基于ZigBee和無線傳感器設備的路燈遠程控制系統(tǒng)

鄭繼亭

（長安大學 信息與網(wǎng)絡管理處，陜西 西安 710064）

0 引 言

照明系統(tǒng)，特別是公共部門的照明系統(tǒng)仍在按照舊的可靠性標準進行設計，尚未使用最新技術，造成這一現(xiàn)象的原因與尚未恢復現(xiàn)有設施建設費用的工廠管理人員有關。然而，由于與原材料成本相關的壓力越來越大以及對環(huán)境問題的社會敏感度越來越高，促使制造商開發(fā)新技術，以節(jié)約成本、保護環(huán)境。發(fā)光二極管亮度較高，比一般的燈節(jié)省約80%以上的電量，降低了能源費用，且耐沖擊，抗震能力強，符合環(huán)保要求[1]。發(fā)光二極管為直流工作，不會出現(xiàn)頻閃現(xiàn)象，亮度和使用壽命不會受電壓波動的影響。路燈燈柱采用新型技術實現(xiàn)智能遠程控制，將路燈信息發(fā)送到后臺信息中心后進行集中管理，從而簡化管理和維護程序。同時盡可能采用可再生能源，減少環(huán)境污染。

隨著新能源技術的發(fā)展，國內(nèi)外專家學者開展了對路燈控制系統(tǒng)的研究。Coata等人[2]基于發(fā)光二極管的特性設計了一種基于LED的高級街道照明系統(tǒng)；Chen等人[3]利用通用分組無線業(yè)務（GPRS）電力線載波或全球移動通信系統(tǒng)（GSM）開發(fā)了路燈系統(tǒng)；張凌敏[4]采用GPRS通信技術、ZigBee技術和傳感器技術等設計了一套基于物聯(lián)網(wǎng)控制的智能控制系統(tǒng)；楊揚等人[5]提出了一種基于Netty的智慧路燈管理系統(tǒng)，結合云平臺實現(xiàn)智能化管理和數(shù)據(jù)回傳；耿秋明等人[6]設計了基于ZigBee無線通信協(xié)議的路燈控制系統(tǒng)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)路燈的遠程控制分組及對信息的采集。高紅云等人[7]設計了基于無線通信協(xié)議ZigBee的路燈控制系統(tǒng)。路燈控制方式分為微波雷達移動物體檢測、環(huán)境光檢測及時間設定等，能夠?qū)崿F(xiàn)路燈遠程控制、自動調(diào)光、故障檢測及定位等功能。

路燈照明系統(tǒng)可以對管轄范圍內(nèi)的所有路燈進行集中控制、實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、異常智能分析及故障報警等，杜絕因設備老化及丟失產(chǎn)生的問題，同時還可以實現(xiàn)路燈管網(wǎng)和其他設施配置的信息化管理，以滿足后續(xù)用戶需求升級。本文設計了一個由LED光源、太陽能電池板和電池供電并進行遠程控制管理的智能燈柱。通過傳感器網(wǎng)絡實施控制，收集與系統(tǒng)管理、維護有關的信息，使用ZigBee協(xié)議進行無線傳輸。

1 路燈遠程控制系統(tǒng)設計

路燈遠程控制系統(tǒng)由街道上的一組觀測站（每個燈柱配有一個監(jiān)測站）和附近建筑物中的基站組成。這是一個模塊化系統(tǒng)，可輕松擴展。監(jiān)測站監(jiān)測街道狀況和陽光強度，并據(jù)此決定打開或關閉路燈。這些條件取決于該路燈所在的街道以及街道某一點的太陽輻射模式，并常常根據(jù)天氣狀況、季節(jié)、地理位置以及其他因素變化。每盞路燈是完全獨立的照明管理系統(tǒng)。街道觀測站檢查路燈是否正常工作并通過無線網(wǎng)絡將信息發(fā)送到基站進行數(shù)據(jù)處理。一旦檢測到任何故障，將通過圖形界面通知工程師及時采取糾正措施。

1.1 硬件系統(tǒng)裝置

1.1.1 監(jiān)測站

每個路燈中的監(jiān)測站均由多個模塊組成，即節(jié)能傳感器、光傳感器、故障傳感器和應急開關，如圖1所示。這些設備工作后將所有信息傳送給微控制器進行數(shù)據(jù)處理，并自動設置適當?shù)牟僮鬟^程。信息傳輸?shù)膬?yōu)先級被分配給每個傳感器，例如，緊急開關優(yōu)先于任何其他設備。

