基于ZigBee的道路智能照明控制系统设计
发布时间：2022-03-03
摘 要：针对当前道路照明存在的一些不足，文中将 ZigBee 网络和 GPRS 网络相连接，同时将服务器与远程照明管理中心相结合，构建了道路智能照明控制系统。该系统以 ZigBee网络为核心，由路灯终端节点、无线网关节点和照明控制中心组成。系统实现了路灯的远程手动或自动控制、路灯状态监测、故障路灯精确定位等功能，节约了照明能耗，降低了维护检修成本，提高了路灯照明的智能化。经过实验测试，该系统响应迅速，报障准确，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台互通方便了使用不同设备的管理人员进行监管。
关键词：智慧城市;照明控制系统;ZigBee;无线网关;路灯控制;故障定位
0 引 言
城市道路照明是社会公共设施的重要组成部分，在 “互联网+”的时代背景下，城市道路的智能照明是物联网发展的必然趋势。随着城市现代化的发展，照明设施也逐渐发展得较为先进，为人们的出行提供了很大的便利。但是目前的照明系统存在一些问题，例如：路灯数量的不断增加导致维护成本、社会成本的上升问题;夜间车辆行人稀少时，路灯仍然全部运行的能源浪费问题;路灯由于自然原因损坏不能及时被照明控制中心及时发现的问题等[1] 。在智能照明控制系统的管理下，能够有效地监测路灯的运行状态，并实时分析路灯状态，进行相应控制和维护，从而解决上述问题。
智能照明是指利用先进的电力线载波通信、ZigBee 无线通信、2G 通信、3G 通信、云计算、物联网、移动互联网技术以及节能控制等技术实现对照明设备的集中控制和管理，通过设定一定的控制策略，实现亮度的按需调节、故障自动报警等功能，能够大幅节省电力资源，提升公共照明管理水平，节省运维成本[2] 。笔者应用 Zig⁃ Bee技术，设计基于 ZigBee的道路智能照明控制系统。
1 系统总体方案设计
道路智能照明系统主要由路灯终端节点无线网关节点和照明管理中心组成。路灯终端节点安装在每个路灯上，是无线传感网络的终端控制节点;无线网关节点作为传感网络的中心，无线传感网络采用链状树形网络自组织结构。若干个路灯终端节点和一个无线网关节点构成一组局域网。无线传感网络之间通过 ZigBee 协议进行通信[3] ，无线网关节点将数据上传到固定 IP 的服务器上，由服务器转发至照明管理中心，照明管理中心可以是电脑、平板电脑和手机，管理员根据获取到的数据处理分析可以对整个路灯网络设置自动控制或者手动控制。每次路灯开始运行时对路灯的状态进行检测，若出现故障，会上传到服务器具体的故障路灯信息，管理人员通过照明管理中心可以收到故障信息从而安排人员进行维修。系统整体结构如图 1所示。
2 系统硬件设计
硬 件 部 分 主 要 包 括 ：ZigBee 模 块 、传 感 器 模 块 、 GPRS 模块等。本设计中，传感器模块有光敏电阻模块和光照传感器模块[4] ，分别用于路灯状态检测和采集环境光强信息。ZigBee模块选用 TI公司生产的 CC2530芯片，该芯片集成了 Z⁃Stack 协议栈，可以方便地实现自组网从而组建路灯传感网络。GPRS模块采用易通星云公司的 M260 模块，此模块是易通星云公司的一款工业级的 GPRS 无线通信+GPS 定位功能的模块产品，利用 SIM 卡和运营商 GPRS 网络提供无线网络数据通信，通过对模块远程设置获取 GPS坐标信息，还可以通过串口和目标设备相连接做数据通信。该模块内置协议栈，提供免费的云平台和手机 SDK，方便进行系统的设计。
2.1 路灯终端节点设计
路灯终端节点是整个传感网络的末端，它们主要负责数据的采集并周期性地将数据上传，根据照明管理中心的控制命令开关路灯和调节 PWM[5] 输出从而调节路灯的亮度。每个节点由 CC2530 芯片、光敏电阻模块和 LED 路灯(带 PWM 驱动)组成。光敏电阻模块通过判断是否有光照判断路灯是否正常运行，若发生故障，会发送故障信息给照明管理中心，LED 通过 CC2530 调节 PWM 的占空比对亮度进行控制。路灯终端节点硬件结构图如图 2所示。
2.2 无线网关节点设计
无线网关节点是整个传感网络的中心点，每个无线网关节点负责一组无线传感网络，主要负责数据的交换。终端的路灯运行状态信息通过终端发送给无线网关节点，无线网关节点发送到服务器，照明管理中心从服务器获取信息，由照明管理中下发的控制指令经由服务器发送至无线网关节点，然后通过传感网络下发至各个路灯终端节点执行指令调节路灯的工作状态，每个区域的无线网关节点上连接着一个光照传感器，用来采集外界环境的光照信息供照明管理中心分析进行路灯的控制策略调整。每个无线网关节点由 CC2530 模块、 M260 模 块 和 光 照 传 感 器 模 块 组 成 ，M260 模 块 和 CC2530模块通过串口相连接，实现 ZigBee和 GPRS之间协议的转换，光照传感器通过 I 2 C 通信协议进行驱动采集数据。无线网关节点硬件结构如图 3所示。
