LED路燈智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

辛智廣+于春榮+王樹彬

摘 要 隨著建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會理念的不斷深入，我國在各個(gè)方面加強(qiáng)降低能耗的建設(shè)。在照明系統(tǒng)中，LED路燈因具有反應(yīng)快、能耗低等諸多優(yōu)勢，已經(jīng)成為了光源選擇的首要考慮對象。為了能夠更好的發(fā)揮出LED路燈的作用，本文從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的角度進(jìn)行LED路燈智能控制系統(tǒng)的研究，最終經(jīng)過調(diào)試使得LED路燈能夠在完成檢測基本要求下實(shí)現(xiàn)點(diǎn)亮路燈、無線傳送信息、監(jiān)控中心接收信息等功能。

關(guān)鍵詞 LED路燈；智能控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

中圖分類號 TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）163-0178-01

LED是近些年出現(xiàn)的一種新的固體光源。傳統(tǒng)的照明燈具能耗高、發(fā)光效率低。LED燈借助無噪音、電壓可調(diào)等諸多優(yōu)勢在實(shí)際中的應(yīng)用越來越廣泛，特別是在城市道路照明上，作為一種綠色光源LED燈在未來的發(fā)展前景良好。為了實(shí)現(xiàn)本次LED路燈智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，本文擬采用ZigBee無線通信技術(shù)作為技術(shù)支撐，完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 LED路燈智能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)關(guān)鍵器件主控芯片使用TI公司的ZigBee芯片CC2430，車輛檢測傳感器在綜合考慮超聲波檢測方式、激光檢測方式、視頻檢測方式、微波技術(shù)、紅外檢測方式等多種檢測方式，并進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)對比，最終確定使用微波技術(shù)，采用平面微帶多普勒雷達(dá)和外圍電子電路作為車輛檢測模塊。多普勒雷達(dá)型號最終確定為Agilis公司開發(fā)的HB100多普勒微波模塊。

1）電源電路。穩(wěn)定的電源是保證整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的一個(gè)基本條件[1]。在LED路燈智能控制系統(tǒng)中需要電源供電的主要有3個(gè)部分，包含ZigBee模塊、運(yùn)算放大器、比較器。其中ZigBee模塊需要3.3V穩(wěn)定電壓，運(yùn)算放大器、比較器需要5V穩(wěn)定電壓，因此使用三端穩(wěn)壓芯片LM1117。在ZigBee節(jié)點(diǎn)電路中，CC2430的集成化程度高，外圍電路只需要連接少量電阻、電容和電感等元件及晶振即可工作。運(yùn)算放大器選用LM358芯片。

2）微波檢測電路，車輛檢測雷達(dá)由傳感器模塊、多普勒信號調(diào)理電路、決策控制部分3部分組成[2]，本次設(shè)計(jì)采用的HB100多普勒移動傳感模塊采用微帶平面天線，微波振蕩源產(chǎn)生的X波段連續(xù)波等幅信號經(jīng)微帶發(fā)射天線向空間定向輻射，同時(shí)接收天線接收到運(yùn)動目標(biāo)反射的回?fù)苄盘?，?jīng)過低噪聲放大器放大后再通過混頻器與本振信號混頻，經(jīng)過中頻放大，檢波等處理方式，將能夠反映出目標(biāo)移動速度的多普勒頻率信號傳送到信號輸出端。在設(shè)計(jì)的過程中，需要注意的是HB100的脈沖供電電壓需要控制在4.75V～5.25V之間。

3）串口通信模塊，本次設(shè)計(jì)擬采用CC2430的USARTO接口作用于UART異步通信模式。在進(jìn)行串口電平轉(zhuǎn)換過程中，本次設(shè)計(jì)擬采用MAXIM公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的MAX232芯片，使用三根線（接收、發(fā)送、地線）完成串口通信。

4）光敏電阻采樣電路，本次設(shè)計(jì)使用光敏電子作為模擬信號的輸入，利用ADC通道進(jìn)行單次采樣，連接AD，用來采樣環(huán)境亮度信息。

5）路燈控制模塊，其結(jié)構(gòu)為CC2430→光耦隔離單元→繼電器單元→受控路燈。

在完成了整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)構(gòu)思后，下一步進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。

2 LED路燈智能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)是在TI公司的ZStack-1.4.2-1.1.0協(xié)議棧開發(fā)包提供的項(xiàng)目模板創(chuàng)建的工程文件。

1）微波檢測模塊，由于只有足夠多過零點(diǎn)數(shù)的信號才能夠被認(rèn)為是有效信號，因此需要確定得到多普勒信號的過零點(diǎn)數(shù)和過零點(diǎn)的時(shí)間間隔，才能夠確定多普勒頻度，同時(shí)還需要判斷信號是否具有足夠多的過零點(diǎn)數(shù)。另外，路燈控制設(shè)計(jì)需要有效控制路燈的滅亮，避免對駕駛員行車產(chǎn)生影響[3]。

