基于ZigBee技術的LED路燈系統終端管控節點的設計

孫 航, 王曉薇

(沈陽師范大學 科信軟件學院, 沈陽 110034)

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基于ZigBee技術的LED路燈系統終端管控節點的設計

孫 航, 王曉薇

(沈陽師范大學 科信軟件學院, 沈陽 110034)

針對傳統路燈設備管控弊端,基于當前的嵌入式與無線傳感器網絡技術,提出了一個LED路燈末端區段的管控方案。方案采用ZigBee技術實現路燈區段的無線組網,該網絡的協調器通過GPRS或WIFI模塊與遠程管控中心進行控制命令和狀態數據傳輸,同樣的傳輸也發生在ZigBee無線網絡終端節點與路燈測控單片機上。終端路燈測控單片機通過光照傳感器、溫度傳感器獲得路燈工作狀態數據,并接收遠程控制命令,進行命令解析并執行對路燈的管控命令。方案基于功能需要和造價控制,進行了各環節的器件選擇,注重器件之間的電氣特性匹配以及工作環境抗干擾設計。方案還針對一年中不同時間段路燈點亮設置不同,對不同路燈管控策略提供硬件支持。方案的實施將實現城市路燈管控的網絡化、自動化和現代化。

LED路燈功率調節顯示; 響應及時; 控制準確; 光源穩定; 節電環保

0 引 言

隨著國家城市建設步伐的加快,城市對道路或區域場地照明設備的需求越來越大,傳統的照明設備如高壓鈉燈、金鹵燈等,燈具自身耗能較大,狀態檢測和控制方式多靠人工,管理粗放,管理成本也較高。經過多年發展,LED燈具的光照性能大大改善,同時,燈具自身節能,管控方式特別有利于銜接嵌入式控制設備。應用單片機系統實現LED路燈現場測控,采用ZigBee技術實現LED路燈的區段組網,并與GPRS相結合實現控制命令與狀態信息的遠程傳輸,設計遠程管控軟件,方便工程人員的實時管理。整個系統具有自動化程度高、運行可靠、高效節能、維護方便、便于控制等顯著特點。

1 終端管控節點

1.1 終端管控節點組成

智能路燈管控系統是一個典型的物聯網應用系統,從結構層次上看包括感知層、傳輸層與表現層。構造示意圖如圖1所示,這里,路燈端的終端管控節點作為感知層。

圖1 終端控制節點結構

終端管控節點既能接收遠程控制中心的指令,解析這些指令控制路燈的運行,又要監測路燈工作狀態,周期性通過傳輸層向遠程控制中心發送采集到的路燈運行參數,及時發現故障路燈并能夠自動識別故障燈地址以實現報警。終端管控節點包括ZigBee終端節點單片機、LED路燈控制器模塊、LED路燈監測模塊3個部分。

1.2 各部件功能

1) 無線通信ZigBee終端:作為ZigBee網絡的終端組成,直接與實現最終路燈管控的單片機進行通信,同時由于ZigBee網絡的終端節點所采用的是TI公司的CC2530本身就是一款功能不錯的單片機,所以本設計方案中直接采用這個終端同時作為管控單片機。

2) 終端管控單片機:接收管控傳感器的信號,包括光照傳感器、溫度傳感器、電壓電流檢測。終端管控單片機一方面向遠程控制中心上傳本路燈地址數據和這些監測數據,一方面也可判斷本路燈是否故障,如判斷故障,啟動電源關閉等動作。

3) LED驅動模塊:對現場LED路燈進行開關、調功控制。

4) PWM:通過PWM控制電流變化從而控制LED燈的亮暗變化。

2 中心控制模塊

2.1 CC2530核心板電路模塊

主控芯片選用TI公司的ZigBee芯片CC2530,完成無線網絡的通信功能,芯片中的8051內核作為控制系統的微控制器。CC2530只要外接少量的電阻、電容、電感等元器件,就可以進行工作。核心板的電路圖如圖2所示。

