基于ZigBee組網(wǎng)的自適應(yīng)道路照明系統(tǒng)

牛萍娟 羅德智 劉雷 郭云雷 李舒舒

關(guān)鍵詞： ZigBee組網(wǎng); 數(shù)據(jù)采集; 路燈控制; 智能化管理; 節(jié)能; 安全視距

中圖分類號： TN926+.23?34; TP212 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）04?0121?04

Self?adaption road lighting system based on ZigBee networking technology

NIU Pingjuan1， LUO Dezhi1， LIU Lei1， GUO Yunlei2， LI Shushu2

（1. School of Electrical Engineering & Automation， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China;

2. School of Electronics & Information Engineering， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China）

Abstract： In order to solve the problem of lack of intelligent management of road lighting system， the intelligent networking technology of ZigBee is studied， and the networking technology is applied to the design of the road lighting management system. The efficient integrated networking of the related equipments for a whole street is carried out to construct an efficient adaptive road lighting system and improve the intelligentization level of road facilities. The system can detect conditions of vehicles and pedestrians on the street and adjust the status of street lamps automatically according to the environment brightness， and determine how many street lamps should be turned on according the speed of vehicles on the street to keep the safety lighting range in front of cars to be completely covered in the safe sight distance of drivers and achieve adaptive lighting of street lamps.

Keywords： ZigBee networking; data acquisition; street light control; intelligent management; energy saving; safe sight distance

道路照明系統(tǒng)作為城市公共基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，在不斷推進(jìn)城鎮(zhèn)化建設(shè)的過程中，道路照明系統(tǒng)安裝的路燈數(shù)量持續(xù)增加，能源的消耗也越來越多。而且大部分系統(tǒng)仍然采用傳統(tǒng)的人工控制或定時控制，出現(xiàn)了需要照明的地方燈卻不亮，不需要照明的地方燈卻很亮的情況，這樣的設(shè)計規(guī)劃操作不變、維修實時性差、控制線路成本高[1?2]、浪費能源。從以上道路照明系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀來看，有必要設(shè)計出管理效率更高和節(jié)能效果更好的自適應(yīng)道路照明系統(tǒng)，使其變得更加智能化和綠色節(jié)能。本文基于ZigBee智能組網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了一套智能化程度高、節(jié)能效果顯著、設(shè)備布置靈活[3]、維護(hù)方便的自適應(yīng)道路照明系統(tǒng)。從道路照明系統(tǒng)的成本、智能化、應(yīng)用前景等多方面衡量，采用ZigBee智能組網(wǎng)技術(shù)設(shè)計的道路照明管理系統(tǒng)，充分利用了ZigBee智能組網(wǎng)、自恢復(fù)技術(shù)建立無線網(wǎng)絡(luò)和功耗低、復(fù)雜度低、時延短、網(wǎng)絡(luò)總?cè)萘看蟮葍?yōu)勢，使照明管理系統(tǒng)越來越智能化和節(jié)能。

1 ?系統(tǒng)總體方案

1.1 ?ZigBee組網(wǎng)技術(shù)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)是一種自組織網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部是通過16位短地址或者64位IEEE地址通信，與其他網(wǎng)絡(luò)不能直接通信[4]。ZigBee能夠組建3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)擁有更為靈活的信息路由方式，在允許的情形下，路由器相互能夠直接通信，通過路由節(jié)點的路由表來完成消息的網(wǎng)狀路由功能。上述路由機制讓信息的通信效率變得更高，且設(shè)備間可以對等通信;一旦某個路由路徑在傳輸過程發(fā)生錯誤，信息就會自動地尋找別的路由路徑進(jìn)行傳輸。ZigBee執(zhí)行的是基于AODV （Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing）專用網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議。該協(xié)議有助于網(wǎng)絡(luò)處理連接失敗和數(shù)據(jù)包丟失等問題。因此，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，將整個道路的有關(guān)設(shè)備進(jìn)行高效集成組網(wǎng);且其具有自組織、自修復(fù)能力，魯棒性強，適合應(yīng)用在工業(yè)控制和檢測、分布范圍廣的環(huán)境[5]?；诖?，本系統(tǒng)采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)，如圖1所示。

