基于低功耗自組傳感網智能路燈監控系統的設計實現

張錦濤，張翰宗，張文德

（西安電子科技大學微電子學院，710126）

0 引言

城市智能照明系統是智能交通系統重要組成部分。利用智能物聯網技術能夠有效提高如何節約能源，提高路燈能源的利用率并對路燈進行自動化、智能化的管理等急需解決的問題。

ZigBee 技術以其低功耗、通信可靠、網絡容量大等特點為路燈自動控制領域提供了較合適的解決方案。而基于ZigBee 自組網的LED 智能照明控制系統是將ZigBee 在短距離無線傳輸的優勢與LED 照明壽命長和節能的優勢相結合。具有安全、智能、便于控制、方便維護等特點。

本文提出了一種基于物聯網技術的交通照明控制系統。利用用ZigBee 技術與新型傳感器、功率控制器及LED 路燈相結合，完成對城市路燈照明系統的集中監控。

1 系統設計方案

對路燈來說，其照明作用是最主要的，其它傳感器是為了輔助路燈而設計的，用來實現更好的照明效果或減少不必要的資源浪費。因此，傳感器的選擇比較關鍵。本系統涉及的傳感器有人體熱釋電紅外傳感器、tsl2561 亮度傳感器。路燈節點主要由LED燈具、蓄電池、LED 穩壓電路、故障檢測電路、微控制器、ZigBee無線數傳模塊及其它外圍傳感器模塊構成，系統的整體結構如下圖1 所示。

本系統路燈的工作模式共三種：分別為白天模式、夜晚模式和午夜模式。在主控平臺進行工作模式的選擇，工作模式由外界環境來設定。

白天正常模式下，當環境亮度強到一定光強值時，不再需要路燈照明，此時路燈將處于關閉狀態；特殊情況下，如陰雨或大霧天氣時，只需在主控平臺進行設置，使路燈打開，即可應對各種突發情形。

夜晚模式下，路燈會根據設定的光強值進行判斷，當環境亮度小于所設定的光強時，路燈開啟，并將路燈的狀態通過無線數傳模塊發送到主控平臺，在主控平臺的界面上就可隨時觀測路燈狀態。一旦此時路燈突然關閉，將會實現自檢功能，將檢修的信息發送到主控平臺，主控平臺通過對這些數據進行分析，可將有問題的路燈信息通過GSM 模塊發送到路燈維修人員的手機上，以實現路燈的及時維護。

在午夜模式下，主控平臺會根據電腦系統時間定時關閉路燈，以節約電能。主控平臺的硬件結構如下圖2 所示。

2 系統硬件設計

2.1 控制部分

2.1.1 主控制器單元

主控平臺用LCD12864 液晶輔助顯示路燈實時狀態信息。中央處理器用Arduino MEGA2560 單片機處理路燈實時數據信息。MEGA2560 的處理器核心是ATmega2560，同時具有54 路數字輸入/輸出口（其中16 路可作為PWM 輸出），還具有16 路模擬輸入，4 路UART 接口，采用16MHz 的晶體振蕩器，兼容Arduino UNO 設計的擴展板。片上資源可以滿足單路燈節點照明的需求，并為后續在路燈上開發新應用提供了較大的選擇空間。

2.1.2 故障監測

本系統是通過路燈外部傳感器配合微控制器來控制路燈的狀態，因此路燈故障的監測也更為復雜。要實現遠程故障監測，需要可正常工作的無線模塊，若不能監測到無線模塊傳回的數據，則問題可能出現在供電或模塊損壞上。

計算公式為：checkDATA=0xFF -(type) -(DATA)

路燈出現故障時會向主控平臺發送類似數據：

主控平臺對收到的數據進行計算，將收到幀數據的后三個字節的值求和，并進行判斷，若為0xFF，則該幀數據有效；反之，該幀數據無效。通過簡單的計算和判斷就可知道信息來源與信息數據以及信息的正確性。這樣便可大大的提高數據的可靠性與穩定性。

