基于ZigBee的道路智能照明控制系統設計

陳曉莉 王志鐸

摘 ?要： 針對當前道路照明存在的一些不足，文中將ZigBee網絡和GPRS網絡相連接，同時將服務器與遠程照明管理中心相結合，構建了道路智能照明控制系統。該系統以ZigBee網絡為核心，由路燈終端節點、無線網關節點和照明控制中心組成。系統實現了路燈的遠程手動或自動控制、路燈狀態監測、故障路燈精確定位等功能，節約了照明能耗，降低了維護檢修成本，提高了路燈照明的智能化。經過實驗測試，該系統響應迅速，報障準確，且通信性能可靠，提高了道路照明的智能化。照明管理中心的多平臺互通方便了使用不同設備的管理人員進行監管。

關鍵詞： 智慧城市; 照明控制系統; ZigBee; 無線網關; 路燈控制; 故障定位

中圖分類號： TN92?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）12?0072?04

Abstract： In allusion to the deficiencies existing in current street lighting， an intelligent street lighting control system is constructed in this paper by connecting the ZigBee network with GPRS network and combining the server with remote lighting management center. The system taking the ZigBee network as the core， is composed of the streetlight terminal node， wireless gateway node and lighting control center. The system can realize the functions of remote manual and automatic control of streetlamps， status monitoring of streetlamps， and accurate location of fault streetlamps， save energy of lighting， reduce maintenance and inspection costs， and improve the intelligence of street lighting. The experimental test shows that the system has a fast response， accurate fault alarm， and reliable communication performance， and can improve the intelligence of street lighting. The multi?platform intercommunication of the lighting management center can facilitate the management personnel of different devices to conduct supervision.

Keywords： intelligent city; lighting control system; ZigBee; wireless gateway; streetlamp control; fault location

0 ?引 ?言

城市道路照明是社會公共設施的重要組成部分，在“互聯網+”的時代背景下，城市道路的智能照明是物聯網發展的必然趨勢。隨著城市現代化的發展，照明設施也逐漸發展得較為先進，為人們的出行提供了很大的便利。但是目前的照明系統存在一些問題，例如：路燈數量的不斷增加導致維護成本、社會成本的上升問題;夜間車輛行人稀少時，路燈仍然全部運行的能源浪費問題;路燈由于自然原因損壞不能及時被照明控制中心及時發現的問題等[1]。在智能照明控制系統的管理下，能夠有效地監測路燈的運行狀態，并實時分析路燈狀態，進行相應控制和維護，從而解決上述問題。

智能照明是指利用先進的電力線載波通信、ZigBee無線通信、2G通信、3G通信、云計算、物聯網、移動互聯網技術以及節能控制等技術實現對照明設備的集中控制和管理，通過設定一定的控制策略，實現亮度的按需調節、故障自動報警等功能，能夠大幅節省電力資源，提升公共照明管理水平，節省運維成本[2]。筆者應用ZigBee技術，設計基于ZigBee的道路智能照明控制系統。

1 ?系統總體方案設計

道路智能照明系統主要由路燈終端節點無線網關節點和照明管理中心組成。路燈終端節點安裝在每個路燈上，是無線傳感網絡的終端控制節點;無線網關節點作為傳感網絡的中心，無線傳感網絡采用鏈狀樹形網絡自組織結構。若干個路燈終端節點和一個無線網關節點構成一組局域網。無線傳感網絡之間通過ZigBee協議進行通信[3]，無線網關節點將數據上傳到固定IP的服務器上，由服務器轉發至照明管理中心，照明管理中心可以是電腦、平板電腦和手機，管理員根據獲取到的數據處理分析可以對整個路燈網絡設置自動控制或者手動控制。每次路燈開始運行時對路燈的狀態進行檢測，若出現故障，會上傳到服務器具體的故障路燈信息，管理人員通過照明管理中心可以收到故障信息從而安排人員進行維修。系統整體結構如圖1所示。

圖1 ?系統結構圖

2 ?系統硬件設計

硬件部分主要包括：ZigBee模塊、傳感器模塊、GPRS模塊等。本設計中，傳感器模塊有光敏電阻模塊和光照傳感器模塊[4]，分別用于路燈狀態檢測和采集環境光強信息。ZigBee模塊選用TI公司生產的CC2530芯片，該芯片集成了Z?Stack協議棧，可以方便地實現自組網從而組建路燈傳感網絡。GPRS模塊采用易通星云公司的M260模塊，此模塊是易通星云公司的一款工業級的GPRS無線通信+GPS定位功能的模塊產品，利用SIM卡和運營商GPRS網絡提供無線網絡數據通信，通過對模塊遠程設置獲取GPS坐標信息，還可以通過串口和目標設備相連接做數據通信。該模塊內置協議棧，提供免費的云平臺和手機SDK，方便進行系統的設計。