其中P1_0和P1_1分別作為控制路燈亮度的2個IO口,P1_2和P1_3作為連接光照傳感器的2個IO口,用來實現讀取當前光強、設置傳感器模式等功能。

圖2 CC2530核心板電路

2.2 ZigBee終端點控制與傳輸功能的介紹

無線網絡采用Zigbee技術,使路燈工作現場與系統監控中心可靠通信。這種技術主要應用在數據傳輸速率不高且短距離傳輸的各種電子設備之間,非常適合工業控制、環境監測等場合,具有低功耗、低成本和低復雜度等特點。本系統Zigbee模塊采用CC2530片上系統作為控制電路的核心,具有256KBFLASH,在接收和發射模式下,電流損耗分別低于25 mA和34 mA。模塊電源由外部穩壓電源提供5 V電壓,以確保各節點長時間穩定工作。

根據路燈系統特點,網絡采用樹形連接,以便靈活擴展節點和自組網絡。與PC機串口RS232連接的Zigbee模塊為網絡協調器,起著組織、管理網絡和發號施令的作用;當網絡有節點加入時,它分配地址給新節點,因此不能掉電也沒有低功耗狀態。

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,可以收發數據也可以轉發數據,承擔著與上位機和相鄰節點通信的任務。

2.2.1 功率調控的設計

智能路燈的主要目的是節能,根據采集的光照與電流電壓信號進行路燈的開關和功率控制。路燈控制分為2種方式:智能控制和應用電腦終端或手機、平板進行手動控制,其中智能控制是按照季節的不同設計路燈不同的工作策略,包括開關燈的時間,調功時間等,系統自動按照相應的工作策略完成功能。

路燈的開關可以通過向單個路燈控制節點中的單片機(這里直接采用CC2530)傳輸開關命令,后者控制繼電器進行開關;而路燈點亮后的功率調節(可改變路燈亮暗程度)可選擇的方案通常包括PWM調功或D/A轉換調功,這里采用前者,PWM頻率一般經驗取值500～1 000 Hz,占空比一般在20%～100%調節。

2.2.2 監測數據的獲取與傳輸

檢測每盞路燈的工作狀態,準確定位故障路燈并及時報警是提高效率、節約成本的重要功能。智力采用一種簡單實現方案,在確定路燈處于開燈狀態,檢測路燈照射區的光照強度,并同背光區檢測的光照強度作比較,如果相同,表示路燈該工作而沒有工作,即判斷為故障燈,傳輸該路燈ZigBee終端節點的地址(如固定的IP地址或MAC地址或預定義的邏輯編號)到控制中心,控制中心進行該地址地邏輯地址(如某某路某某號路燈)的轉換。

路燈上的光照傳感器采集光照數據,該數據為模擬量,需經過A/D轉換成數字量。CC2530集成有A/D轉換電路,但由于CC2530供電電壓為是3.3 V,所以采集到的光照信號最好處理為大于0 V,小于3.3 V的電壓,以利于單片機的A/D轉換。

與路燈相連的是終端節點,采集的數據由終端節點向上通過路由器、協調器、遠程網絡傳輸(如GPRS或WIFI)模塊向控制中心傳送。

3 光照度采集模塊

圖3 BH1750FVI系統結構Fig.3 The structure of BH1750FVI system

光照傳感器是一種將環境光照度,轉化為數字量的傳感器,常用的光照度為勒克斯(Lx)。BH1750FVI是基于I2C總線的光照度集成電路,其具有感光的范圍與人眼相近,功耗少,測量的角度大,外圍電路簡單等特點。其內部工作原理是,流過光感二極管的電流隨著光照度增大而增大,芯片中的ADC將電壓值采樣,轉化為數字量,通過總線發送出去,系統結構如圖3所示。

BH1750FVI只需少量的外部單元,即可使用,在本設計中P1_2連接SCL,P1_3連接SCA,電路如圖4所示。

圖4 BH1750FVI電路

4 LED驅動模塊

4.1 LED驅動需實現的功能

LED路燈可采用低壓直流供電、通過外殼散熱,可充分保證50 000 h的使用壽命。按照每天工作12 h計算,其壽命也在10年以上,維護費用極低;而且與傳統的鈉燈相比,可節電60%以上。