（1）節(jié)能傳感器：節(jié)能傳感器用于識別車輛或行人是否通過，輸入信息打開一盞燈或一組燈。該功能取決于街道的模式：如果街道沒有十字路口，則一個傳感器便足夠；如果是雙向街道，則街道盡頭各需一個傳感器；對于需要更精確控制的街道來說，需要選擇使用多個節(jié)能傳感器的解決方案。該功能僅在需要時才開燈，避免能源浪費。傳感器是否能夠發(fā)揮用處的關鍵在于是否正確安裝。傳感器應放置在最佳高度，不可過低（避免小動物的干擾造成錯誤檢測），也不能太高（避免檢測不到小孩）。對傳感器布局的研究可根據(jù)用戶的需求決定最佳高度，并考慮系統(tǒng)工作的具體環(huán)境。在現(xiàn)場測試過程中，發(fā)現(xiàn)SE-10 PIR運動傳感器性能良好，價格實惠。

圖1 監(jiān)測站的組成模塊

（2）光傳感器：光傳感器可以測量陽光的亮度并提供信息。測量的目的在于按照法規(guī)要求確保街道照明的最低水平。傳感器必須在可見光譜中具有高靈敏度，并為低亮度時的燈具提供足夠高的光電流。因此，本系統(tǒng)選擇光電晶體管TEPT5700?；跍y量的亮度，微控制器控制路燈以保持恒定的照度水平。白天無需這種操作，但在清晨和黃昏時，雖無需路燈完全照明，但需要對陽光進行輔助照明。這種模式可大幅節(jié)省電力，此時路燈由傳感器和微控制器組合操作進行調(diào)節(jié)以確保所需的最小照度。

（3）操作控制：該傳感器有助于改善故障管理和系統(tǒng)維護。此類傳感器（如霍爾傳感器）可根據(jù)實況決定是否開燈。將識別參數(shù)與存儲數(shù)據(jù)進行比較（白天路燈處于關閉狀態(tài)，傳感器會錯誤地檢測到故障，但由于附加的邏輯功能，微控制器不報告故障），方便系統(tǒng)識別是否誤報。這些信息通過ZigBee網(wǎng)絡報告給站臺控制單元，操作員得知故障燈的位置并發(fā)送技術信息處理該故障。系統(tǒng)電流為1.5 A，因此需要一個適合檢測該電流的傳感器。一個合適的閾值檢測燈的電流被設置在1～1.5 A之間。本系統(tǒng)選擇的傳感器為ACS756[8]，這是一種用于交流或直流電流檢測的經(jīng)濟且精確的傳感器，適用于通信系統(tǒng)。這款傳感器可以在微控制器的存儲器中存儲正常工作條件下路燈中、的電流值，從而實現(xiàn)在線功耗測量功能。

（4）應急設備：該系統(tǒng)有一個緊急按鈕，可在緊急情況下使用。該裝置處在傳感器系統(tǒng)之外，可立即打開路燈，指示燈將保持開啟預設時間，之后再次按下該按鈕，防止系統(tǒng)在必要使用結束后被意外激活。應急設備白天不工作，無需人造光源。

1.1.2 基地控制站

基地控制站是系統(tǒng)的樞紐，可對照明系統(tǒng)實現(xiàn)可視化。傳輸系統(tǒng)由ZigBee設備組成，該設備接收有關路燈的狀態(tài)信息后將其發(fā)送到終端。處理單元由帶有串行通用異步接收器-發(fā)送器（UART）接口的終端組成，該接口接收由ZigBee設備提供的燈的狀態(tài)信息。終端采用圖形界面顯示結果。此外，路燈的操作數(shù)據(jù)與路燈地址有關，因此，所有故障極易被識別。圖形界面能夠利用路燈狀態(tài)和每個路燈的功耗來監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)。該方案還配備有一個管理系統(tǒng)，用于在系統(tǒng)描述完成后在燈柱無通信的情況下進行通信。

