基于ZigBee的智能路燈控制系統(tǒng)

陳忠林，張士晶，詹宇川，胡倍萌，高鴻波

（南昌航空大學(xué)無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330063）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化進(jìn)程的不斷加快，城市路燈的安裝數(shù)量日益增加，方便了人們的日常出行。但是，目前大部分路燈系統(tǒng)仍然按照定時控制或人工控制的方式開關(guān)路燈，造成了能源的大量浪費(fèi)。此外傳統(tǒng)路燈線路布局復(fù)雜，維護(hù)成本較高，又造成了經(jīng)濟(jì)上的巨大損失[1]。針對上述問題，本文基于ZigBee無線通信原理，結(jié)合模糊控制算法，設(shè)計(jì)一種智能路燈控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由超聲波傳感器、光強(qiáng)傳感器、人體紅外傳感器、ZigBee無線通信模塊等組成，并利用模糊控制算法實(shí)現(xiàn)對路燈的智能調(diào)控的功能。智能路燈控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r無線監(jiān)測路燈運(yùn)行狀態(tài)，對路燈亮度進(jìn)行自動（或手動）的按需調(diào)節(jié)，有效地節(jié)省了電力資源，降低了布線成本。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能路燈控制系統(tǒng)主要由傳感器模塊、路燈終端模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、客戶機(jī)模塊構(gòu)成。圖1為系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖，路燈終端安裝在每個路燈上，將傳感器采集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綗o線網(wǎng)關(guān)，多個路燈終端與一個無線網(wǎng)關(guān)在一定區(qū)域內(nèi)組成一組局域網(wǎng)，每個設(shè)備之間可以相互通信，即單一設(shè)備損壞不影響整體通訊。無線網(wǎng)關(guān)通過GPRS把數(shù)據(jù)傳輸?shù)铰酚善?，路由器通過網(wǎng)線與服務(wù)器連接，服務(wù)器通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇蛻魴C(jī)端（電腦、平板電腦、手機(jī)）?？蛻魴C(jī)接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行智能處理分析，通過模糊控制算法進(jìn)行自動或手動調(diào)節(jié)路燈的開關(guān)和亮度。圖2為實(shí)物示意圖。

圖1 智能路燈控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

圖2 實(shí)物示意圖

2 系統(tǒng)主要功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

智能路燈控制系統(tǒng)的傳感器模塊包括人體紅外傳感器、超聲波傳感器、光強(qiáng)傳感器。傳感器模塊負(fù)責(zé)采集環(huán)境光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，車輛距離數(shù)據(jù)，是否有行人出現(xiàn)數(shù)據(jù)。并將數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)。光強(qiáng)傳感器使用型號為GY-30 BH1750FVI的一款數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器，此型號傳感器相較于同類傳感器，響應(yīng)速度更快。當(dāng)有外界光照時，內(nèi)部的光敏二極管通過光生伏特效應(yīng)將輸入光信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)運(yùn)算放大電路放大后，由ADC采集電壓，然后通過邏輯電路轉(zhuǎn)換成16位二進(jìn)制數(shù)存儲在內(nèi)部的寄存器中，終端讀取寄存器中的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)。超聲波傳感器使用型號為HC-SR04的一種壓電陶瓷超聲波傳感器，測量精確度高。人體紅外傳感器使用型號為HC-SR501的一種熱釋電人體紅外傳感器，功耗小，使用方便。

圖3 系統(tǒng)傳感器模塊與路燈終端模塊電路連接示意圖

2.2 路燈終端模塊

路燈終端模塊由傳感器模塊、單片機(jī)、Zig Bee模塊組成。終端是系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，其核心是STM 32F103C8T6單片機(jī)模塊，傳感器模塊通過引腳與單片機(jī)相連，Zig Bee模塊通過串口與單片機(jī)相連。Zig Bee模塊選擇CC2530芯片，使用Z-stack協(xié)議棧進(jìn)行無線通信網(wǎng)絡(luò)的組建[2]。路燈終端負(fù)責(zé)綜合收集傳感器模塊采集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，通過ZigBee模塊傳輸?shù)綗o線網(wǎng)關(guān)，在接收到客戶機(jī)下達(dá)的指令后通過調(diào)節(jié)路燈PWM輸出，實(shí)現(xiàn)對路燈亮度的智能調(diào)節(jié)。

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

本模塊由無線網(wǎng)關(guān)、路由器、服務(wù)器組成，主要負(fù)責(zé)將路燈終端的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇蛻魴C(jī)，并將客戶機(jī)指令反饋到路燈終端。ZigBee技術(shù)是一種基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，其主要特點(diǎn)是低復(fù)雜度、自組織、穩(wěn)定性高、低功耗、低傳輸速率，目前主要應(yīng)用于自動控制領(lǐng)域和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部通過16位或者64位IEEE地址通信。Zig Bee網(wǎng)絡(luò)有三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別為星型、樹型、網(wǎng)狀型。本系統(tǒng)為了擁有更加方便靈活的通信網(wǎng)絡(luò)，選擇以網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)搭建ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)，使各設(shè)備之間可以相互通信，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、自適應(yīng)性。無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是此自組網(wǎng)絡(luò)的中心，每個無線網(wǎng)關(guān)與多個路燈終端組成一組局域網(wǎng)。終端將收集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee傳輸給無線網(wǎng)關(guān)[3]。路由器的主要作用是輔助其他設(shè)備申請入網(wǎng)，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)跳轉(zhuǎn)和協(xié)助子終端節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信，與無線網(wǎng)關(guān)通過GPRS協(xié)議相連。服務(wù)器的主要功能是組建連接網(wǎng)絡(luò)、傳輸對應(yīng)數(shù)據(jù)、控制管理整個通信網(wǎng)絡(luò)，向客戶機(jī)提供路燈狀態(tài)并傳達(dá)客戶機(jī)指令，與路由器通過網(wǎng)線連接[4]。