圖5 HV99911引腳Fig.5 The HV99911 pin

LED路燈的發光主體實質上是眾多相同發光二極管構成的燈珠,先串聯形成燈帶,再由這些串聯燈帶并聯形成燈珠矩陣。以一個次干道120 W LED路燈為例,假定120顆燈珠,以10串12并組成,則每顆燈珠瓦數為1 W,每串燈帶功率10 W,以100 V直流電壓為并聯燈帶供電,則每條燈帶需要電流為0.1 A。終端管控節點要實現對LED路燈控制,需要滿足如下要求:為保證各個燈珠發光效果相同,串聯的燈帶采用恒流源供電;支持對LED路燈的開關控制;支持PWM調功控制,PWM的頻率要與路燈燈珠響應速度相互適應。所以為滿足這些要求,一個完整的LED驅動電路是必須的。

4.2 LED驅動電路的設計

HV9911是電流模式LED驅動芯片,以—恒定的工作頻率或以—恒定的脈寬關斷時間來實現PWM模式轉換器控制(降壓,升壓或升降壓),可高精度輸出電流。HV9911可控制MOSFET 提供一個0.25 A～0.5 A 柵極驅動以適合—些大功率的應用,可內置9～250 V線性穩壓器提供芯片工作電壓,也可外接電源實現相同功能。

參照圖5與表1,PWM調光可通過施加一個TTL方波源到PWMD引腳來實現。當PWMD信號是高電位時,GATE腳和FAULT腳作為輸出,使能,同時,芯片內部放大器的輸出被連接到外部的補償網絡,因此內部放大器控制著輸出電流。當PWMD信號變低時,斷開了內部放大器的輸出與外部補償網絡的連接,GATE失效,轉換器停止開關,FAULT腳電位變低,斷開開關。轉換器要接輸出電容以決定著換器PWM調光的響應,該電容在PWMD降壓電路中,由于電感電流連續性的抵消,對轉換器的PWM調光效應影響最小化;但是在升壓時則需一個非常大的電容以降低LED電流上紋波,所以,該電容對PWM調光有重要的作用。

表1 HV99911實現PWM控制引腳說明

PWMD信號由單片機的Timer控件可以很容易地編程產生。基于上面表述,本方案所設計的LED驅動電路如圖6所示。

圖6 LED驅動電路

4.3 實現特點

1) 電壓調整率非常好,可與線性穩壓電源相媲美。這是因為輸入電壓變化可以立即反映為電感電流的變化,它不經過任何誤差放大器就能在脈沖比較器中改變輸出脈沖寬度,實質上起到了前饋控制作用,即輸入電壓變化尚未導致輸出電壓變化時,就由電流內環產生調節作用。

2) 回路穩定性好,負載響應快。因為電感中電流脈沖的幅值與輸出電流的平均值成正比。

3) 固有的逐個脈沖幅值檢測及限流,簡化了過載保護和短路,大大提高了工作可靠性。由于內環采用了直接的電感電流峰值檢測技術,可以及時、靈敏和準確地檢測輸出或變壓器或開關管中的瞬態電流值,形成逐個脈沖檢測電路,從而在電路導致過載或短路時保護開關管和變壓器,所以電感的延遲作用沒有了。

5 電源電路設計

本節點電源電路的設計采用電池供電,采用ASM1117電壓轉換芯片,提供需要的電壓。控制節點的電源電路,如圖7所示。原理圖中AMS117有固定和可調兩個版本,輸出電壓可以是1.2 V～5.0 V之間。CC2530芯片和單片機工作電壓均為3.3 V,繼電器驅動電壓為5 V,設計相應驅動電路。使用電池組供電,就可以控制CC2530底板進行組網的測試,而且電池組供電可以滿足芯片工作需要。

圖7 控制節點的電源電路

6 總結與展望

通過使用無線通信模塊的數據傳輸功能,利用Zigbee技術可以為路燈工作現場與系統監控中心提供可靠信息交換;利用單片機ATMEGA16監控溫度傳感器、電壓電流檢測等元器件,并將相關信號上傳至中心控制節點,從而實現在中央控制中心實時觀測各個節點功率,各個節點的溫度變化;利用傳感器對相關信息的收集功能及生成的模擬信號,通過DA實現對路燈的有效控制。

[ 1 ]王小強,歐陽俊,黃寧淋. ZigBee無線傳感器網絡設計與實現[M]. 北京:化學工業出版社, 2012:2.

