遠程無線路燈控制器的設計與開發

葉木進+王陳+朱德富+趙媛媛+姚有峰

摘 要：針對傳統路燈控制系統在節能和控制方面存在的不足，文中設計了一種遠程無線路燈控制器。該控制器基于ZigBee超低功率無線傳輸模塊，綜合利用多種傳感器實現夜間人車自動檢測，在人車較少或者無人車經過時自動調節路燈亮度，減少了不必要的資源浪費，實現了路燈工作狀態自動檢測的多傳感器融合，通過核心處理器與ZigBee無線傳輸模塊節點的通信，實現了遠程無線監測與控制。

關鍵詞：ZigBee；節能；傳感器；路燈控制器

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）02-00-04

0 引 言

隨著我國經濟的迅速發展和城市化浪潮的推進，智能路燈照明系統受到了社會越來越多的關注和重視。尤其在當前能源緊缺的大環境下，節能已成為全社會共同關心的問題。中國住房城鄉建設部更明確要求采用先進的技術來提高城市照明節能管理水平[1，2]。目前，我國大部分道路照明都采用“人控”或“時控”等單一控制方式[3，4]。人工控制容易受天氣的影響，而定時控制容易因季節、天氣等變化產生早開、晚開等誤操作，給居民生活帶來諸多不便。

為了解決現有路燈控制器在節能和檢測方面存在的不足，本文設計了一種遠程無線路燈控制器。該控制器利用紅外探測、亮度檢測等技術，根據有無行人通過來控制夜間路燈亮度，從而減少電力損耗，實現節能。系統中利用電流傳感器實時監測路燈工作狀態，實現路燈工作狀態的自動檢測，從而減少人工巡檢的工作量。本路燈控制器在智能化、節能化方面有較好的效果。隨著城市照明多樣化的發展，這種智能節能路燈控制器將有更廣闊的應用前景[5]。

1 控制器的系統組成

本系統主要由ZigBee無線收發模塊、紅外檢測模塊、光照強度檢測模塊和路燈工作狀態監測模塊組成。單燈控制器系統組成框圖如圖1所示。

系統核心處理器采用TI公司生產的CC2530芯片，光照亮度由數字光照強度傳感器BH1750采集。當光照強度信息傳入芯片后，通過與預設的閾值進行比較，判斷是否需要開啟路燈[6]，從而減少由“人控”“時控”產生的誤開。該控制器利用紅外傳感器實現深夜無人或者行人較少時段人員和車輛的檢測，在無人無車時降低路燈發光亮度，減少不必要的損耗。燈光亮度通過開關二極管的單向導電性實現燈光亮度的二級調節，節約能源。通過電流傳感器實現路燈工作狀況自檢，并將檢測結果反饋到控制中心，實現遠程故障監測，減少人工巡檢的工作量，達到節省電力、人力，方便居民生活的目的。

2 硬件設計

2.1 ZigBee模塊

ZigBee是一種無線連接，可工作在全球流行的2.4 GHz頻段上，具有最高250 kbit/s傳輸速率，通訊距離達幾百米到幾千米，并且支持無線功率擴展[7]的無線通信技術。ZigBee具有以下特點：

（1）低功耗：由于ZigBee的傳輸速率低，因此其發射功率僅為1mW，而且工作間隙采用休眠模式，進一步降低了功耗。通過實驗測試，ZigBee設備僅靠兩節5號電池就可以維持長達6個月到2年的工作時間。

（2）成本低：ZigBee模塊的成本低，一塊ZigBee模塊售價約2.5美元，且ZigBee協議免專利費，大大降低了系統開發成本。

（3）網絡容量大：一個星型結構的ZigBee網絡最多可以容納254個從設備和一個主設備，一個區域內可以同時存在最多100個ZigBee網絡，而且區域組網靈活。

2.2 光照強度檢測模塊

在設計控制器系統時，最初利用室外的光照強度來自動控制路燈的開啟與關閉。那么如何能夠實時、準確地掌握室外光照強度的變化，成為自動控制的關鍵。毫無疑問，光照強度傳感器是最好的選擇，本系統采用GY-30光照強度檢測模塊，其核心由內部含有十六位模數轉換并具有I2C通信功能的BH1750芯片構成。傳感器中的感應元件根據熱電效應原理，采用繞線電鍍式多接點熱電堆，其表面涂有高吸收率的黑色涂層，熱接點在感應面上，而冷接點則位于機體內，冷熱接點產生溫差電勢，在線性范圍內，輸出信號和太陽輻射照度成正比。當檢測到環境中的光線低于或高于設定的閾值時，在SCL時鐘作用下，通過SDA將數據傳送給單片機，進行自動控制。從而實現了路燈由“人控”“時控”到“光控”的轉變，避免了電力資源的浪費，節省了人力、物力，既方便，又符合節能環保理念。光照強度檢測模塊電路如圖2所示。

此模塊主要用于檢測室外光照強度，當采集到的照度值低于預設閾值時，自動開啟路燈，從而避免了白天因惡劣天氣導致室外光照強度較低而誤開路燈的情況出現，實現了節能控制功能。