3 控制算法

相關(guān)文獻(xiàn)研究表明[5]，在夜間十一點(diǎn)半后，道路上行人與車輛數(shù)量明顯減少，而此時道路路燈仍保持全亮狀態(tài)，造成電能的大量浪費(fèi)，同時考慮到行人與車輛對照明需求的不同，故而以夜間十一點(diǎn)半為系統(tǒng)智能控制起始時間，在路燈燈座上安裝行車路燈（主燈）和行人路燈（副燈）兩個光源，使光能得到更加高效的利用。為了實(shí)現(xiàn)上述智能調(diào)控功能，系統(tǒng)引入模糊控制算法。模糊控制算法是一種以模糊集合、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的智能數(shù)字控制技術(shù)。模糊控制的核心是模糊控制器，其主要包括變量模糊化、建立相關(guān)規(guī)則庫、進(jìn)行模糊推理、解模糊四個部分[6]。變量模糊化的主要作用是確定模糊控制器的輸入變量，并將其轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可識別的標(biāo)準(zhǔn)模糊變量，并且需要確定變量相應(yīng)取值范圍，建立相關(guān)隸屬度函數(shù)。由于此系統(tǒng)只有單一的輸入輸出變量，故選擇三角形隸屬度函數(shù)。如圖是建立的車輛與路燈距離（P）和路燈實(shí)際亮度占額定亮度的百分比（f）的隸屬度函數(shù)示意圖。

圖4 車輛與路燈距離（p）的三角形隸屬度函數(shù)圖

圖5 路燈實(shí)際亮度占額定亮度的百分比（f）的三角形隸屬度函數(shù)圖

根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)，建立規(guī)則庫如下表。

表1 車輛與路燈距離和路燈實(shí)際亮度占額定亮度的百分比之間的對應(yīng)規(guī)則

根據(jù)《CJJ 45-2015 城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，普通城市主干道路路燈要求在路燈四十米范圍內(nèi)有著良好的照明作用。綜合考慮節(jié)能與照明需求可知[7]，路燈實(shí)際亮度在額定亮度的65%-95%之間時可以滿足視物需要。因此本系統(tǒng)選擇四十米作為路燈智能控制范圍，設(shè)置路燈實(shí)際亮度在65%-95%之間，達(dá)到照明與節(jié)能之間的平衡。規(guī)則表中p-nearer, p-near,p-medium, p-far, p-farther，依次表示車輛與路燈的距離由近及遠(yuǎn)，brighter, bright, medium, dark, darker，依次表示路燈實(shí)際亮度由亮變暗。

模糊推理是指將設(shè)置的模糊變量與相應(yīng)的模糊規(guī)則相對應(yīng)，為下一步解模糊奠定基礎(chǔ)。解模糊是將模糊推理后得到的控制變量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)控制輸出?？紤]到系統(tǒng)的簡潔性與準(zhǔn)確度要求，本系統(tǒng)采用最大隸屬度平均法（MOM）進(jìn)行解模糊。下圖即為路燈系統(tǒng)的模糊解。

圖6 車輛與路燈距離p（米）和路燈實(shí)際亮度占額定亮度的百分比f（%）之間的模糊解

模糊控制算法通過stlink裝置寫入到單片機(jī)之中，實(shí)現(xiàn)硬件與軟件的有機(jī)結(jié)合。下圖為系統(tǒng)智能控制流程圖。

圖7 系統(tǒng)智能控制流程示意圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由于實(shí)驗(yàn)條件限制，進(jìn)行系統(tǒng)測試時，以可調(diào)節(jié)LED模擬路燈，超聲波傳感器探測距離低于實(shí)際距離兩個數(shù)量級，簡化路由器、服務(wù)器，組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，通過客戶機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行控制。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境測試中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信正常，在調(diào)控范圍內(nèi)系統(tǒng)整體運(yùn)行正常，超出調(diào)控范圍時，數(shù)據(jù)無法正常傳輸，存在丟包現(xiàn)象，可通過添加功率放大器提高通信穩(wěn)定性。在系統(tǒng)出現(xiàn)誤差較大情況下，可切換到手動控制模式。在此模式下，可直接手動控制路燈亮度。以下系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)均在自動控制模式下進(jìn)行。