[ 2 ]青島東合信息技術有限公司. ZigBee開發技術及實踐[M]. 西安:西安電子科技大學出版社, 2014:14-15.

[ 3 ]HV9911. Switch-Mode LED Driver IC with High Current Accuracy[EB/OL].[2016-11-15]. http:∥wenku.baidu.com/view/7f501261011ca300a6c3906e.html.

[ 4 ]謝蘭清. 電子電路分析與制作[M]. 北京:北京理工大學出版社, 2012:44-50.

[ 5 ]安錫穎. LED路燈無線智能控制系統設計[D]. 上海:華中科技大學, 2009:6.

[ 6 ]郗書堂,胡培生,李景色,等. 路燈[M]. 2版. 北京:中國電力出版社, 2013.

[ 7 ]蔡自興,徐光祐. 人工智能及其應用[M]. 北京:清華大學出版社, 2010.

[ 8 ]章偉聰,俞新武,李忠成. 基于CC2530及ZigBee協議棧設計無線網絡傳感器節點[J]. 計算機系統應用, 2011,20(7):184-186.

[ 9 ]彭燕. 基于ZigBee的無線傳感器網絡研究[J]. 現代電子技術, 2011,34(5):50-51.

[10]梁光勝,劉丹娟,郝福珍. 基于CC2430的ZigBee無線網絡節點設計[J]. 電子設計工程, 2010,18(2):15-16.

[11]董靈江. 電子學入門[M]. 北京:科學出版社, 2010:24-30.

[12]章偉聰,俞新武,李忠成. 基于CC2530及ZigBee協議棧設計無線網絡傳感器節點[J]. 計算機系統應用, 2011,20(7):184-186.

[13]周輝,陳湘萍. 基于Zigbee的無線路燈網絡[J]. 現在機械, 2011(6):68-71.

[14]郭園. 基于Zigbee和GPRS的LED路燈智能照明控制系統的研究[D]. 青島:青島科技大學, 2012.

[15]張俊華. 基于GPRS和Zigbee的無線智能路燈控制系統設計[J]. 計算機光盤軟件與應用, 2012(7):200-201.

LED street lamp system based on ZigBee technology design of terminal control node

SUN Hang, WANG Xiaowei

(Branch Letter Software College, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China)

In view of the drawback of the traditional street lamp equipment control, based on the current embedded and wireless sensor network technology, this paper proposes a control scheme with the section at the end of the LED street lamp. The scheme applies ZigBee technology to realize the wireless network of street light section, whose coordinator carries out control commands and status data transmission with remote control center by GPRS or WIFI modules, where the transmission is similar in ZigBee wireless network terminal nodes and street lamp control on the single chip microcomputer. Terminal street lamp control MCU obtains the street lamp working condition data through light sensors, temperature sensors and receives the remote control command, then conducts command parse and executes the instruction of street lamp control. Based on the functional requirements and cost control, the scheme select devices each link, paying attention to the matching of electric characteristic and anti-interference design under working environments between devices. The scheme also provides hardware support for different street lamp control strategies with different lighting settings in different time periods of the year. The implementation of the scheme will realize the network, automation and modernization of urban street lamp control.

LED street lamp power regulation display; timely response; accurate control; stable light source; energy-saving environmental protection

1673-5862(2017)02-0247-06

2016-10-12。

遼寧省科技廳自然科學基金資助項目(201202202)。

孫 航(1988-),男,遼寧遼陽人,沈陽師范大學教師,碩士研究生; 通信作者: 王曉薇(1971-),女,內蒙古赤峰人,沈陽師范大學教授。

TP391.1

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2017.02.023