1.2 ?系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其包含PC機、ZigBee無線通信模塊、光照強度傳感器、人體紅外傳感器和車輛探測器; ZigBee節(jié)點間使用無線網(wǎng)絡(luò)連接，采用ZStack協(xié)議進(jìn)行通信;PC機與ZigBee協(xié)調(diào)器使用RS 232串口進(jìn)行通信，并在PC機上顯示環(huán)境數(shù)據(jù)和路燈狀態(tài)。由于ZigBee無線通信模塊處理ZigBee協(xié)議的芯片內(nèi)部集成了微控制器[6]，故各終端節(jié)點均可直接作為控制器。終端節(jié)點連接傳感器及路燈驅(qū)動功率開關(guān)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和路燈自適應(yīng)控制。

本系統(tǒng)通過分析傳感器采集到的信息，并依據(jù)程序預(yù)設(shè)的條件值，來控制路燈的自動開啟或關(guān)閉;并且可以在不同光照強度下調(diào)節(jié)燈光的亮度，實現(xiàn)路燈的自適應(yīng)控制與節(jié)能管理。以路燈作為主要控制對象，利用傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動控制技術(shù)、軟件技術(shù)[7]，以及ZigBee智能自組網(wǎng)和自恢復(fù)技術(shù)將道路有關(guān)設(shè)施進(jìn)行高效集成組網(wǎng)，構(gòu)建高效的自適應(yīng)道路照明系統(tǒng)，提升道路設(shè)施的智能化、安全、便利、舒適度;并實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的綜合道路網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)控制平臺。當(dāng)路燈附近有車或人經(jīng)過時，路燈能夠自動開啟并調(diào)節(jié)合適的亮度;并可以根據(jù)檢測到的車速確定需要開啟路燈的數(shù)量，保持汽車前方的路燈照明范圍能夠完全覆蓋駕駛員的安全視距，滿足駕駛員及行人的照明需求。當(dāng)汽車和行人經(jīng)過后路燈能夠自動關(guān)閉相應(yīng)路燈，減少不必要的能源消耗。

2 ?ZigBee組網(wǎng)與硬件設(shè)計

2.1 ?ZigBee組網(wǎng)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)是由協(xié)調(diào)器建立的，構(gòu)建過程包含網(wǎng)絡(luò)的初始化和節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，其他節(jié)點申請加入網(wǎng)絡(luò)需要通過協(xié)調(diào)器或已有父節(jié)點連接入網(wǎng)。當(dāng)節(jié)點監(jiān)測到附近有網(wǎng)絡(luò)時，能夠自動向最近的協(xié)調(diào)器或父路由申請加入網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)之后，將獲取本身的網(wǎng)絡(luò)地址信息，發(fā)送給協(xié)調(diào)器。入網(wǎng)申請時路由節(jié)點和終端節(jié)點都需要進(jìn)行相應(yīng)的配置。

協(xié)調(diào)器作為整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心部分，主要的功能是組建網(wǎng)絡(luò)、傳輸網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)和管理整個網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點，以及將網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的信息進(jìn)行存儲，而且還能夠提供網(wǎng)絡(luò)中有關(guān)聯(lián)節(jié)點間的路由信息。將協(xié)調(diào)器放置在整個管理系統(tǒng)的中心與PC機連接通信，可以將整個道路照明系統(tǒng)的信息在PC機上顯示，方便管理人員進(jìn)行監(jiān)控和管理。

路由器節(jié)點的主要作用是協(xié)助其他設(shè)備申請入網(wǎng)、進(jìn)行數(shù)據(jù)跳轉(zhuǎn)和協(xié)助子終端節(jié)點進(jìn)行通信。根據(jù)實際設(shè)計需求可以在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中分配多個路由器連接足夠數(shù)量的終端，滿足照明系統(tǒng)的組網(wǎng)需求。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，減少節(jié)點的傳輸能量、延遲全網(wǎng)的使用周期是關(guān)鍵問題之一，采用鄰節(jié)點尋找目的節(jié)點的路由選擇算法，能夠減少從源節(jié)點到目的節(jié)點的傳輸跳數(shù)，節(jié)約傳輸能量[8]，從而能夠降低整個網(wǎng)絡(luò)的能耗。

