智能無線路燈控制系統的研究與實現

潘廣月　邱健　李映超

【摘 要】本設計主要研究基于ZigBee的無線路燈控制系統，目的在于利用無線網絡技術，構建一個控制路燈的無線網絡。整個系統主要有數個ZigBee模塊系統構成，每個模塊能自動控制一盞路燈，而其中一個模塊可以構成主機，能去控制其他子機模塊，按照主機的指令要求去控制路燈的開啟或關閉。本設計實現了節能、高效、自動化的控制系統有助于靈活控制路燈、系統科學高效的控制和路燈資源優化合理使用，為實時了解整個路燈系統的照明情況提供一種新的方法。

【關鍵詞】無線路燈；ZigBee模塊；單片機；無線傳輸

0.前言

我國部分城市路燈控制具有遙測、遙信、遙控功能運行方式靈活可靠，可以按時段，天氣等控制路燈的工作。雖然在技術控制上有相當顯著地成效，但是設計成本較高，不能夠大面積普及。本設計利用無線網絡技術，構建一個控制路燈的無線網絡，開發出一個用無線網絡控制的路燈系統。

1.無線路燈控制系統的概述

相對于傳統的路燈照明系統，本次設計利用無線網絡對路燈進行控制，整個過程可以通過無線控制實現，不需人力去對路燈進行開關以及巡邏監測路燈的工作情況，避免在惡劣環境下對路燈進行維護。根據需求對路燈進行開關和亮度的調節，可以對光能的合理有效利用，減少浪費，節能環保。系統根據需求以及周圍的環境對路燈進行自動控制，使系統更加智能化。進而利用LED照明和對太陽能的利用，可以進一步減少電能的利用，更加綠色環保。

2.系統方案設計與實現

本次設計主要使用51單片機作為主機，通過串口的配置對zigbee無線傳輸模塊發送和接收的數據進行處理，并通過液晶顯示屏顯示出來；協調器同樣使用zigbee無限傳輸模塊，是整個系統正常運行的樞紐，通過無線模塊接收各個子機發送回來的數據并進行處理，再通過串口與主機相連接傳輸數據主機。各個子機使用的同樣是zigbee無線傳輸模塊，各個子機鏈接路燈組成組網，由主機設置路燈的各種點亮方式，通過串口傳送到協調器在通過無線傳輸通知節點上控制路燈工作。

主控系統模塊是整個設計能夠實現的關鍵，在整個設計中起到主導的作用，通過主控模塊去控制以下子機模塊的功能實現。在日常設計中最長用的主控芯片是單片機，單片機的類型有很多種，其中包括STM32單片機、51單片機和AVR單片機等。STC89C52RC是一種可編程芯片，它的最高工作頻率80MHz，具有消耗低、性能高等特點。同時具備有51單片機不具備的功能，而且其指令代碼能和傳統的51單片機可以完全兼容。

無線傳輸模塊是整個設計的樞紐，目前常用無線模塊有ZigBee無線傳輸系統、nRF24L01等。Zigbee是一種基于IEEE802.15.4標準的無線組網，以CC2530作為核心板在通訊技術里面集成了一片增強型的51單片機。適合用于在路燈的設計上，本次設計就是基于Zigbee的無線傳輸及控制系統，所以在無線傳送模塊自然就選擇Zigbee了。

顯示器是本次設計中必不可少的器件，在操作和合適的過程中起到實時監控的作用，其實顯示器有很多種， LCD1602是顯示內容為兩行的液晶顯示模塊，在使用過程中功耗較小，體積微小輕便，而且價格不高，能夠顯示字符和數字，顯示內容豐富便于觀看和數據讀取。在顯示上可以背光調節，適合在不同亮度的環境下顯示清晰的效果，其性能安全可靠。

本次設計針對路燈的控制主要以輸入信號為關鍵，而鍵盤也是單片機不可或缺的輸入設備，是無線模塊與路燈之間的紐帶。考慮到本次設計的實用性，設計時選擇硬件的方式產生鍵碼。而單通常片機中使用非編碼鍵盤，其中的獨立式鍵盤根據I/O線數來確定鍵盤接口的，鍵盤的接口使用了幾根I/O口線，就有幾個按鍵。

