基于ZigBee的自適應智慧路燈系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)①

陶奉春，陶 皖, 歐 坤

(1.蕪湖職業(yè)技術(shù)學院,安徽 蕪湖 241003；2.安徽工程大學,安徽 蕪湖 241000)

0 引 言

隨著我國城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，作為城市公共基礎(chǔ)設(shè)施重要組成部分的路燈數(shù)量不斷增多，為提升路燈的管理水平，節(jié)約電力資源、及時有效地進行故障檢測及維修，專家學者將傳感器技術(shù)、ZigBee無線組網(wǎng)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用到路燈管理系統(tǒng)中，智慧路燈系統(tǒng)應運而生[1]。綜合考慮路燈照明系統(tǒng)的經(jīng)濟性、節(jié)能性、維護效率和難度以及功能的豐富完善，基于ZigBee組網(wǎng)技術(shù)設(shè)計并實現(xiàn)了一種多功能的自適應的智慧路燈系統(tǒng)，系統(tǒng)不僅可以根據(jù)光度和行人情況自適應調(diào)節(jié)路燈的狀態(tài)和亮度、故障路燈的位置，而且可以實時監(jiān)測顯示空氣中的PM2.5值以及溫濕度等環(huán)境因素并根據(jù)監(jiān)測到的異常環(huán)境數(shù)據(jù)進行相應的報警提醒。

1 自適應智慧路燈系統(tǒng)架構(gòu)

自適應智慧系統(tǒng)主要包括路燈終端控制節(jié)點，區(qū)域的協(xié)調(diào)器節(jié)點和PC端的路燈遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)，路燈終端控制節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點通過ZigBee自組織網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)的傳輸。路燈終端控制節(jié)點具有的功能包括路燈狀態(tài)控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示；每個路燈控制節(jié)點采集的數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點后，協(xié)調(diào)器節(jié)點對數(shù)據(jù)進行存儲分析和處理以及終端節(jié)點故障報警；協(xié)調(diào)器節(jié)點通過串口連接到電腦端，可以實現(xiàn)路燈狀態(tài)的遠程實時監(jiān)測。系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 自適應智慧路燈系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 自適應智慧路燈系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

綜合考慮系統(tǒng)的成本、可靠穩(wěn)定性等因素，本系統(tǒng)采用的ZigBee是德州儀器公司生產(chǎn)的CC2530芯片[2]。CC2530芯片連接相應的傳感器作為路燈終端控制節(jié)點進行數(shù)據(jù)的采集和收發(fā)，通過ZigBee自組織網(wǎng)絡(luò)與ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點進行數(shù)據(jù)的傳輸通信，再通過串口通信將協(xié)調(diào)器節(jié)點的數(shù)據(jù)傳到電腦端的遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)顯示。對應的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 路燈終端控制節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

路燈終端控制節(jié)點利用光照傳感器采集的數(shù)據(jù)控制路燈的開關(guān)，根據(jù)熱釋電紅外傳感器采集的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)調(diào)光模塊中PWM[3]的輸出實現(xiàn)燈光的智能調(diào)節(jié)。同時終端節(jié)點可以利用PM2.5傳感器和溫濕度傳感器進行環(huán)境數(shù)據(jù)的采集。終端控制節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 終端控制節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 CC2530開發(fā)板

路燈終端節(jié)點采用的TI公司提供的CC2530開發(fā)板由核心板和底板組成，它完全兼容8051系列內(nèi)核，具有傳輸可靠、組網(wǎng)方便、經(jīng)濟實用的特性[4]。并且擁有三種不同的內(nèi)存訪問總線，分別是SFR(特殊功能寄存器)，DATA(數(shù)據(jù))以及CORE/XDATA(代碼/外部數(shù)據(jù))。

底板上帶有USB轉(zhuǎn)串口功能(PL-2303)，方便用戶使用，同時自帶了mini USB供電和PIN2電源座(5V)，可以為用戶提供外接電源。此外，它擁有一個Debug接口，兼容TI標準仿真下載器，引出所有IO口，從而支持多種傳感器即插即用，以及常用的串口引腳。同時配有相應的功能按鍵、LED指示燈和用于顯示數(shù)據(jù)的LED顯示屏。

