廣應用于橋梁、隧道等其他公共照明場合。本系統(tǒng)采用先進的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)有機融合、實現(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)。

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