1 引言

　　采用時間控制,、光照控制等方式控制的路燈照明系統(tǒng)存在著路燈使用壽命短、管理開銷大,、電能浪費,、無法遠程監(jiān)控以及故障維修反應(yīng)效率低等現(xiàn)象。隨著人們生活質(zhì)量的提高及科學技術(shù)的進步,，對城市路燈的要求越來越高,，不僅要求安全、節(jié)能,、維護方便,，還要求其能美化夜景，彰顯城市魅力,；例如上海市博園安裝的無線景觀路燈照明,，為其夜晚增添了不少的色彩。

　　目前國內(nèi)外路燈系統(tǒng)正朝著節(jié)能,、單燈控制以及遠程監(jiān)控的方向發(fā)展,。本文基于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計了一套采用Zigbee 技術(shù)實現(xiàn)的路燈控制實訓系統(tǒng),； 該系統(tǒng)可實現(xiàn)路燈的遠程實時監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集存儲等功能,。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)由安裝在路燈燈桿上的路燈節(jié)點、無線網(wǎng)絡(luò)及監(jiān)控中心組成,，結(jié)構(gòu)如圖1 所示,，路燈節(jié)點和監(jiān)控中心需要配備無線通信模塊。

　　

　　圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　2. 1 無線網(wǎng)絡(luò)

　　無線網(wǎng)絡(luò)采用Zigbee 技術(shù),，使路燈工作現(xiàn)場與系統(tǒng)監(jiān)控中心可靠通信,。這種技術(shù)主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)傳輸速率不高且短距離傳輸?shù)母鞣N電子設(shè)備之間，非常適合工業(yè)控制,、環(huán)境監(jiān)測等場合,，具有低功耗、低成本和低復(fù)雜度等特點,。本系統(tǒng)Zigbee 模塊采用CC2530 片上系統(tǒng)作為控制電路的核心,，具有256KBFLASH，在接收和發(fā)射模式下,，電流損耗分別低于25mA 和34mA.模塊電源由外部穩(wěn)壓電源提供5V電壓,，以確保各節(jié)點長時間穩(wěn)定工作。

　　根據(jù)路燈系統(tǒng)特點,，網(wǎng)絡(luò)采用樹形連接,，以便靈活擴展節(jié)點和自組網(wǎng)絡(luò)。與PC 機串口RS232 連接的Zigbee 模塊為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器,，起著組織,、管理網(wǎng)絡(luò)和發(fā)號施令的作用；當網(wǎng)絡(luò)有節(jié)點加入時,，它分配地址給新節(jié)點,，因此不能掉電也沒有低功耗狀態(tài)。

　　與路燈單元串口連接的Zigbee 模塊為路由器,，起著中繼器的作用,，可以收發(fā)數(shù)據(jù)也可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，承擔著與上位機和相鄰節(jié)點通信的任務(wù),。

　　2. 2 路燈節(jié)點

　　路燈節(jié)點由路燈控制器,、電源模塊和Zigbee 模塊組成，完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)及控制命令的處理,、控制LED 燈開關(guān)及調(diào)光的任務(wù),。

　　路燈控制器選擇高性能,、低功耗的8 位AVR 微處理器ATmega16 作為核心部件，該單片機輸入/輸出口可以自由設(shè)定,，驅(qū)動能力強,，集多種器件與多種功能于一身，大大減少了外圍器件的使用量,，降低了電路的復(fù)雜程度,。控制器的外圍電路包括信號檢測,、亮燈驅(qū)動和故障檢測等電路,。

　　信號檢測部分由光敏電阻電路和熱釋電紅外傳感器電路組成。光敏電阻5537 用于對環(huán)境光檢測,，從而控制燈光的亮度,；熱釋電紅外傳感器DYPME003感應(yīng)距離0 ~ 7 米可調(diào)，用于判斷是否有行人或者車輛通過,，并根據(jù)設(shè)定值調(diào)節(jié)燈光亮度,。

　　考慮到LED 路燈高效節(jié)能及其應(yīng)用日趨廣泛，采用LED 作為光源,，并采用XN2115 芯片驅(qū)動,。系統(tǒng)選用1W、3. 2 ~ 3. 6V 的LED 燈4 顆,。路燈故障檢測信號取自XN2115 芯片的SW 點的電壓,，將該點電壓通過大電容平波后與電壓比較器的基準電壓進行比較，比較結(jié)果的高低電平送入單片機處理,，并將故障信息送至上位機實現(xiàn)故障報警,、位置顯示等功能。

