ZigBee技術(shù)在路燈監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

李巖巖，李敬兆

（1.安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學 計算機工程與科學學院，安徽 淮南 232001）

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，路燈使用數(shù)量在逐漸增多，單純地依靠手動控制方式和自動控制方式來控制路燈會造成電能的大量浪費[1-2]，如何高效地使用路燈能源已成為迫在眉睫的重大問題。為此，本文提出了在ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建智能化的路燈監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)可實現(xiàn)的功能如下：

（1）對單盞路燈進行遠程監(jiān)控并根據(jù)需要調(diào)節(jié)燈的亮度；

（2）可以根據(jù)路面上的車流和人流的情況來調(diào)節(jié)路燈的亮度；

（3）可以對路燈進行故障檢測，當有路燈損壞時可以進行報警并指出故障路燈的具體位置，以及時維修；

（4）對用電量、亮燈率和功耗等數(shù)據(jù)進行顯示并可查詢歷史記錄；

（5）為了降低功耗，設(shè)計了休眠狀態(tài)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計和工作原理

本文設(shè)計的系統(tǒng)主要由安裝在燈桿上的路燈節(jié)點、無線傳感網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控界面3部分組成。路燈節(jié)點通過無線通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心取得聯(lián)系。整體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體的結(jié)構(gòu)圖

1.1 路燈節(jié)點

路燈節(jié)點的主要工作包括處理控制命令、采集周圍環(huán)境信息、控制燈的開關(guān)時間和調(diào)節(jié)燈的亮度。路燈節(jié)點的體系結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。路燈控制器、電源模塊和ZigBee模塊是路燈節(jié)點的主要組成部分。本文選擇了ATmega16作為路燈控制器的核心部件，其性能較高、功耗較低、驅(qū)動能力較強，并集成了多種器件和功能，這無疑減少了外圍器件的使用量減少了，簡化了電路，而且I/O口可以根據(jù)需要自由設(shè)定[3]。

圖2 節(jié)點的體系結(jié)構(gòu)圖

1.2 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心的整體框圖如圖3所示。監(jiān)控中心主要包括PC和ZigBee模塊兩個部分，其主要任務(wù)是提供系統(tǒng)信息。人機顯示界面可以對數(shù)據(jù)進行存儲和管理，還可以對所有被控路燈的工作狀況進行實時監(jiān)控，確保其正常工作。PC對路燈工作狀況信息的采集是通過無線通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的。例如，PC可以通過網(wǎng)絡(luò)采集周圍環(huán)境的光照強度、路燈的用電量和亮燈率等，還可以控制路燈節(jié)點并向其發(fā)送命令信息，路燈節(jié)點根據(jù)這些信息對LED燈作出相應(yīng)的控制，實現(xiàn)對路燈的智能監(jiān)控。

圖3 監(jiān)控中心的整體框圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 通信程序設(shè)計

通信程序包括路燈節(jié)點與監(jiān)控中心的通信以及路燈節(jié)點之間的通信兩部分。

（1）路燈節(jié)點與監(jiān)控中心之間的通信

路燈節(jié)點和監(jiān)控中心之間的通信主要是為了完成兩個方面的任務(wù)：一是為路燈節(jié)點配備相關(guān)信息和傳達控制命令，這是通過上位機實現(xiàn)的；二是可以接收路燈節(jié)點的運行信息，以實現(xiàn)遠程監(jiān)控，工作人員在監(jiān)控室就可以對路燈進行系統(tǒng)操作、故障查詢和報警等功能。系統(tǒng)的組網(wǎng)流程圖如圖4所示。

圖4 組網(wǎng)流程圖

（2）路燈節(jié)點之間的通信實現(xiàn)

路燈節(jié)點之間的通信，其目的一是為了節(jié)能，當路燈在深夜路上車輛和行人少的時候處于微亮的節(jié)能狀態(tài)；二是為了保證正常的照明，為行人提供方便，當檢測到路上有行人或車輛經(jīng)過時，該盞路燈由微亮轉(zhuǎn)為全亮，并通知前面的路燈也作出這樣的操作。

2.2 監(jiān)控軟件功能設(shè)計

系統(tǒng)監(jiān)控中心程序包括顯示監(jiān)控程序、系統(tǒng)參數(shù)配置程序、調(diào)試配備程序和存儲工作運行數(shù)據(jù)程序。