2.3 行人紅外檢測模塊

為了完善控制器的自動控制功能，充分體現節能環保的設計理念，在已有“光控”的基礎上，增加了行人紅外檢測模塊。此模塊主要用于當檢測到深夜長時間無行人經過或者行人較少時，降低路燈的亮度，以實現節能的目的。行人紅外檢測模塊主要依靠紅外傳感器進行檢測。設計中采用熱敏型傳感器，其核心元件是熱敏電阻，處理部分是數模混合的BISS0001芯片。其工作原理是：在熱釋電晶片表面罩上一塊菲涅爾透鏡，若有人進入透鏡監視范圍，則人體發出的約10 μm特定波長紅外線就會被檢測到，通過光學系統，使熱敏電阻受到紅外線輻射，此時溫度升高，電阻發生變化，通過處理電路將其轉換成電信號輸出，驅動控制電路，以此完成偵測過程。行人紅外檢測電路如圖3所示。

2.4 路燈工作狀態監測模塊

路燈在正常工作一段時間后，會不可避免地出現故障。為了不影響居民的正常生活，就需要經常安排人員巡檢，以便發現、排除故障，不僅浪費人力、物力，而且不能及時了解故障信息。結合生活實際與路燈故障的主要原因，本文設計了路燈工作狀態監測模塊。由于導致路燈出現故障的原因一般為即短路或斷路[8]，因此在設計路燈工作狀態監測模塊時，需對路燈工作電流進行檢測。此模塊采用基于霍爾感應原理設計的ACS712電流檢測芯片，當電流流過銅箔時產生磁場，霍爾元件根據磁場感應出一個線性電壓信號，然后經過內部放大、濾波等處理，輸出一個電壓信號，通過確定流經銅箔的電流大小判斷路燈是否工作正常[9]。若被檢測電流大于或小于預設閾值電流，則認為路燈處于非正常工作狀態。此時路燈節點向控制中心發送故障信息，實現遠程故障監測，節省了電力、人力。路燈工作狀態監測電路如圖4所示。endprint

2.5 控制模塊及系統組成

該控制器的電路系統由CC2530主控芯片、GY-30光照強度檢測模塊、ACS712電流檢測模塊、HC-SR501紅外探測模塊、電力供電模塊與整流二極管路燈亮度調節電路組成?？刂颇K及系統組成如圖5所示。

光照強度檢測模塊GY-30內置模數轉換電路，通過SDA引腳直接輸出數字信號，控制器將采集到的光照強度數值與預設值進行比較，確定是否需要開啟路燈，從而實現對路燈的自動開啟與關閉。電流檢測模塊ACS712是為實現路燈工作狀態的自動監測而設計，其內置的ACS712芯片是Allegro公司最新推出的一種線性電流傳感器，該器件內置有精確的低偏置線性霍爾傳感器電路，能輸出與所檢測到的交流或直流電流成相應比例的電壓，具有低噪聲、響應時間快等優點。路燈正常工作時，電流大小較為穩定，若電流為零或無窮大，則判定路燈出現故障，并將故障信息反饋到管制中心，實現路燈工作狀態的自動檢測。紅外探測模塊HC-SR501為被動紅外檢測方式，當檢測到人體紅外時，該模塊的OUT引腳輸出高電平。主控芯片通過對該引腳高低電平的檢測來判斷是否有行人經過。若深夜長時間檢測到無行人或行人較少，則控制器啟用路燈亮度調節電路，降低路燈亮度，節約能源。

電力供電模塊將AC 220 V交流電壓轉換為DC 5 V直流電壓給系統供電。路燈亮度控制或亮度調節電路由繼電器、三極管、整流二極管組成。繼電器與NPN型三極管組成共射電路，通過CC2530的P10與P11引腳控制三極管的基極電壓，從而實現對繼電器的控制。路燈正常亮度照明時繼電器K1工作、K2斷開；當深夜行人較少需要降低亮度時，繼電器K1斷開，K2工作。在繼電器K2的回路中串聯了D1整流二極管1N4007，考慮到正弦交流電在一個周期內有正半周與負半周之分，因此可利用開關二極管的單向導電性[10]使路燈在一個周期內工作的時間降為原來的1/2，從而降低路燈亮度，體現了自動控制與節能環保的設計理念。

3 軟件設計

控制器最初的設計思路是在ZigBee無線數據傳輸模塊的基礎上，利用光照強度傳感器與繼電器來控制路燈的開啟與關閉。但這種控制功能過于單一，滿足不了現代社會發展與人們生活的需要，所以在此基礎上增加了行人與車輛紅外檢測模塊。當檢測到深夜行人或車輛較少時，降低路燈照明亮度。由于路燈出現故障時需要及時、準確地掌握故障信息，所以要實時監測路燈的工作狀態。為了減少因路燈故障給居民生活帶來的影響，在現有基礎上設計了路燈工作狀態監測模塊。根據控制器功能的需要編寫系統軟件及其流程，如圖6所示。

系統首先進行初始化，然后開始檢測光照強度。光照強度檢測是控制系統的核心，控制著路燈的工作狀況，在所有控制功能中其優先級最高。只有當光照強度低于預設閾值時，控制程序才會進入路燈工作狀態檢測。若路燈出現故障，則控制器會向控制中心發送路燈故障信息。若路燈工作狀態正常，則進入紅外功能檢測：當檢測到有行人或車輛時，發送指令提高路燈照明亮度；當長時間無行人或車輛時，則降低路燈發光亮度。

4 結 語

本文提出了一種基于ZigBee超低功率無線傳輸模塊的遠程無線路燈控制器。通過硬件與軟件設計，綜合利用多種傳感器實現了夜間紅外自動檢測，并通過ZigBee無線傳輸功能實現了控制器節點與控制中心的通信，及遠程無線控制與監測。通過在實驗室搭建ZigBee無線傳輸系統對照明燈具進行控制，基本實現了所設計的功能。

參考文獻

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