4.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性、精確性測試

以車輛與路燈距離3cm（實(shí)際3m）為例，系統(tǒng)時間調(diào)試到夜間11：30，通過比較仿真結(jié)果與實(shí)物測試結(jié)果之間的差異，以此測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性。

由圖8可知，當(dāng)車輛與路燈距離為3m時，對應(yīng)路燈實(shí)際亮度為94%。由圖9可知，當(dāng)車輛與路燈距離為3cm時，對應(yīng)路燈實(shí)際亮度為95%。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對比可知，當(dāng)距離一定時，兩種情況下行車路燈（主燈）的實(shí)際亮度有一定的誤差，反復(fù)測試顯示，此誤差與系統(tǒng)超聲波傳感器靈敏度不高、探測范圍較小有關(guān)，可通過調(diào)換成探測范圍更廣、靈敏度更高的測距設(shè)備如雷達(dá)解決問題。

圖8 仿真結(jié)果圖

圖9 實(shí)物測試結(jié)果圖

4.2 系統(tǒng)節(jié)能性能測試

在自動控制模式下，本系統(tǒng)工作階段可分為以下四個階段。第一階段為從白天光照充足到環(huán)境光強(qiáng)高于25lx階段，這段時間光線充足，能滿足人們出行需要，路燈處于關(guān)閉狀態(tài)。第二階段為環(huán)境光強(qiáng)低于25lx時至夜間十一點(diǎn)半階段，這段時間內(nèi)，人流量、車流量巨大，路燈以額定亮度的95%進(jìn)行穩(wěn)定照明。第三個階段為夜間十一點(diǎn)半至早上五點(diǎn)，這段時間里行人、車輛數(shù)量較少，路燈以額定亮度的80%、25%對行人路燈亮度進(jìn)行控制，以額定亮度的25%、65%-95%對行車路燈進(jìn)行控制。第四階段為早上五點(diǎn)后，外界光照強(qiáng)度已足夠滿足視物需求，路燈關(guān)閉。在手動控制模式下，可直接通過上位機(jī)調(diào)節(jié)路燈亮度。由于實(shí)物探測距離限制，首先在一段時間內(nèi)記錄實(shí)際道路上通過指定路燈四十米長度范圍內(nèi)的行人數(shù)量、車輛數(shù)量、行人通過時間、車輛通過時間，再在實(shí)驗(yàn)室條件下，僅改變四十米長度為四十厘米，其余條件不變，模擬實(shí)際行人、車輛通行情況。

表2 模擬的智能路燈控制系統(tǒng)在普通城市主干道路上一段時間內(nèi)在一個路燈作用的演示情況

表中時間數(shù)據(jù)通過秒表得出，路燈實(shí)際亮度數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)客戶機(jī)直接顯示得出，路燈平均亮度通過加權(quán)平均值模型，由公式可以得出。T表示平均亮度，Mi表示在i時間內(nèi)路燈的穩(wěn)定亮度，Hi表示i時間段內(nèi)的時長占總時長的比重。通過查閱國家道路照明標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)情況作出以下限定：（1）行人路燈使用額定功率為150W的LED燈泡，行車路燈使用額定功率為200W的LED燈泡；（2）路燈實(shí)際亮度占額定亮度百分比即為路燈實(shí)際功率占額定功率百分比。結(jié)合上表數(shù)據(jù)，可以粗略計(jì)算出在20：00-02：00共計(jì)六個小時內(nèi)，在智能控制系統(tǒng)調(diào)控下的一個路燈（包含行人路燈和行車路燈）在額定亮度65%以上工作的耗電量。見公式（1）

Eo表示在第o個時間段內(nèi)的行人路燈實(shí)際功率在65%以上時間，Uo表示在第o個時間段內(nèi)行人路燈在額定功率65%以上工作時間，Ao表示在第o個時間段內(nèi)的行車路燈實(shí)際功率在65%以上時間，Bo表示在第o個時間段內(nèi)行車路燈在額定功率65%以上工作時間，R表示耗電量。代入數(shù)據(jù)可得R=0.26KW·h，傳統(tǒng)路燈在測試時間內(nèi)以100%的額定功率進(jìn)行照明，由此計(jì)算的耗電量R=0.54KW·h。綜上所述，智能路燈控制系統(tǒng)具有52%的節(jié)能率，在節(jié)約能源方面有著巨大作用[8]。

5 結(jié)語

本文將模糊控制算法、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到智能路燈控制系統(tǒng)中，將路燈控制分為四個階段，并使用雙燈設(shè)計(jì)，結(jié)合了自動與手動兩種控制模式，對路燈亮度實(shí)現(xiàn)了智能調(diào)控。該系統(tǒng)減少了傳統(tǒng)路燈布線的成本，節(jié)省了人力、財(cái)力，也大大減少了能源的消耗。通過計(jì)算，智能路燈控制系統(tǒng)具有52%的節(jié)能率，本系統(tǒng)在智能化、節(jié)能化方面具有重要的實(shí)用意義。該系統(tǒng)的功能還可以進(jìn)一步開發(fā)完善，例如增加監(jiān)測空氣質(zhì)量功能、提供攝像拍照功能等，具有較大的市場開發(fā)價值與廣闊的應(yīng)用前景。