（1）顯示監(jiān)控程序

顯示監(jiān)控程序包括對路燈工作狀態(tài)的監(jiān)控、路面狀態(tài)的監(jiān)控和故障報警。其監(jiān)控界面可以實現(xiàn)許多的功能，主要包括選擇最優(yōu)路徑；監(jiān)控路燈當前的亮度、功耗、工作時長及是否出現(xiàn)故障；自動統(tǒng)計該街道所有路燈的總用電量和亮燈率；系統(tǒng)自動動作的時間段；顯示故障路燈的具體位置及發(fā)生故障的時間[4-5]。

（2）系統(tǒng)參數(shù)配置程序

系統(tǒng)參數(shù)配置程序包括對路燈節(jié)點和系統(tǒng)工作時間的校正以及設(shè)置街道的地址。系統(tǒng)在運行一段時間后，系統(tǒng)時間和當前的時間會有一個差值。通過系統(tǒng)時間校正就可以消除這個差值，使系統(tǒng)時間與PC時間同步。可以根據(jù)實際情況和需要設(shè)置系統(tǒng)正常工作的開關(guān)機時間與街道地址。

（3）調(diào)試配備程序

配置程序主要包括串口配置、ZigBee讀取和配置以及路燈調(diào)試。串口參數(shù)的配置就是通過串口配置界面來設(shè)置的；ZigBee的配置程序主要完成對ZigBee模塊的網(wǎng)絡(luò)ID號和波特率的讀取與設(shè)置，還包括對網(wǎng)絡(luò)地址、MAC地址的讀取；通過路燈調(diào)試界面可以清楚地知道路燈周圍的環(huán)境光的強度、路燈的照明情況、功耗及故障情況的信息；也可以對路燈的光照強度進行測試和設(shè)置路燈的開關(guān)時間。

（4）存儲工作運行數(shù)據(jù)

系統(tǒng)在工作的時候，數(shù)據(jù)庫中儲存了由下位機傳來的路燈信息和報警信息，同時，保存在數(shù)據(jù)庫中的信息還有街道及路燈的配置信息，這樣可以方便用戶導出和打印這些信息。

3 系統(tǒng)功能測試

利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有自組網(wǎng)的能力，在測試的時候做了一個最小系統(tǒng)。該最小系統(tǒng)由一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點和3個路由器節(jié)點組成，系統(tǒng)在一般情況下是處于休眠狀態(tài)的，只有中斷發(fā)生時才激活節(jié)點進行工作，本系統(tǒng)采用了主從的工作方式。將路燈高度和路燈之間的距離分別設(shè)置為 0.7 m和0.8 m，情況如圖 5、圖6所示。

圖5 路燈1微亮，2、3全亮

圖6 路燈1、2微亮，路燈3全亮

圖5顯示的是當小車運行到路燈2位置時的狀態(tài)。此時，路燈2由微亮轉(zhuǎn)為全亮，并告知行駛過的路燈1由全亮轉(zhuǎn)為微亮。當小車繼續(xù)前行進入3號節(jié)點的熱釋電紅外傳感范圍時，3號燈就會由微亮轉(zhuǎn)為全亮，此時如果2號節(jié)點沒有檢測到車流或人流信息就會由全亮轉(zhuǎn)為微亮，情況如圖6所示。若1號節(jié)點熱釋電紅外傳感器檢測不到人流或車流信號又接收到了前方路燈發(fā)來的信號，該路燈就會由全亮轉(zhuǎn)為微亮。

本設(shè)計利用了ZigBee技術(shù)實現(xiàn)了路燈控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化管理。該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)具有許多優(yōu)點，包括擴展靈活、易于安裝、操作界面友好以及管理方便等。該系統(tǒng)不僅節(jié)約電能，減少了浪費，而且也實現(xiàn)了照明系統(tǒng)的信息化和智能化管理，具有很好的發(fā)展前景。

[1]林方鍵，胥布工.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路燈節(jié)能控制系統(tǒng)[J].控制工程，2009，16（3）：324-326.

[2]審利民，翁桂鵬.基于ZigBee的智能小區(qū)LED路燈控制系統(tǒng)設(shè)計[J].中國照明電器，2010（2）：26-29.

[3]康學娟，景軍鋒.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路燈節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（23）：204-206.

[4]劉鵬，宋迪，牛斗.基于 CC2480的 ZigBee無線節(jié)能路燈系統(tǒng)[J].通信技術(shù)，2009，42（1）：331-332.

[5]王海濤，朱兆優(yōu).基于ZigBee的LED節(jié)能街燈控制系統(tǒng)[J].華東理工大學學報，2009，32（4）：394-396.