　　路燈節(jié)點使用了5V 及12V 的直流電,。將220V交流電通過整流橋KBP210 變?yōu)?2V 直流電,，為LED 驅(qū)動電路和故障檢測電路提供電源，功率可達40W; 12V 直流電源再通過LM2596-5. 0 集成三端穩(wěn)壓器輸出5V 直流電源,，輸出電流最大可達3A,，具有很好的線性和負載調(diào)節(jié)特性，為Zigbee 模塊,、單片機及其他外圍電路提供電源,。

　　2. 3 監(jiān)控中心

　　監(jiān)控中心由PC 機和Zigbee 模塊組成，提供系統(tǒng)信息,，具有遙測,、遙控及存儲和管理數(shù)據(jù)功能的人機界面顯示，可以對整個路燈系統(tǒng)進行工作狀況的實時監(jiān)控,。

　　PC 機可以通過無線通信網(wǎng)絡(luò)采集路燈狀態(tài),，例如環(huán)境光強度,、用電量、亮燈率等,，并可向路燈節(jié)點發(fā)送控制命令,，路燈節(jié)點根據(jù)這些命令對LED 燈進行操作，實現(xiàn)系統(tǒng)的按需控制及每盞路燈的實時監(jiān)控,。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)上電后進行初始化，檢測系統(tǒng)是否正常工作,，如果正常則按照路燈控制界面進行路燈狀態(tài)檢測或者對路燈進行輸出控制,，使路燈按照既定程序?qū)崿F(xiàn)開/關(guān)狀態(tài)，并經(jīng)由Zigbee 網(wǎng)絡(luò)實時顯示信息,。

　　監(jiān)控界面可選擇各Zigbee 模塊的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點號,，搜索網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各個模塊，將控制命令發(fā)送至指定的路燈節(jié)點,，也可實時顯示路燈狀態(tài)信息和底層數(shù)據(jù)包,。

　　3. 1 現(xiàn)場信號采集、檢測與處理程序

　　路燈現(xiàn)場環(huán)境光采集模塊經(jīng)由光敏電阻得到電壓值,，并通過ATmage16 內(nèi)部的1 路10 位ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)化電路將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,。為了平滑采樣信號，提高系統(tǒng)抗干擾能力,，設(shè)計中采用了數(shù)字濾波方式,，每次轉(zhuǎn)換完閉后，ATmage16 會自動產(chǎn)生中斷信號,，將本次和前8 次數(shù)據(jù)取平均值送給單片機處理,。

　　當有人經(jīng)過時熱釋電紅外傳感器會輸出高電平，經(jīng)過后續(xù)處理電路,，單片機得到一個低電平,。為了避免重復(fù)觸發(fā)，人體檢測中斷觸發(fā)方式采用下降沿方式,。

　　路燈的調(diào)光是通過給XN2115 芯片的DIM 引腳端上施加PWM 信號來實現(xiàn),。ATmage16 內(nèi)部自帶四通道的PWM，設(shè)置為快速PWM 模式,、OC2 復(fù)位,、32 分頻。當OCR2 的值從0 到256 變化時,，LED 燈從全亮到全滅,。

　3. 2 通信程序設(shè)計

　　系統(tǒng)通信程序包括路燈與路燈節(jié)點之間的通信及其路燈節(jié)點與監(jiān)控中心之間的通信兩部分。

　　1） 路燈節(jié)點之間的通信實現(xiàn),。

　　路燈節(jié)點之間實現(xiàn)通信,，一方面是為了了保證路燈在夜間沒有行人或車輛通過時處于節(jié)電狀態(tài),，即微亮狀態(tài)，另一方面是當路燈節(jié)點檢測到道路上有行人或車輛通過時,，使該路燈轉(zhuǎn)為全亮,，并通知下一盞路燈轉(zhuǎn)為全亮，以確保行人或車輛的出行安全,。

　　路燈節(jié)點之間采用串口通信,，通信參數(shù)配置為異步通信、8 位數(shù)據(jù),、無奇偶校驗,、一個停止位及無倍速。串口的發(fā)送程序采用查詢方式,，接收程序采用中斷接收方式,。