2.2.2 光照傳感器

光敏傳感器需讀取與其相連IO口電平值。，來判斷當前環(huán)境是白天還是夜晚，同時還可以通過ADC讀取AO口電壓，來確認當前環(huán)境的光線強弱。所以在協(xié)議棧中除了配置好 IO口外，還要打開ADC的功能[5]，然后周期性檢測、輸出顯示，上傳給協(xié)調(diào)器節(jié)點即可。溫度傳感器的電路圖如圖4所示。

圖4 光照傳感器電路圖

當光照傳感器采集的數(shù)據(jù)低于設(shè)置的閾值時，將觸發(fā)外接電路中的控制路燈開關(guān)的繼電器模塊來控制路燈。達到智能控制的效果。主要的電路接線表1如下。

表1 控燈電路連接表

繼電器插在CC2530開發(fā)板的相應位置，使用P0_5口作為繼電器的信號間接控制引腳，IO口經(jīng)過三極管的放大接到繼電器輸入端 IN。P0_5口的高電平經(jīng)過三極管后變成低電平，低電平經(jīng)過IO口后變成高電平；繼電器是低電平吸合，即IO口需要高電平，繼電器吸合指示燈亮。

2.2.3 熱釋電紅外傳感器

熱釋電紅外傳感器采用HC-SR501傳感器[6]，它能檢測生物發(fā)射的紅外線并輸出相應的電信號。CC2530開發(fā)板中使用 P0_4 作為人體紅外檢測引腳，其電路圖如圖5所示。

紅外傳感器對路面上的行人的情況進行周期性檢測，當有物體通過時傳感器進行數(shù)據(jù)捕捉、計算并上傳、判斷后控制路燈亮度，達到智能調(diào)光的效果。主要電路連接如表2所示。

圖5 熱釋電紅外傳感器電路圖

引腳說明VCC接電源的正極(5V)P0_4接檢測引腳(OUT)GND接電源負極P1_4外接控燈電路

2.2.4 溫濕度傳感器

采用的DHT11溫濕度傳感器是一款實時監(jiān)測溫度和濕度的數(shù)據(jù)的復合傳感器。它采用專用的數(shù)字型采集和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的數(shù)據(jù)采集的可靠性與長期的穩(wěn)定性[7]。路燈終端節(jié)點使用P0_7引腳作為控制信號的輸出。溫濕度傳感器電路圖6所示。

圖6 DHT11溫濕度傳感器電路圖

2.2.5 路燈故障檢測電路設(shè)計

路燈終端節(jié)點的故障檢測電路采用了萬能表的原理，將定義引腳接到所要測的設(shè)備上，從終端節(jié)點顯示屏上讀取數(shù)據(jù)，并且上傳到協(xié)調(diào)器節(jié)點上，協(xié)調(diào)器節(jié)點顯示并通過串口電路輸出上傳到PC端的遠程監(jiān)測系統(tǒng)。電壓表采集電壓使用了協(xié)議棧的ADC采集功能。相關(guān)的接線如表3所示。

表3 故障檢測接線圖

3 適應智慧路燈系統(tǒng)軟件設(shè)計與測試

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計

通過ZigBee自組織網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，需要經(jīng)過組網(wǎng)、發(fā)送、接收[8]三個步驟。其中組網(wǎng)的步驟是調(diào)用相關(guān)組網(wǎng)函數(shù)，協(xié)調(diào)器節(jié)點通過相應的通道檢測到設(shè)備后，調(diào)用函數(shù)將檢測到的路燈終端節(jié)點加入到網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)兩個以上設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互。在實現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)的建立和路燈終端節(jié)點設(shè)備的加入后，調(diào)用發(fā)送函數(shù)，將待發(fā)送數(shù)據(jù)進行打包發(fā)送到指定MAC地址，完成發(fā)送的步驟。接收部分的步驟就是調(diào)用相關(guān)的接收函數(shù)，分析接收到的數(shù)據(jù)包，并進行判斷處理。

程序的工作流程圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)程序流程圖

軟件主程序的入口代碼主要是對系統(tǒng)的硬件層、網(wǎng)絡(luò)層、任務(wù)等的初始化。包括初始化硬件、初始化硬件驅(qū)動、初始化NV存儲系統(tǒng)、初始化數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)幀MAC、初始化操作系統(tǒng)、初始化板載，初始化LCD等操作。

