基于低功耗自組傳感網(wǎng)智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

張錦濤，張翰宗，張文德

（西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院，710126）

0 引言

城市智能照明系統(tǒng)是智能交通系統(tǒng)重要組成部分。利用智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠有效提高如何節(jié)約能源，提高路燈能源的利用率并對(duì)路燈進(jìn)行自動(dòng)化、智能化的管理等急需解決的問題。

ZigBee 技術(shù)以其低功耗、通信可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)為路燈自動(dòng)控制領(lǐng)域提供了較合適的解決方案。而基于ZigBee 自組網(wǎng)的LED 智能照明控制系統(tǒng)是將ZigBee 在短距離無線傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)與LED 照明壽命長(zhǎng)和節(jié)能的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合。具有安全、智能、便于控制、方便維護(hù)等特點(diǎn)。

本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的交通照明控制系統(tǒng)。利用用ZigBee 技術(shù)與新型傳感器、功率控制器及LED 路燈相結(jié)合，完成對(duì)城市路燈照明系統(tǒng)的集中監(jiān)控。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

對(duì)路燈來說，其照明作用是最主要的，其它傳感器是為了輔助路燈而設(shè)計(jì)的，用來實(shí)現(xiàn)更好的照明效果或減少不必要的資源浪費(fèi)。因此，傳感器的選擇比較關(guān)鍵。本系統(tǒng)涉及的傳感器有人體熱釋電紅外傳感器、tsl2561 亮度傳感器。路燈節(jié)點(diǎn)主要由LED燈具、蓄電池、LED 穩(wěn)壓電路、故障檢測(cè)電路、微控制器、ZigBee無線數(shù)傳模塊及其它外圍傳感器模塊構(gòu)成，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如下圖1 所示。

本系統(tǒng)路燈的工作模式共三種：分別為白天模式、夜晚模式和午夜模式。在主控平臺(tái)進(jìn)行工作模式的選擇，工作模式由外界環(huán)境來設(shè)定。

白天正常模式下，當(dāng)環(huán)境亮度強(qiáng)到一定光強(qiáng)值時(shí)，不再需要路燈照明，此時(shí)路燈將處于關(guān)閉狀態(tài)；特殊情況下，如陰雨或大霧天氣時(shí)，只需在主控平臺(tái)進(jìn)行設(shè)置，使路燈打開，即可應(yīng)對(duì)各種突發(fā)情形。

夜晚模式下，路燈會(huì)根據(jù)設(shè)定的光強(qiáng)值進(jìn)行判斷，當(dāng)環(huán)境亮度小于所設(shè)定的光強(qiáng)時(shí)，路燈開啟，并將路燈的狀態(tài)通過無線數(shù)傳模塊發(fā)送到主控平臺(tái)，在主控平臺(tái)的界面上就可隨時(shí)觀測(cè)路燈狀態(tài)。一旦此時(shí)路燈突然關(guān)閉，將會(huì)實(shí)現(xiàn)自檢功能，將檢修的信息發(fā)送到主控平臺(tái)，主控平臺(tái)通過對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可將有問題的路燈信息通過GSM 模塊發(fā)送到路燈維修人員的手機(jī)上，以實(shí)現(xiàn)路燈的及時(shí)維護(hù)。

在午夜模式下，主控平臺(tái)會(huì)根據(jù)電腦系統(tǒng)時(shí)間定時(shí)關(guān)閉路燈，以節(jié)約電能。主控平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)如下圖2 所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制部分

2.1.1 主控制器單元

主控平臺(tái)用LCD12864 液晶輔助顯示路燈實(shí)時(shí)狀態(tài)信息。中央處理器用Arduino MEGA2560 單片機(jī)處理路燈實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息。MEGA2560 的處理器核心是ATmega2560，同時(shí)具有54 路數(shù)字輸入/輸出口（其中16 路可作為PWM 輸出），還具有16 路模擬輸入，4 路UART 接口，采用16MHz 的晶體振蕩器，兼容Arduino UNO 設(shè)計(jì)的擴(kuò)展板。片上資源可以滿足單路燈節(jié)點(diǎn)照明的需求，并為后續(xù)在路燈上開發(fā)新應(yīng)用提供了較大的選擇空間。

2.1.2 故障監(jiān)測(cè)

本系統(tǒng)是通過路燈外部傳感器配合微控制器來控制路燈的狀態(tài)，因此路燈故障的監(jiān)測(cè)也更為復(fù)雜。要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障監(jiān)測(cè)，需要可正常工作的無線模塊，若不能監(jiān)測(cè)到無線模塊傳回的數(shù)據(jù)，則問題可能出現(xiàn)在供電或模塊損壞上。

計(jì)算公式為：checkDATA=0xFF -(type) -(DATA)

路燈出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)向主控平臺(tái)發(fā)送類似數(shù)據(jù)：

主控平臺(tái)對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，將收到幀數(shù)據(jù)的后三個(gè)字節(jié)的值求和，并進(jìn)行判斷，若為0xFF，則該幀數(shù)據(jù)有效；反之，該幀數(shù)據(jù)無效。通過簡(jiǎn)單的計(jì)算和判斷就可知道信息來源與信息數(shù)據(jù)以及信息的正確性。這樣便可大大的提高數(shù)據(jù)的可靠性與穩(wěn)定性。