3 系统软件设计
系统软件设计包括数据通信帧的设计、无线传感网络软件设计、照明管理中心软件设计。要保证数据的准确收发必须有合理的数据帧，从而简化管理中心和路灯终端节点的分析数据的过程;无线传感网络的组网方式、外设模块的驱动等需要软件编程实现;照明管理中心需要设计合理的软件界面，简化操作流程，方便管理人员操作。
3.1 通信数据帧设计
本文设计的照明控制策略[6] ，分别是根据车辆高峰期分时间段控制、单双灯的间隔群组控制和根据外界环境光照强度控制。同时还有路灯故障报警信息和外界环境信息的显示。为了进行有效的数据传输，设计了节点命令控制帧、节点传输数据帧方便软件进行数据的分析。
1)节点命令控制帧
照明管理中心使用控制指令帧经由无线网络发送命令，控制终端节点以实现灯的开关、亮度和群组控制。节点命令控制帧由 4 个字节组成，分别表示路灯的开关控制指令、控制策略指令、节点号信息、亮度指令。
2)节点传输数据帧
上传的数据中包含光照强度的信息和路灯故障信息，因此采用“#”符号连接两种数据，管理中心接收到数据之后进行字符串的拆解，将数据分类出来分别进行显示和判断处理。
3.2 路灯终端节点程序设计路灯终端节点负责监测路灯运行状态并通过传感网络发送给无线网关节点，当接收照明管理中心由无线网关节点下发的控制命令数据时，根据解析出来的命令控制灯的开关，输出相应的 PWM 控制路灯的亮度，具体流程如图 4所示。
3.3 无线网关节点程序设计
无线网关节点首先上电初始化，选择合适的信道，成功建立网络之后进入监控状态，管理终端节点的加入，同时传感网络的协调器连接光照强度传感器对外界光照环境进行采集，采集完成后通过串口发送给 GPRS 模块，GPRS再将数据上传至服务器，终端节点传回的路灯状态信息先由协调器接收，通过串口将数据转发。当 GPRS 模块接收到照明管理中心发来的控制命令时，通过串口发送给协调器，协调器通过广播向网络内的所有终端节点发送控制指令进行控制，软件流程图见图 5。
3.4 照明管理中心程序设计
照明管理中心软件基于消息队列遥测传输平台(Message Queuing Telemetry Transport，MQTT)，此平台是 IBM 开发的一个即时通信协议，是物联网的重要组成部分。该协议支持所有平台，几乎可以把所有联网物品和外部连接起来，被用来作为传感器和制动器的通信协议。照明管理中心软件可以在 IOS、Android、.NET、微信 、Linux、网 页 等 平 台 上 设 计 实 现 。 本 设 计 中 采 用 Google 公司的 Android Studio 平台编程设计了智能手机端的照明管理软件，管理软件对数据进行采集、分析并将采集数据实时显示于交互界面。软件结构见图 6。
管理人员可以通过管理中心软件界面查看路灯终端节点上传的实时数据，根据对数据的分析可以手动或者自动对路灯的运行状态进行设定。同时可以看到当前路灯的实际运行状态，当路灯发生故障时，管理中心软件会发出报警，同时照明管理中心调用高德地图的接口根据得到的 GPS 信息在地图中标出不同区域路灯的具体位置，能够在地图上查看到报警路灯的定位信息，方便维护人员准确到达路灯损坏位置。
4 系统测试与分析
智能照明控制系统硬件实物图如图 7 所示。左端 4 组为智能照明终端节点，右端为无线网关节点。利用亮度可调节的 LED 模拟路灯，组建网络后通过照明管理中心对照明进行控制。实验室中测试整个网络通信正常，考虑到在实际应用中路灯之间的通信距离，在外界环境下将 4个路灯终端节点间隔 50 m 放置，经测试整个网络通信正常，间隔 70 m 以上时，传感网络有时会出现数据无法正常传输的情况，存在丢包现象。在实际的应用中，可以加入功率放大芯片增大信号的发射功率，从而减少丢包率，提高通信的可靠性。
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5 结 论
本文系统将 ZigBee 网络和 GPRS 网络相连接，同时将服务器与远程照明管理中心相结合，构建了道路智能照明控制系统。经过实验测试，该系统响应迅速，报障准确，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台互通方便了使用不同设备的管理人员进行监管。在“互联网+”的时代背景下，智能化已经成为我国发展的新目标，智慧城市的发展需要更多的技术研究来促进，例如路灯的灯杆可以作为移动通信的基站、气象监测站、共享热点、城市监控等照明之外的城市服务。随着电子信息技术的发展，智能照明控制技术会突破更多瓶颈[7] ，进一步完善、提升城市生活方式，为城市管理提供更多的便捷。——论文作者：陈晓莉，王志铎
参 考 文 献
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