函數(shù)SampleApp_Init()是用戶應用任務(wù)初始化函數(shù)。初始化的內(nèi)容包括osal分配的任務(wù)ID號，消息發(fā)送ID，設(shè)置消息發(fā)送數(shù)據(jù)的方式和目的地址尋址方式，此外還可以在此函數(shù)里定義設(shè)置引腳的工作方式。

PC端的路燈遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、分析處理及顯示，其功能模塊圖如圖8所示。

圖8 遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)功能模塊

3.2 系統(tǒng)測試

3.2.1 控制路燈開關(guān)測試

設(shè)計的智慧路燈系統(tǒng)的路燈終端節(jié)點根據(jù)光照傳感器采集到的數(shù)據(jù)，控制統(tǒng)一路燈節(jié)點上控制外接路燈電路的繼電器開關(guān)，實現(xiàn)路燈的開啟和關(guān)閉。當光照值小于20時，光照采集模塊的DO采集電平由1變?yōu)?，利用串口對繼電器的P0_5引腳輸入一個高電平，使其吸合，實現(xiàn)路燈的開啟；反之，路燈關(guān)閉。

3.2.2 路燈自適應調(diào)光測試

智慧路燈系統(tǒng)的調(diào)光控制部分通過紅外傳感器檢測有沒有人通過，若有人通過或者靠近路燈，路燈終端節(jié)點采集數(shù)據(jù)后通過外接電路調(diào)節(jié)路燈的亮度為100%；在沒有人通過的情況下，路燈的亮度調(diào)整為50%左右，從而有效地節(jié)約電力資源。路燈調(diào)光圖如圖9和圖10所示。

圖9 有人和無人經(jīng)過時路燈亮度對比圖

3.2.3 環(huán)境監(jiān)測顯示和報警測試

設(shè)計的智慧路燈系統(tǒng)在每個終端節(jié)點的都有相應的環(huán)境監(jiān)測功能。其中包括PM2.5濃度值監(jiān)測、溫濕度值監(jiān)測。采集到的數(shù)據(jù)上傳到協(xié)調(diào)器同時在每個終端節(jié)點的路燈顯示器上，顯示。協(xié)調(diào)器節(jié)點會對接收到的數(shù)據(jù)進行處理判斷，超過預設(shè)的閾值時，會進行相應的蜂鳴器報警。

圖10 PC端路燈遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)

3.2.4 路燈故障檢測測試

使用杜邦線將定義的引腳和外接電路連接起來，實時檢測電路的電壓，由于電路中的設(shè)備比較復雜，所以對電路的各個狀態(tài)進行一個電壓值預測，再通過結(jié)合預測值進行閾值的設(shè)置，以便控制電路和反饋。將正常情況下的電路中的電壓值作為閾值參考，在檢測過程中比對該數(shù)值來判斷電路是否正常工作。

3.2.5 PC端路燈遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)測試

通過協(xié)調(diào)器節(jié)點將終端節(jié)點采集到數(shù)據(jù)根據(jù)串口協(xié)議通過串口發(fā)送給PC端的路燈遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)進行顯示監(jiān)測。主要的顯示內(nèi)容包括檢測電路電壓的數(shù)值，溫濕度，PM2.5數(shù)值。PC端路燈遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)界面如圖10所示。

4 結(jié) 語

設(shè)計的基于ZigBee的自適應智慧路燈系統(tǒng)，可以通過采集到的環(huán)境中光照度信息進行路燈狀態(tài)的開啟和關(guān)閉，根據(jù)路面行人的情況自適應調(diào)整路燈的亮度，從而有效地減少電力資源的浪費?？梢詫諝庵械腜M2.5值和溫濕度等信息進行實時顯示和報警預警。同時實時檢測路燈中的電路故障并提醒。在PC端通過路燈遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)查看檢測電路電壓的數(shù)值、溫濕度，PM2.5數(shù)值等相關(guān)信息。設(shè)計方案在節(jié)約電力資源的同時，有效利用路燈資源，豐富了路燈的功能，同時提高了維修及時性，使得城市的路燈照明系統(tǒng)更加地智能，具有較高的應用價值。