2.1.3 故障報(bào)修

本系統(tǒng)采用華為公司的GTM900C 無線通信模塊來反饋故障信息，這是一款兩頻段GSM/GPRS 無線模塊，支持標(biāo)準(zhǔn)AT 命令及增強(qiáng)的AT 命令，可提供豐富的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等，支持Text 和PDU 格式的SMS（Short Message Service，短消息），可通過UART接口與單片機(jī)通信。

路燈管理人員通過液晶顯示屏可知道當(dāng)前路燈狀態(tài)。若路燈出現(xiàn)故障，微控制器將分析反饋回來的信息，將有故障的路燈信息顯示在液晶顯示屏上，并向指定的手機(jī)號(hào)碼發(fā)送短信，告知故障路燈信息。路燈維護(hù)人員通過短信即可知道路燈故障的原因，這將減少維修時(shí)間，提高維修效率。

2.2 無線通信(ZigBee)模塊

本系統(tǒng)ZigBee 模塊采用的是DIGI 公司生產(chǎn)的XBee S2 模塊，該模塊是一款超小型但功能完善的ZigBee 收發(fā)器，其接口簡(jiǎn)單，易于使用，具備防水、防雷和防沖擊的性能，并且可以滿足室外各路燈間的距離要求。是一款把ZigBee 協(xié)議內(nèi)置進(jìn)Flash里的ZigBee 模塊，其內(nèi)部已經(jīng)包含了所有外圍電路和完整協(xié)議棧，能夠立即投入使用。PC 上有專門的配置工具X-CTU，采用串口和用戶產(chǎn)品進(jìn)行通訊，并可以對(duì)模塊進(jìn)行發(fā)射功率，信道等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮?shù)的配置，使用起來簡(jiǎn)單快捷。本項(xiàng)目中XBee 模塊通過UART 接口直接與MEGA 2560 控制器的串口0 相應(yīng)管腳交叉相連。XBee 模塊的通信系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如下圖3 所示：

2.3 傳感器模塊

路燈上采用熱釋電紅外傳感器來檢測(cè)有無行人（行人檢測(cè)原理如下圖4 所示）。熱釋電紅外傳感器具有成本低、無需發(fā)射源、靈敏度高、可流動(dòng)安裝等特點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用中，在傳感器前加菲涅爾透鏡可以提高接受的靈敏度，增加檢測(cè)距離和范圍。實(shí)驗(yàn)證明，熱釋電紅外傳感器不加菲涅爾透鏡時(shí)檢測(cè)距離為2m；而配上菲涅爾透鏡后檢測(cè)距離可達(dá)到7m 以上。

路燈上的亮度檢測(cè)傳感器采用TAOS 公司推出的第二代光強(qiáng)數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TSL2561，其具有高速、低功耗、寬量程、可編程靈活配置等優(yōu)點(diǎn)。并且具有直接的I2C 接口，將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)

路燈節(jié)點(diǎn)的微控制器控制XBee 模塊與主控平臺(tái)保持實(shí)時(shí)信息交流（結(jié)構(gòu)如圖5 所示）。路燈開燈條件為亮度低于設(shè)定值且在路燈旁有人經(jīng)過時(shí)，則會(huì)自行打開路燈。當(dāng)路燈出現(xiàn)故障時(shí)，單片機(jī)便自行發(fā)送故障信息，及時(shí)告知路燈維護(hù)人員。

3.2 上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)

PC 機(jī)服務(wù)器采用QT 編寫程序，采用QT 是因?yàn)槠淇梢浦残愿吆屠诰帉懥己萌藱C(jī)界面的特點(diǎn)。本軟件結(jié)構(gòu)（圖6）以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為核心來實(shí)現(xiàn)功能，它要求能夠?qū)崟r(shí)地從協(xié)調(diào)器獲取數(shù)據(jù)，進(jìn)行運(yùn)算、顯示、故障報(bào)警等。該系統(tǒng)管理軟件有如下一些主要功能：主界面是對(duì)路燈的實(shí)時(shí)觀測(cè)，反饋路燈的狀態(tài)、運(yùn)行時(shí)間、環(huán)境光強(qiáng)、功耗等實(shí)時(shí)信息。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

制作了4個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)模型，在小范圍進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，通過PC智能路燈管理軟件遠(yuǎn)程操作可以完成三種模式的要求，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路燈信息，反饋給PC 軟件。

5 結(jié)束語

文章介紹了基于MEGA 2560 微控制器的智能LED 路燈控制系統(tǒng)，利用XBee S2 自組網(wǎng)與GSM 移動(dòng)通信相結(jié)合的通信網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)智能無線監(jiān)測(cè)路燈的功能，并自己設(shè)計(jì)開發(fā)了路燈管理軟件。通過本項(xiàng)目希望對(duì)以后新型路燈的設(shè)計(jì)能提供一個(gè)較好設(shè)計(jì)思路。

[1] 《基于Arduino Mega2560 單片機(jī)的簡(jiǎn)易智能割草機(jī)器人的設(shè)計(jì)》 劉南君，毛培宏

[2]《基于GSM 技術(shù)的LED 顯示屏無線數(shù)據(jù)傳輸接口設(shè)計(jì)》左小峰，姜平，周根榮，肖紅升

[3]《基于XBee 與GPRS/GSM 的智能抄表系統(tǒng)》肖振峰 袁榮湘

[4]《基于TSL2561 的無線光強(qiáng)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)》 楊明慧