終端模塊主要是接收中央控制器通過ZigBee模塊發(fā)來的命令，同時解析命令，并進(jìn)行相應(yīng)操作[9]。它是具體執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和控制路燈的設(shè)備，根據(jù)需求可以在終端節(jié)點連接傳感器或路燈驅(qū)動功率開關(guān)，進(jìn)行環(huán)境信息采集和路燈的自適應(yīng)控制。終端在大部分時間都會被設(shè)置為低功耗休眠模式。

2.2 ?亮度采集模塊電路設(shè)計

高度采集模塊圖如圖3所示。亮度采集模塊中R8，R16和R17為保護(hù)電阻，可以防止電流太大導(dǎo)致LM324的引腳燒壞。R1和R5，R2和R6，R3和R7分別為光敏電阻RL1，RL2，RL3的分壓電阻;在不同的光照強度下GM1，GM2和GM3采集到光敏電阻的電壓值不同。用戶可以根據(jù)實際需求，通過調(diào)節(jié)電位器RP1，RP2和RP3的阻值改變它們的電壓; LM324通過內(nèi)部比較器將電位器電壓與采集到的光敏電阻電壓值做比較后，分別輸出三路不同的高電平給控制器，從而控制器可以將系統(tǒng)的照明方式劃分為：A為關(guān)燈;B為可調(diào)照明;C為全功率照明。當(dāng)處于A模式時，照明系統(tǒng)會自動將所有路燈和傳感器關(guān)閉（光照強度傳感器除外，其是決定整個系統(tǒng)是否工作的觸發(fā)條件，需要一直保持工作狀態(tài)），起到節(jié)約能源的作用;當(dāng)處于B模式時，照明系統(tǒng)會自動開啟相應(yīng)的路燈和傳感器，并根據(jù)環(huán)境的光照強度調(diào)節(jié)路燈的亮度;當(dāng)處于C模式時，照明系統(tǒng)會自動開啟相應(yīng)的路燈和傳感器，并將路燈的亮度調(diào)節(jié)到最大值。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計與開發(fā)

3.1 ?ZigBee軟件設(shè)計與開發(fā)

協(xié)議棧是協(xié)議的實現(xiàn)，是ZigBee程序開發(fā)和設(shè)計的主要部分。程序設(shè)計工程根據(jù)系統(tǒng)的實際應(yīng)用，確定數(shù)據(jù)傳輸路徑、存儲和處理的方式，以及系統(tǒng)設(shè)備之間的通信順序。當(dāng)某個節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，該節(jié)點程序就會調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)，完成數(shù)據(jù)的無線傳輸。當(dāng)某個節(jié)點需要接收數(shù)據(jù)時，該節(jié)點就會調(diào)用數(shù)據(jù)接收函數(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線接收。當(dāng)設(shè)備不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，就會調(diào)用睡眠函數(shù)讓設(shè)備處于休眠狀態(tài);當(dāng)設(shè)備需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時就會調(diào)用相應(yīng)函數(shù)。ZigBee無線通信的所有任務(wù)函數(shù)和路燈控制程序都在OSAL操作系統(tǒng)上運行， OSAL可以根據(jù)各個任務(wù)的事件觸發(fā)條件來實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。

ZigBee無線通信模塊啟動后需要先進(jìn)行程序初始化工作，具體有芯片程序初始化、協(xié)議棧程序初始化、串口程序初始化和硬件程序初始化等。其中芯片、協(xié)議棧和串口程序的初始化工作都能夠調(diào)用協(xié)議棧程序中的初始化函數(shù)來實現(xiàn)，硬件程序初始化函數(shù)則需要根據(jù)實際應(yīng)用電路的設(shè)計進(jìn)行適當(dāng)裁剪，使其符合實際的需求。協(xié)議棧程序執(zhí)行的整個過程是由OS（Operating System）貫穿的，所有程序初始化工作結(jié)束后，就會通過osal_strar_system（）函數(shù)進(jìn)入到OS。在程序執(zhí)行所有任務(wù)的過程中，該函數(shù)作為主循環(huán)函數(shù)，會執(zhí)行檢查全部任務(wù)事件的工作，并調(diào)用相應(yīng)任務(wù)事件的處理函數(shù)來處理該任務(wù)事件。

3.2 ?數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計與開發(fā)

