ZigBee技術在路燈監控系統中的應用

李巖巖，李敬兆

（1.安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學 計算機工程與科學學院，安徽 淮南 232001）

隨著我國經濟的發展，路燈使用數量在逐漸增多，單純地依靠手動控制方式和自動控制方式來控制路燈會造成電能的大量浪費[1-2]，如何高效地使用路燈能源已成為迫在眉睫的重大問題。為此，本文提出了在ZigBee技術的基礎上構建智能化的路燈監控系統。本系統可實現的功能如下：

（1）對單盞路燈進行遠程監控并根據需要調節燈的亮度；

（2）可以根據路面上的車流和人流的情況來調節路燈的亮度；

（3）可以對路燈進行故障檢測，當有路燈損壞時可以進行報警并指出故障路燈的具體位置，以及時維修；

（4）對用電量、亮燈率和功耗等數據進行顯示并可查詢歷史記錄；

（5）為了降低功耗，設計了休眠狀態。

1 系統硬件設計和工作原理

本文設計的系統主要由安裝在燈桿上的路燈節點、無線傳感網絡和監控界面3部分組成。路燈節點通過無線通信網絡和監控中心取得聯系。整體的結構如圖1所示。

圖1 整體的結構圖

1.1 路燈節點

路燈節點的主要工作包括處理控制命令、采集周圍環境信息、控制燈的開關時間和調節燈的亮度。路燈節點的體系結構圖如圖2所示。路燈控制器、電源模塊和ZigBee模塊是路燈節點的主要組成部分。本文選擇了ATmega16作為路燈控制器的核心部件，其性能較高、功耗較低、驅動能力較強，并集成了多種器件和功能，這無疑減少了外圍器件的使用量減少了，簡化了電路，而且I/O口可以根據需要自由設定[3]。

圖2 節點的體系結構圖

1.2 監控中心

監控中心的整體框圖如圖3所示。監控中心主要包括PC和ZigBee模塊兩個部分，其主要任務是提供系統信息。人機顯示界面可以對數據進行存儲和管理，還可以對所有被控路燈的工作狀況進行實時監控，確保其正常工作。PC對路燈工作狀況信息的采集是通過無線通信網絡實現的。例如，PC可以通過網絡采集周圍環境的光照強度、路燈的用電量和亮燈率等，還可以控制路燈節點并向其發送命令信息，路燈節點根據這些信息對LED燈作出相應的控制，實現對路燈的智能監控。

圖3 監控中心的整體框圖

2 系統軟件設計

2.1 通信程序設計

通信程序包括路燈節點與監控中心的通信以及路燈節點之間的通信兩部分。

（1）路燈節點與監控中心之間的通信

路燈節點和監控中心之間的通信主要是為了完成兩個方面的任務：一是為路燈節點配備相關信息和傳達控制命令，這是通過上位機實現的；二是可以接收路燈節點的運行信息，以實現遠程監控，工作人員在監控室就可以對路燈進行系統操作、故障查詢和報警等功能。系統的組網流程圖如圖4所示。

圖4 組網流程圖

（2）路燈節點之間的通信實現

路燈節點之間的通信，其目的一是為了節能，當路燈在深夜路上車輛和行人少的時候處于微亮的節能狀態；二是為了保證正常的照明，為行人提供方便，當檢測到路上有行人或車輛經過時，該盞路燈由微亮轉為全亮，并通知前面的路燈也作出這樣的操作。

2.2 監控軟件功能設計

系統監控中心程序包括顯示監控程序、系統參數配置程序、調試配備程序和存儲工作運行數據程序。

（1）顯示監控程序

顯示監控程序包括對路燈工作狀態的監控、路面狀態的監控和故障報警。其監控界面可以實現許多的功能，主要包括選擇最優路徑；監控路燈當前的亮度、功耗、工作時長及是否出現故障；自動統計該街道所有路燈的總用電量和亮燈率；系統自動動作的時間段；顯示故障路燈的具體位置及發生故障的時間[4-5]。

（2）系統參數配置程序

系統參數配置程序包括對路燈節點和系統工作時間的校正以及設置街道的地址。系統在運行一段時間后，系統時間和當前的時間會有一個差值。通過系統時間校正就可以消除這個差值，使系統時間與PC時間同步。可以根據實際情況和需要設置系統正常工作的開關機時間與街道地址。

（3）調試配備程序

配置程序主要包括串口配置、ZigBee讀取和配置以及路燈調試。串口參數的配置就是通過串口配置界面來設置的；ZigBee的配置程序主要完成對ZigBee模塊的網絡ID號和波特率的讀取與設置，還包括對網絡地址、MAC地址的讀取；通過路燈調試界面可以清楚地知道路燈周圍的環境光的強度、路燈的照明情況、功耗及故障情況的信息；也可以對路燈的光照強度進行測試和設置路燈的開關時間。

（4）存儲工作運行數據

系統在工作的時候，數據庫中儲存了由下位機傳來的路燈信息和報警信息，同時，保存在數據庫中的信息還有街道及路燈的配置信息，這樣可以方便用戶導出和打印這些信息。

3 系統功能測試

利用ZigBee網絡具有自組網的能力，在測試的時候做了一個最小系統。該最小系統由一個網絡協調器節點和3個路由器節點組成，系統在一般情況下是處于休眠狀態的，只有中斷發生時才激活節點進行工作，本系統采用了主從的工作方式。將路燈高度和路燈之間的距離分別設置為 0.7 m和0.8 m，情況如圖 5、圖6所示。

圖5 路燈1微亮，2、3全亮

圖6 路燈1、2微亮，路燈3全亮

圖5顯示的是當小車運行到路燈2位置時的狀態。此時，路燈2由微亮轉為全亮，并告知行駛過的路燈1由全亮轉為微亮。當小車繼續前行進入3號節點的熱釋電紅外傳感范圍時，3號燈就會由微亮轉為全亮，此時如果2號節點沒有檢測到車流或人流信息就會由全亮轉為微亮，情況如圖6所示。若1號節點熱釋電紅外傳感器檢測不到人流或車流信號又接收到了前方路燈發來的信號，該路燈就會由全亮轉為微亮。

本設計利用了ZigBee技術實現了路燈控制系統的實時監控和網絡化管理。該系統網絡具有許多優點，包括擴展靈活、易于安裝、操作界面友好以及管理方便等。該系統不僅節約電能，減少了浪費，而且也實現了照明系統的信息化和智能化管理，具有很好的發展前景。

[1]林方鍵，胥布工.基于ZigBee網絡的路燈節能控制系統[J].控制工程，2009，16（3）：324-326.

[2]審利民，翁桂鵬.基于ZigBee的智能小區LED路燈控制系統設計[J].中國照明電器，2010（2）：26-29.

[3]康學娟，景軍鋒.基于ZigBee網絡的路燈節能監控系統[J].現代電子技術，2010（23）：204-206.

[4]劉鵬，宋迪，牛斗.基于 CC2480的 ZigBee無線節能路燈系統[J].通信技術，2009，42（1）：331-332.

[5]王海濤，朱兆優.基于ZigBee的LED節能街燈控制系統[J].華東理工大學學報，2009，32（4）：394-396.