基于ZigBee的智能路燈控制系統

陳忠林，張士晶，詹宇川，胡倍萌，高鴻波

（南昌航空大學無損檢測技術教育部重點實驗室，江西 南昌 330063）

0 引言

隨著社會經濟的發展，城市化進程的不斷加快，城市路燈的安裝數量日益增加，方便了人們的日常出行。但是，目前大部分路燈系統仍然按照定時控制或人工控制的方式開關路燈，造成了能源的大量浪費。此外傳統路燈線路布局復雜，維護成本較高，又造成了經濟上的巨大損失[1]。針對上述問題，本文基于ZigBee無線通信原理，結合模糊控制算法，設計一種智能路燈控制系統。該系統由超聲波傳感器、光強傳感器、人體紅外傳感器、ZigBee無線通信模塊等組成，并利用模糊控制算法實現對路燈的智能調控的功能。智能路燈控制系統能夠實時無線監測路燈運行狀態，對路燈亮度進行自動（或手動）的按需調節，有效地節省了電力資源，降低了布線成本。

1 系統總體設計

智能路燈控制系統主要由傳感器模塊、路燈終端模塊、數據采集模塊、客戶機模塊構成。圖1為系統的總體結構框圖，路燈終端安裝在每個路燈上，將傳感器采集到的各項數據通過ZigBee無線網絡傳輸到無線網關，多個路燈終端與一個無線網關在一定區域內組成一組局域網，每個設備之間可以相互通信，即單一設備損壞不影響整體通訊。無線網關通過GPRS把數據傳輸到路由器，路由器通過網線與服務器連接，服務器通過互聯網將數據傳輸到客戶機端（電腦、平板電腦、手機）?？蛻魴C接收到數據后進行智能處理分析，通過模糊控制算法進行自動或手動調節路燈的開關和亮度。圖2為實物示意圖。

圖1 智能路燈控制系統總體結構框圖

圖2 實物示意圖

2 系統主要功能模塊設計

2.1 數據采集模塊

智能路燈控制系統的傳感器模塊包括人體紅外傳感器、超聲波傳感器、光強傳感器。傳感器模塊負責采集環境光照強度數據，車輛距離數據，是否有行人出現數據。并將數據傳輸給單片機。光強傳感器使用型號為GY-30 BH1750FVI的一款數字型光強度傳感器，此型號傳感器相較于同類傳感器，響應速度更快。當有外界光照時，內部的光敏二極管通過光生伏特效應將輸入光信號轉換成電信號，經運算放大電路放大后，由ADC采集電壓，然后通過邏輯電路轉換成16位二進制數存儲在內部的寄存器中，終端讀取寄存器中的光照強度數據。超聲波傳感器使用型號為HC-SR04的一種壓電陶瓷超聲波傳感器，測量精確度高。人體紅外傳感器使用型號為HC-SR501的一種熱釋電人體紅外傳感器，功耗小，使用方便。

圖3 系統傳感器模塊與路燈終端模塊電路連接示意圖

2.2 路燈終端模塊

路燈終端模塊由傳感器模塊、單片機、Zig Bee模塊組成。終端是系統運行的基礎，其核心是STM 32F103C8T6單片機模塊，傳感器模塊通過引腳與單片機相連，Zig Bee模塊通過串口與單片機相連。Zig Bee模塊選擇CC2530芯片，使用Z-stack協議棧進行無線通信網絡的組建[2]。路燈終端負責綜合收集傳感器模塊采集到的各項數據，通過ZigBee模塊傳輸到無線網關，在接收到客戶機下達的指令后通過調節路燈PWM輸出，實現對路燈亮度的智能調節。