　　路燈節(jié)點控制器之間的發(fā)送程序為：

　　sysDRFarr ［0］ = 0xfd; / /點對點數(shù)據(jù)傳輸指令

　　sysDRFarr ［1］ = 1; / /數(shù)據(jù)長度

　　sysDRFarr ［2］ = sysAddress ［（ LEDNumber ）* 11 + 1］; / /目標地址高

　　sysDRFarr ［3］ = sysAddress ［（ LEDNumber ）* 11 + 2］; / /目標地址低

　　sysDRFarr ［4］ = 0; / /數(shù)據(jù)

　　put_ arr （ sysDRFarr，5） ; / /發(fā)送一串數(shù)據(jù)幀

　　接收處理程序為：

　　void PointToPointRecive （ void）

　　{

　　LEDPWM_ Adjust （ usartReceiveBuf ［3 ］） ;

　　/ /接收到的數(shù)據(jù)

　　sysDRFarrShortAddress ［0］ = usartReceiveBuf［4］; / /來源地址高

　　sysDRFarrShortAddress ［1］ = usartReceiveBuf［5］; / /來源地址低

　　usartReceive_ Init （ ） ; / /串口數(shù)據(jù)初始化

　　}

　　2） 路燈節(jié)點與監(jiān)控中心之間的通信,。

　　路燈節(jié)點與監(jiān)控中心之間的通信一方面可以通過上位機為路燈節(jié)點配置相關(guān)信息,、發(fā)送控制指令，另一方面可以接收來自路燈節(jié)點的現(xiàn)場運行信息,，實現(xiàn)系統(tǒng)在監(jiān)控室進行路燈系統(tǒng)操控和故障查詢,、報警等功能。

　　采用PC 機串口與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器相連,，實現(xiàn)讀取路燈節(jié)點信息或控制路燈運行狀態(tài),。例如PC 機要讀取當前系統(tǒng)路燈信息，利用串口調(diào)試工具觀察PC機向無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收數(shù)據(jù),，如圖2 所示,。發(fā)送指令格式為： FB + 02 + 14 + 路燈編號（ 本系統(tǒng)中路燈編號為01，02,，03）,，表示讀取編號為01、02,、03 的路燈節(jié)點當前信息,；路燈節(jié)點做出回應(yīng)，通過無線網(wǎng)絡(luò)返回路燈信息格式為： 環(huán)境光強+ 路燈光強+ 故障情況,。路燈節(jié)點1 返回的信息表明當前所處環(huán)境光強度為E2（由強到弱范圍： FE ~ 00）,、路燈亮度FB （ 由滅到全亮范圍：FE ~ 00） 、無故障00（ 有故障為01） ,。

　　

　　圖2 串口調(diào)試界面

3. 3 監(jiān)控軟件功能設(shè)計

　　系統(tǒng)監(jiān)控中心程序包括： 顯示監(jiān)控程序,、調(diào)試配置程序、系統(tǒng)參數(shù)配置程序及存儲工作運行數(shù)據(jù)程序。

　?。?） 顯示監(jiān)控程序,。

　　顯示監(jiān)控程序包括路燈狀態(tài)信息、街道狀態(tài)信息,、報警信息,。通過顯示監(jiān)控界面可以實現(xiàn)街道選擇； 觀察路燈當前光通量,、功耗,、工作時長及是否故障； 自動統(tǒng)計該街道的總用電量,、亮燈率,；系統(tǒng)自動工作的時間段； 顯示當前街道故障的路燈編號及該路燈在什么時間發(fā)生故障,。

　?。?） 調(diào)試配置程序,。

　　調(diào)試配置程序包括串口配置,、Zigbee 讀取及配置、路燈調(diào)試,。通過串口配置界面設(shè)置相應(yīng)的串口配置參數(shù),；通過Zigbee 的配置程序可讀取Zigbee 模塊的網(wǎng)絡(luò)ID 號、波特率,、網(wǎng)絡(luò)地址,、MAC 地址，可以方便的設(shè)置Zigbee 模塊的網(wǎng)絡(luò)ID 號,、波特率,；通過路燈調(diào)試界面可以讀取該街道路燈的環(huán)境光強、路燈光強,、功耗,、是否故障等信息?？梢詫υ撀窡暨M行調(diào)光測試及設(shè)置該路燈開始工作時間,。

　　（3） 系統(tǒng)參數(shù)配置程序,。

　　系統(tǒng)參數(shù)配置程序包括校正路燈節(jié)點時間,、設(shè)置系統(tǒng)工作時間、配置街道地址,。在系統(tǒng)運行過程中,，系統(tǒng)時間可能會與當前時間有差別，通過系統(tǒng)時間校正，可以使系統(tǒng)時間與PC 機時間同步,； 可以設(shè)置系統(tǒng)正常工作的開關(guān)機時間與街道地址,。