1.1.3 ZigBee網(wǎng)絡

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的無線通信技術，用于無線個人區(qū)域網(wǎng)絡（WPAN）中多個設備之間的通信[9]。就成本而言，ZigBee比其他WPAN（例如藍牙）更實惠，能源消耗低。ZigBee個人區(qū)域網(wǎng)絡（ZBPAN）由至少一個協(xié)調(diào)器，一個（或多個）終端設備和一個（或多個）路由器組成。協(xié)調(diào)器選擇通道，在開始通信時創(chuàng)建網(wǎng)絡，然后路由器或終端設備加入網(wǎng)絡。根據(jù)環(huán)境條件和傳輸功率，ZigBee傳輸范圍的典型距離從幾十米變?yōu)閹装倜?，且傳輸功率保持在盡可能低的水平（毫瓦級），以降低能耗[10]。

在本文提出的系統(tǒng)中，網(wǎng)絡將信息從燈柱傳輸?shù)交尽Ｏ⑦M行逐點傳送，從一個燈柱到另一個燈柱，每個燈柱在系統(tǒng)中有唯一的地址。且每個燈柱只能將消息發(fā)送到最近的一個燈柱，直到消息到達基站。因此，傳輸功率被限制在所需的低值，同時燈柱所提供的信號不會相互干擾。

如果一盞燈發(fā)生故障，燈柱之間所選的傳輸距離可確保信號能夠到達下一個工作燈柱而不會斷鏈。ZigBee無線通信網(wǎng)絡已開始使用Digi-MaxStream射頻模塊（稱為XBee模塊，包括標準版和Pro版）。標準XBee模塊在室內(nèi)有數(shù)十米的運行范圍，室外有數(shù)百米的運行范圍，而XBee Pro模塊在室內(nèi)的運行范圍達數(shù)百米，戶外約有1.5 km的擴展距離。Pro模塊雖具有較高的發(fā)射功率，但也會耗費更高的功耗（約為標準版本的三倍）。

接收器具有非常高的靈敏度和較低的接收損壞分組概率（小于1%）。模塊由3 V直流電源供電，在上行鏈路中，電流消耗約為50 mA（對于XBee）和150～200 mA（對于XBeePro），在下行鏈路中的電流消耗約為50 mA（對于兩種版本都相同）；此外，它們支持睡眠模式，消耗電流小于10 A。XBee模塊分布在三個版本的天線中，帶有片上天線，導線天線以及用于外部天線的集成連接器。

1.2 軟件系統(tǒng)設計

傳感器將收集到的信息傳送給運行軟件的控制器進行分析。圖2所示為控制軟件流程圖。初始設置完成后，光傳感器檢測當前光照強度，只有陽光照明低于某一固定閾值時，系統(tǒng)才會激活微控制器對路燈進行控制。在這種情況下，系統(tǒng)會讀取緊急按鈕的狀態(tài)，當緊急按鈕被啟動時，路燈開啟。否則，檢測當前狀態(tài)是否有車輛或行人通行，如果有車輛和行人通過，則開啟路燈。路燈打開后，操作傳感器開始監(jiān)控，并在故障檢測的同時將警報發(fā)送至控制中心。如果未檢測到故障，則微控制器通過霍爾傳感器存儲當前值來測量電流。操作由定時器調(diào)節(jié)，該定時器能夠使系統(tǒng)工作預定的時間。停止輸入后，路燈關閉并重新啟動循環(huán)。

圖2 控制軟件流程圖

2 結 語

本文介紹了一種智能路燈控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了新技術以提高效率、節(jié)約成本，通過結合太陽能電池板與高效LED技術實現(xiàn)，其中能量成本與電力供應價格無關，只需通過控制系統(tǒng)接通燈對燈柱進行智能管理即可。只在必要時開啟路燈照明，延長了路燈的使用壽命?？刂葡到y(tǒng)的另一個優(yōu)點是通過ZigBee無線通信技術將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心對燈柱進行智能管理。系統(tǒng)維護可通過控制中心輕松、高效地規(guī)劃，節(jié)省額外支出。

所提出的系統(tǒng)適用于交通低于特定時間范圍的城市和農(nóng)村地區(qū)的街道照明。電力供應網(wǎng)絡的獨立性使其能夠在裝置極其昂貴的偏遠地區(qū)安裝該系統(tǒng)。系統(tǒng)靈活，可擴展，極大地滿足了用戶需求。未來，系統(tǒng)還可監(jiān)測電力系統(tǒng)的負載，實現(xiàn)對能源消耗的監(jiān)控。此外，在計費和遠程控制負載的智能管理以及智能電網(wǎng)和智能計量應用中，都會有新的發(fā)展。