2.3 數據采集模塊

本模塊由無線網關、路由器、服務器組成，主要負責將路燈終端的數據傳輸到客戶機，并將客戶機指令反饋到路燈終端。ZigBee技術是一種基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議，其主要特點是低復雜度、自組織、穩定性高、低功耗、低傳輸速率，目前主要應用于自動控制領域和遠程控制領域。ZigBee網絡內部通過16位或者64位IEEE地址通信。Zig Bee網絡有三種網絡拓撲結構，分別為星型、樹型、網狀型。本系統為了擁有更加方便靈活的通信網絡，選擇以網狀拓撲結構搭建ZigBee無線通信網絡，使各設備之間可以相互通信，增強系統的穩定性、自適應性。無線網關節點是此自組網絡的中心，每個無線網關與多個路燈終端組成一組局域網。終端將收集到的數據通過ZigBee傳輸給無線網關[3]。路由器的主要作用是輔助其他設備申請入網，進行相應的數據跳轉和協助子終端節點之間進行通信，與無線網關通過GPRS協議相連。服務器的主要功能是組建連接網絡、傳輸對應數據、控制管理整個通信網絡，向客戶機提供路燈狀態并傳達客戶機指令，與路由器通過網線連接[4]。

3 控制算法

相關文獻研究表明[5]，在夜間十一點半后，道路上行人與車輛數量明顯減少，而此時道路路燈仍保持全亮狀態，造成電能的大量浪費，同時考慮到行人與車輛對照明需求的不同，故而以夜間十一點半為系統智能控制起始時間，在路燈燈座上安裝行車路燈（主燈）和行人路燈（副燈）兩個光源，使光能得到更加高效的利用。為了實現上述智能調控功能，系統引入模糊控制算法。模糊控制算法是一種以模糊集合、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的智能數字控制技術。模糊控制的核心是模糊控制器，其主要包括變量模糊化、建立相關規則庫、進行模糊推理、解模糊四個部分[6]。變量模糊化的主要作用是確定模糊控制器的輸入變量，并將其轉換為系統可識別的標準模糊變量，并且需要確定變量相應取值范圍，建立相關隸屬度函數。由于此系統只有單一的輸入輸出變量，故選擇三角形隸屬度函數。如圖是建立的車輛與路燈距離（P）和路燈實際亮度占額定亮度的百分比（f）的隸屬度函數示意圖。

圖4 車輛與路燈距離（p）的三角形隸屬度函數圖

圖5 路燈實際亮度占額定亮度的百分比（f）的三角形隸屬度函數圖

根據生活經驗，建立規則庫如下表。

表1 車輛與路燈距離和路燈實際亮度占額定亮度的百分比之間的對應規則

根據《CJJ 45-2015 城市道路照明設計標準》，普通城市主干道路路燈要求在路燈四十米范圍內有著良好的照明作用。綜合考慮節能與照明需求可知[7]，路燈實際亮度在額定亮度的65%-95%之間時可以滿足視物需要。因此本系統選擇四十米作為路燈智能控制范圍，設置路燈實際亮度在65%-95%之間，達到照明與節能之間的平衡。規則表中p-nearer, p-near,p-medium, p-far, p-farther，依次表示車輛與路燈的距離由近及遠，brighter, bright, medium, dark, darker，依次表示路燈實際亮度由亮變暗。

模糊推理是指將設置的模糊變量與相應的模糊規則相對應，為下一步解模糊奠定基礎。解模糊是將模糊推理后得到的控制變量轉化為相應控制輸出?？紤]到系統的簡潔性與準確度要求，本系統采用最大隸屬度平均法（MOM）進行解模糊。下圖即為路燈系統的模糊解。

圖6 車輛與路燈距離p（米）和路燈實際亮度占額定亮度的百分比f（%）之間的模糊解

模糊控制算法通過stlink裝置寫入到單片機之中，實現硬件與軟件的有機結合。下圖為系統智能控制流程圖。

圖7 系統智能控制流程示意圖

4 實驗結果分析

由于實驗條件限制，進行系統測試時，以可調節LED模擬路燈，超聲波傳感器探測距離低于實際距離兩個數量級，簡化路由器、服務器，組建ZigBee網絡，通過客戶機對系統進行控制。在實驗室環境測試中，ZigBee網絡通信正常，在調控范圍內系統整體運行正常，超出調控范圍時，數據無法正常傳輸，存在丟包現象，可通過添加功率放大器提高通信穩定性。在系統出現誤差較大情況下，可切換到手動控制模式。在此模式下，可直接手動控制路燈亮度。以下系統實驗均在自動控制模式下進行。