由于整個管理系統(tǒng)對路燈的控制方式都是由環(huán)境的光照強度決定，所以需要光照強度傳感器始終處于工作狀態(tài)。當(dāng)路口的人體紅外傳感器和車輛探測器檢測到汽車或行人時，系統(tǒng)才會開啟其他需要開啟的傳感器;平時則將它們設(shè)置為睡眠模式，降低整個網(wǎng)絡(luò)的能耗。因此，各個路口的汽車探測器和人體紅外傳感器，也需要始終保持工作狀態(tài)，因為這是其他路燈進(jìn)入工作狀態(tài)的觸發(fā)條件，而其他傳感器在沒有被觸發(fā)前保持睡眠模式。連接有傳感器的終端節(jié)點申請加入網(wǎng)絡(luò)成功后，協(xié)調(diào)器通過RS 232串口給PC機發(fā)送成功入網(wǎng)節(jié)點的IEEE地址，并更新其在PC機顯示道路示圖中的標(biāo)識顏色。當(dāng)想要獲得道路某個區(qū)域的路燈狀態(tài)時，只需要點擊PC機顯示道路標(biāo)識上的相應(yīng)節(jié)點。上位機程序會調(diào)用已存儲相應(yīng)節(jié)點的物理地址，經(jīng)串口和ZigBee網(wǎng)絡(luò)向該節(jié)點發(fā)送獲取狀態(tài)的指令，并等待接收節(jié)點傳回的狀態(tài)信息，協(xié)調(diào)器接收到傳回的狀態(tài)信息后，通過RS 232串口發(fā)送給PC機進(jìn)行顯示。

3.3 ?路燈控制軟件設(shè)計與開發(fā)

如圖3所示，當(dāng)系統(tǒng)處于A模式時，除光照強度始終保持工作狀態(tài)外，控制器會關(guān)掉其他傳感器，并關(guān)閉所有路燈，節(jié)約能耗。當(dāng)系統(tǒng)處于B模式時，控制器會開啟每個路口的車輛探測器和人體紅外傳感器，其他位置的同類傳感器均設(shè)置為休眠狀態(tài)。當(dāng)相應(yīng)路口的傳感器檢測到有車輛駛來或有行人時才會打開前方的傳感器，并根據(jù)檢測到的車速確定需要開啟的路燈數(shù)量和環(huán)境光照強度調(diào)節(jié)它們的亮度;汽車移動過程前方的路燈會陸續(xù)開啟，保持汽車前方的路燈照明范圍能夠完全覆蓋駕駛員的安全視距。當(dāng)汽車和行人通過后，如果后方傳感器沒有檢測到有汽車或行人，則后方的路燈會自動關(guān)閉?？刂撇呗詾椋寒?dāng)車速低于10 km/h時，開啟汽車前方3盞路燈;當(dāng)車速高于10 km/h且低于30 km/h時，開啟汽車前方5盞路燈;當(dāng)車速高于30 km/h時，開啟汽車前方8盞路燈;當(dāng)檢測到只有行人時，開啟行人附近3盞路燈;當(dāng)同時檢測到有汽車和行人時，執(zhí)行有汽車時的控制策略。當(dāng)系統(tǒng)處于C模式時，控制方式和B模式相同，但不進(jìn)行PWM 調(diào)光，而是將路燈的功率調(diào)到最大[10]，使路燈亮度達(dá)到最大。

4 ?結(jié) ?語

本文通過深入研究ZigBee智能組網(wǎng)技術(shù)，并將該技術(shù)應(yīng)用到自適應(yīng)道路照明系統(tǒng)的設(shè)計中，將整個道路的有關(guān)設(shè)備進(jìn)行高效集成組網(wǎng)，構(gòu)建高效的路燈智能化節(jié)能管理系統(tǒng)。根據(jù)實際需求研究了協(xié)調(diào)器、路由器和終端的合理布局，設(shè)計亮度采集模塊電路;并開發(fā)了相關(guān)控制程序，使得該系統(tǒng)能夠綜合不同的光照強度、不同的車速、不同的交通流量和有無行人等情況，可以實時地自動調(diào)節(jié)路燈的狀態(tài)，實現(xiàn)路燈的自適應(yīng)照明;并通過實時監(jiān)控的方式來實現(xiàn)智能化管理，使城市道路照明系統(tǒng)實現(xiàn)真正的現(xiàn)代化、科學(xué)化和智能化。

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