2）ZigBee設(shè)備包含協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的作用在于完成初始化協(xié)議棧、完成參數(shù)設(shè)置工作、建立網(wǎng)絡(luò)、分配網(wǎng)絡(luò)地址，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、固定周期查詢ZigBee監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集、接受監(jiān)控中心通過竄口發(fā)來的命令，根據(jù)命令完成相關(guān)處理等任務(wù)。路由節(jié)點(diǎn)主要完成搜索網(wǎng)絡(luò)，加入網(wǎng)絡(luò)、收集傳感器數(shù)據(jù)、與相鄰節(jié)點(diǎn)通信控制路燈提前點(diǎn)亮、周期性將路燈工作狀態(tài)發(fā)送至協(xié)調(diào)器、接受協(xié)調(diào)器發(fā)送來的命令，并根據(jù)命令完成相關(guān)操作。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要的操作流程為：硬件初始化→協(xié)議棧初始化→建立網(wǎng)絡(luò)→處理接收到的幀→是否有節(jié)點(diǎn)請求加入（Y節(jié)點(diǎn)加入處理）→是否接收到數(shù)據(jù)幀（Y將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送上位機(jī)）→是否有上位機(jī)的命令（Y將上位機(jī)的命令發(fā)送至相關(guān)節(jié)點(diǎn)）。路由節(jié)點(diǎn)的操作流程為：硬件初始化→協(xié)議棧初始化→加入網(wǎng)絡(luò)→發(fā)送和接收網(wǎng)絡(luò)幀→根據(jù)網(wǎng)絡(luò)幀和傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行路燈控制決策→是否有協(xié)調(diào)器的命令幀（Y處理協(xié)調(diào)器命令）→是否有車輛進(jìn)入檢測范圍（Y估算車速、向下一節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀）→周期性的將路燈工作狀態(tài)發(fā)送上位機(jī)。

3）關(guān)于上位機(jī)監(jiān)控軟件，本次擬采用Microsoft的Visual？Studio2008集成開發(fā)平臺，使用SQLite進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理操作。該軟件的主要任務(wù)是接受ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器傳送的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析并通過圖形化方式顯示其中信息[4]。

3 LED路燈智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果調(diào)試

設(shè)計(jì)完成的LED路燈智能控制系統(tǒng)只有經(jīng)過調(diào)試才能夠了解系統(tǒng)是否能夠正常運(yùn)行。針對微波模塊的調(diào)試，主要驗(yàn)證多普勒模塊是否能夠正常接收回?fù)苄盘柌⑤敵龆嗥绽招盘?，完成多普勒雷達(dá)能夠正常工作、回?fù)苄盘柲軌驖M足多普勒頻率公式、信號噪聲是否在限值內(nèi)、放大調(diào)理后的信號是否滿足單片機(jī)IO要求。調(diào)試過程為：在PCB電路板的相應(yīng)位置焊接對應(yīng)的元器件→調(diào)節(jié)PW電路中的電位器→對放大電路進(jìn)行逐漸調(diào)試。利用示波器觀察輸出波形的幅值和頻率。

針對雷達(dá)的調(diào)試不僅需要考慮硬軟件設(shè)計(jì)問題，還需要考慮安裝高度、角度等[5]，同時(shí)還需要根據(jù)實(shí)際的道路狀況進(jìn)行設(shè)置。

4 結(jié)論

我國越來越發(fā)達(dá)的交通網(wǎng)絡(luò)，要求有著相應(yīng)規(guī)格的路燈控制系統(tǒng)，這一點(diǎn)為實(shí)現(xiàn)我國智能交通系統(tǒng)的建設(shè)有著積極意義。本次研究在經(jīng)過硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，并從用電效率和智能化角度作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，最終設(shè)計(jì)出一個(gè)LED路燈智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)用電效率高、智能化程度高，符合目前合理利用電力資源的要求，具有良好的商業(yè)前景。

參考文獻(xiàn)

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[2]甘本鑫，徐少明，蘇紅艷.基于單片機(jī)的LED路燈模擬控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，29（3）：205-207.

[3]喻春雨，孔凌歷，何春舅，張盛東.基于RFID技術(shù)的LED路燈智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國照明電器，2011，27（6）：13-15.

[4]馬騰，李淵，李寶營，等.LED路燈智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，26（1）：75-78.

[5]經(jīng)偉，許堃，余建波.基于GPRS和ZigBee的節(jié)能型LED路燈智能控制系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2015，28（5）：1538-1541.