4.1 系統穩定性、精確性測試

以車輛與路燈距離3cm（實際3m）為例，系統時間調試到夜間11：30，通過比較仿真結果與實物測試結果之間的差異，以此測試系統的穩定性、精確性。

由圖8可知，當車輛與路燈距離為3m時，對應路燈實際亮度為94%。由圖9可知，當車輛與路燈距離為3cm時，對應路燈實際亮度為95%。由實驗結果與仿真結果對比可知，當距離一定時，兩種情況下行車路燈（主燈）的實際亮度有一定的誤差，反復測試顯示，此誤差與系統超聲波傳感器靈敏度不高、探測范圍較小有關，可通過調換成探測范圍更廣、靈敏度更高的測距設備如雷達解決問題。

圖8 仿真結果圖

圖9 實物測試結果圖

4.2 系統節能性能測試

在自動控制模式下，本系統工作階段可分為以下四個階段。第一階段為從白天光照充足到環境光強高于25lx階段，這段時間光線充足，能滿足人們出行需要，路燈處于關閉狀態。第二階段為環境光強低于25lx時至夜間十一點半階段，這段時間內，人流量、車流量巨大，路燈以額定亮度的95%進行穩定照明。第三個階段為夜間十一點半至早上五點，這段時間里行人、車輛數量較少，路燈以額定亮度的80%、25%對行人路燈亮度進行控制，以額定亮度的25%、65%-95%對行車路燈進行控制。第四階段為早上五點后，外界光照強度已足夠滿足視物需求，路燈關閉。在手動控制模式下，可直接通過上位機調節路燈亮度。由于實物探測距離限制，首先在一段時間內記錄實際道路上通過指定路燈四十米長度范圍內的行人數量、車輛數量、行人通過時間、車輛通過時間，再在實驗室條件下，僅改變四十米長度為四十厘米，其余條件不變，模擬實際行人、車輛通行情況。

表2 模擬的智能路燈控制系統在普通城市主干道路上一段時間內在一個路燈作用的演示情況

表中時間數據通過秒表得出，路燈實際亮度數據通過系統客戶機直接顯示得出，路燈平均亮度通過加權平均值模型，由公式可以得出。T表示平均亮度，Mi表示在i時間內路燈的穩定亮度，Hi表示i時間段內的時長占總時長的比重。通過查閱國家道路照明標準，結合本系統設計情況作出以下限定：（1）行人路燈使用額定功率為150W的LED燈泡，行車路燈使用額定功率為200W的LED燈泡；（2）路燈實際亮度占額定亮度百分比即為路燈實際功率占額定功率百分比。結合上表數據，可以粗略計算出在20：00-02：00共計六個小時內，在智能控制系統調控下的一個路燈（包含行人路燈和行車路燈）在額定亮度65%以上工作的耗電量。見公式（1）

Eo表示在第o個時間段內的行人路燈實際功率在65%以上時間，Uo表示在第o個時間段內行人路燈在額定功率65%以上工作時間，Ao表示在第o個時間段內的行車路燈實際功率在65%以上時間，Bo表示在第o個時間段內行車路燈在額定功率65%以上工作時間，R表示耗電量。代入數據可得R=0.26KW·h，傳統路燈在測試時間內以100%的額定功率進行照明，由此計算的耗電量R=0.54KW·h。綜上所述，智能路燈控制系統具有52%的節能率，在節約能源方面有著巨大作用[8]。

5 結語

本文將模糊控制算法、ZigBee無線網絡應用到智能路燈控制系統中，將路燈控制分為四個階段，并使用雙燈設計，結合了自動與手動兩種控制模式，對路燈亮度實現了智能調控。該系統減少了傳統路燈布線的成本，節省了人力、財力，也大大減少了能源的消耗。通過計算，智能路燈控制系統具有52%的節能率，本系統在智能化、節能化方面具有重要的實用意義。該系統的功能還可以進一步開發完善，例如增加監測空氣質量功能、提供攝像拍照功能等，具有較大的市場開發價值與廣闊的應用前景。