2.1硬件設計

硬件設計部分主要由STC89C52RC單片機模塊、鍵盤模塊、顯示模塊和由ZigBee無線模塊構成的中心節點，其作為發送接收的樞紐控制以下所有子機路燈的工作。單片機模塊通過在得到鍵盤鍵入信號后，將信號通過串口發送的方式將信號發送至中心節點的ZigBee無線接收模塊。在信號接收后中心節點將信號通過無線傳輸的模式將信號傳送去子機控制路燈的工作。路燈同樣以無線傳輸的形式將其現時的工作情況反饋回中心節點模塊，再將信號反饋回單片機，而顯示模塊的作用就是時時顯示路燈的工作情況，以便于及時處理可能發生的狀況。

2.1.1無線控制路燈組網模塊

在單片機上對按鍵模塊進行設置，并通過串口將指令傳送到ZigBee模塊上，再通過協調器上的無線組網將信號傳送至各節點，以此來控制路燈的工作。同時接收節點返回的信號，對數據進行處理并顯示出來。

2.1.2路燈節點模塊

路燈節點模塊接收接收到主機發來的數據，并分析數據進行處理對路燈進行控制。各節點同時對周圍環境進行檢測，根據環境情況，并充分考慮到季節，地域性，天氣的不同狀況。春夏秋冬季節天亮與日落的時間并不相同，控制路燈工作的持續時間和路燈亮度以達到節能的目的，并將數據發回給主機。

2.2軟件設計

程序主流程主要通過主控系統開始，初始化，接收鍵盤模塊指令，串口發出數據，通過數據分析顯示模塊顯示相應數據，ZigBee模塊接收和反饋數據這一循環過程。

在本次設計中主要是以單片機模塊作為主控，其主要的作用是通過串口向中心節點無線模塊發送相應的數據。以按鍵作為控制路燈的開關，通過串口發送和接收相關的數據。

無線模塊在用ZigBee模塊的協議棧。協議就是一種通信的標準，通信雙方會按照同一個標準對這些數據進行正常的發射與接收。ZigBee的協議棧分為物理層和介質訪問層，將各層的協議集合在一起，通過函數的方式實現，在設計的過程中可以直接調用。其設計過程就是通過對協議棧組網函數的調用，加入網絡函數，從而實現網絡的建立和節點的加入。發射和接收節點通過調用協議棧的無線數據發射、接收函數，進而實現對無線數據的發射和接收。在程序設計時，調用basicRfInit（）函數對協議進行初始化。調用函數basicRfSendPacket（）和basicRfReceive（）對相應的數據進行發射和接收，同時對數據進行處理。

3.系統調試

在編譯和調試過程中，遵循的是先大后小的原則。先根據流程圖將程序的各個模塊的框架定好，然后進行編譯并進行下載調試，如編譯不通過，分塊進行檢查。如編譯通過，就可以進行模塊的編程，每編好一段完整的程序就要進行一次編譯，在完成整個模塊的編程下載調試后，在對另外的模塊進行編程，同時要注意沒編完一條程序之后要檢查程序之后的符號是否寫上。向單片機下載編寫好的程序，檢測各模塊功能是否完好，然后各模塊連接進行調試。編寫簡單的測試程序，測試各傳感器模塊、節點模塊以及單片機的協調工作，若出現問題，應該首先考慮程序問題。

4.總結

本次設計實現了設計任務的基本功能，使用無線傳輸模塊對無線路燈進行控制，采用層層遞進的方式點亮路燈，這種方法便于在后續使用中添加路燈的盞數。由于設計與實際操作之間的存在偏差，設計結果沒能做到完美。 雖然本次設計只是在實驗室小范圍進行是要使用，相信在今后進一步改善給技術添加之后，能夠大范圍使用到我們的日常生活中，節能減排做出一定貢獻。 [科]

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