2.1 ?路燈終端節點設計

路燈終端節點是整個傳感網絡的末端，它們主要負責數據的采集并周期性地將數據上傳，根據照明管理中心的控制命令開關路燈和調節PWM[5]輸出從而調節路燈的亮度。每個節點由CC2530芯片、光敏電阻模塊和LED路燈（帶PWM驅動）組成。光敏電阻模塊通過判斷是否有光照判斷路燈是否正常運行，若發生故障，會發送故障信息給照明管理中心，LED通過CC2530調節PWM的占空比對亮度進行控制。路燈終端節點硬件結構圖如圖2所示。

圖2 ?終端節點硬件結構圖

2.2 ?無線網關節點設計

無線網關節點是整個傳感網絡的中心點，每個無線網關節點負責一組無線傳感網絡，主要負責數據的交換。終端的路燈運行狀態信息通過終端發送給無線網關節點，無線網關節點發送到服務器，照明管理中心從服務器獲取信息，由照明管理中下發的控制指令經由服務器發送至無線網關節點，然后通過傳感網絡下發至各個路燈終端節點執行指令調節路燈的工作狀態，每個區域的無線網關節點上連接著一個光照傳感器，用來采集外界環境的光照信息供照明管理中心分析進行路燈的控制策略調整。每個無線網關節點由CC2530模塊、M260模塊和光照傳感器模塊組成，M260模塊和CC2530模塊通過串口相連接，實現ZigBee和GPRS之間協議的轉換，光照傳感器通過I2C通信協議進行驅動采集數據。無線網關節點硬件結構如圖3所示。

圖3 ?無線網關節點硬件結構圖

3 ?系統軟件設計

系統軟件設計包括數據通信幀的設計、無線傳感網絡軟件設計、照明管理中心軟件設計。要保證數據的準確收發必須有合理的數據幀，從而簡化管理中心和路燈終端節點的分析數據的過程;無線傳感網絡的組網方式、外設模塊的驅動等需要軟件編程實現;照明管理中心需要設計合理的軟件界面，簡化操作流程，方便管理人員操作。

3.1 ?通信數據幀設計

本文設計的照明控制策略[6]，分別是根據車輛高峰期分時間段控制、單雙燈的間隔群組控制和根據外界環境光照強度控制。同時還有路燈故障報警信息和外界環境信息的顯示。為了進行有效的數據傳輸，設計了節點命令控制幀、節點傳輸數據幀方便軟件進行數據的分析。

1） 節點命令控制幀

照明管理中心使用控制指令幀經由無線網絡發送命令，控制終端節點以實現燈的開關、亮度和群組控制。節點命令控制幀由4個字節組成，分別表示路燈的開關控制指令、控制策略指令、節點號信息、亮度指令。

2） 節點傳輸數據幀

上傳的數據中包含光照強度的信息和路燈故障信息，因此采用“#”符號連接兩種數據，管理中心接收到數據之后進行字符串的拆解，將數據分類出來分別進行顯示和判斷處理。

3.2 ?路燈終端節點程序設計

路燈終端節點負責監測路燈運行狀態并通過傳感網絡發送給無線網關節點，當接收照明管理中心由無線網關節點下發的控制命令數據時，根據解析出來的命令控制燈的開關，輸出相應的PWM控制路燈的亮度，具體流程如圖4所示。

圖4 ?路燈終端節點軟件流程圖

3.3 ?無線網關節點程序設計

無線網關節點首先上電初始化，選擇合適的信道，成功建立網絡之后進入監控狀態，管理終端節點的加入，同時傳感網絡的協調器連接光照強度傳感器對外界光照環境進行采集，采集完成后通過串口發送給GPRS模塊，GPRS再將數據上傳至服務器，終端節點傳回的路燈狀態信息先由協調器接收，通過串口將數據轉發。當GPRS模塊接收到照明管理中心發來的控制命令時，通過串口發送給協調器，協調器通過廣播向網絡內的所有終端節點發送控制指令進行控制，軟件流程圖見圖5。