　　（4） 存儲工作運行數(shù)據(jù),。

　　在系統(tǒng)運行的過程中,，下位機發(fā)送的路燈信息及報警信息都會保存到數(shù)據(jù)庫中。同時街道及路燈的配置信息也保存在數(shù)據(jù)庫中,，并可方便用戶導(dǎo)出及打印信息,。

　　4 系統(tǒng)功能測試

　　4. 1 系統(tǒng)測試

　　由于Zigbee 網(wǎng)絡(luò)能自組網(wǎng)，因此在構(gòu)造試驗系統(tǒng)時我們配置了最小系統(tǒng)： 1 個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點和3個路由器節(jié)點,，系統(tǒng)采用主從方式,，一般處于休眠狀態(tài)，當有中斷請求時激活節(jié)點進行工作,。路燈高度為0. 7m,，路燈間隔為0. 8m，現(xiàn)場路燈系統(tǒng)如圖3,、圖4 所示,。

　　

　　圖3 路燈1 微亮,，2、3 全亮

　　

　　圖4 路燈1,，2 微亮，路燈3 全亮,。

　　圖3 為小車運行到路燈2 位置的狀態(tài),。路燈2全亮，并通知路燈1 轉(zhuǎn)為微亮,、前方路燈3 轉(zhuǎn)為全亮,。若1 號節(jié)點熱釋電紅外傳感器檢測不到信號并收到了前方路燈的信息，則狀態(tài)轉(zhuǎn)為微亮,； 當小車向前運行進入3 號節(jié)點熱釋電紅外傳感范圍時,，3號燈通知2 號燈轉(zhuǎn)為微量，如圖4 所示,，對應(yīng)的監(jiān)控界面如圖5 所示,。監(jiān)控界面中淡黃色路燈表示路燈微亮、深黃色路燈表示路燈全亮,。

　　

　　圖5 監(jiān)控界面,。

運行路燈控制系統(tǒng)軟件時需要進行系統(tǒng)配置、通信配置、Zigbee 配置等操作,； 在運行中可對路燈節(jié)點進行調(diào)光,、校正時間等操作。如圖6 為系統(tǒng)工作時間設(shè)置,，圖7 為路燈節(jié)點時間校正,。

　　

　　圖6 系統(tǒng)工作時間設(shè)置。

　　

　　圖7 系統(tǒng)校正時間,。

　　4. 2 系統(tǒng)功能

　　路燈控制方式可分為手動控制方式和自動控制方式,，均可在監(jiān)控中心操作或進行參數(shù)設(shè)置。系統(tǒng)可實現(xiàn)以下功能：

　　1） 可進行單燈遠程監(jiān)控,，并可調(diào)節(jié)燈具亮度,。

　　2） 可根據(jù)環(huán)境光自動開關(guān)路燈，并可調(diào)整燈具亮度,，保證使用需要,。

　　3） 根據(jù)道路是否有行人/車輛通過實現(xiàn)亮度漸變。路燈夜間無行人/車輛通過,，路燈微亮,； 當檢測到遠方有行人/車輛接近時，路燈由微亮轉(zhuǎn)為全亮,，并通知前方路燈由微量轉(zhuǎn)為全亮,；車輛/行人通過后,，路燈又轉(zhuǎn)為微亮,。

　　4） 具有路燈故障檢測功能。當有路燈損壞,，可以進行聲光報警,，并指示故障路燈的具體位置。

　　5） 具有數(shù)據(jù)統(tǒng)計和存儲功能,?？商峁┞窡粲秒娏俊⒘翢袈屎凸牡葦?shù)據(jù),，并可查詢歷史記錄,。

　　6） 系統(tǒng)具有休眠狀態(tài)，降低系統(tǒng)功耗,。

　　5 結(jié)束語

　　智能化和網(wǎng)絡(luò)化控制路燈是未來路燈控制的發(fā)展方向和必然趨勢,。隨著技術(shù)的進步和城市發(fā)展的需求，無線傳感節(jié)點集成度會越來越高,，價格會越來越低,，路燈控制系統(tǒng)的功能會越來越多，路燈的自動化管理和無線通信技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用也必然會越來越廣泛。

　　本系統(tǒng)采用Zigbee 協(xié)議實現(xiàn)了路燈控制模擬系統(tǒng)的實時監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化管理,。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)擴展靈活,、現(xiàn)場易于安裝，操作界面友好,、管理方便,。本系統(tǒng)已用于自動化類專業(yè)的大學生實驗實訓教學，有助于學生了解無線通信,、傳感技術(shù),、單片機技術(shù)及其在城市路燈控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。