2.1.3 故障報修

本系統采用華為公司的GTM900C 無線通信模塊來反饋故障信息，這是一款兩頻段GSM/GPRS 無線模塊，支持標準AT 命令及增強的AT 命令，可提供豐富的語音和數據業務等，支持Text 和PDU 格式的SMS（Short Message Service，短消息），可通過UART接口與單片機通信。

路燈管理人員通過液晶顯示屏可知道當前路燈狀態。若路燈出現故障，微控制器將分析反饋回來的信息，將有故障的路燈信息顯示在液晶顯示屏上，并向指定的手機號碼發送短信，告知故障路燈信息。路燈維護人員通過短信即可知道路燈故障的原因，這將減少維修時間，提高維修效率。

2.2 無線通信(ZigBee)模塊

本系統ZigBee 模塊采用的是DIGI 公司生產的XBee S2 模塊，該模塊是一款超小型但功能完善的ZigBee 收發器，其接口簡單，易于使用，具備防水、防雷和防沖擊的性能，并且可以滿足室外各路燈間的距離要求。是一款把ZigBee 協議內置進Flash里的ZigBee 模塊，其內部已經包含了所有外圍電路和完整協議棧，能夠立即投入使用。PC 上有專門的配置工具X-CTU，采用串口和用戶產品進行通訊，并可以對模塊進行發射功率，信道等網絡拓撲參數的配置，使用起來簡單快捷。本項目中XBee 模塊通過UART 接口直接與MEGA 2560 控制器的串口0 相應管腳交叉相連。XBee 模塊的通信系統原理結構如下圖3 所示：

2.3 傳感器模塊

路燈上采用熱釋電紅外傳感器來檢測有無行人（行人檢測原理如下圖4 所示）。熱釋電紅外傳感器具有成本低、無需發射源、靈敏度高、可流動安裝等特點。實際應用中，在傳感器前加菲涅爾透鏡可以提高接受的靈敏度，增加檢測距離和范圍。實驗證明，熱釋電紅外傳感器不加菲涅爾透鏡時檢測距離為2m；而配上菲涅爾透鏡后檢測距離可達到7m 以上。

路燈上的亮度檢測傳感器采用TAOS 公司推出的第二代光強數字轉換芯片TSL2561，其具有高速、低功耗、寬量程、可編程靈活配置等優點。并且具有直接的I2C 接口，將光照強度轉換成數字信號輸出。

3 系統軟件設計

3.1 下位機軟件結構

路燈節點的微控制器控制XBee 模塊與主控平臺保持實時信息交流（結構如圖5 所示）。路燈開燈條件為亮度低于設定值且在路燈旁有人經過時，則會自行打開路燈。當路燈出現故障時，單片機便自行發送故障信息，及時告知路燈維護人員。

3.2 上位機軟件結構

PC 機服務器采用QT 編寫程序，采用QT 是因為其可移植性高和利于編寫良好人機界面的特點。本軟件結構（圖6）以實時數據庫為核心來實現功能，它要求能夠實時地從協調器獲取數據，進行運算、顯示、故障報警等。該系統管理軟件有如下一些主要功能：主界面是對路燈的實時觀測，反饋路燈的狀態、運行時間、環境光強、功耗等實時信息。

4 實驗結果

制作了4個路燈節點模型，在小范圍進行模擬實驗，通過PC智能路燈管理軟件遠程操作可以完成三種模式的要求，并實時監測路燈信息，反饋給PC 軟件。

5 結束語

文章介紹了基于MEGA 2560 微控制器的智能LED 路燈控制系統，利用XBee S2 自組網與GSM 移動通信相結合的通信網絡來實現智能無線監測路燈的功能，并自己設計開發了路燈管理軟件。通過本項目希望對以后新型路燈的設計能提供一個較好設計思路。

[1] 《基于Arduino Mega2560 單片機的簡易智能割草機器人的設計》 劉南君，毛培宏

[2]《基于GSM 技術的LED 顯示屏無線數據傳輸接口設計》左小峰，姜平，周根榮，肖紅升

[3]《基于XBee 與GPRS/GSM 的智能抄表系統》肖振峰 袁榮湘

[4]《基于TSL2561 的無線光強傳感器節點設計》 楊明慧