孫 航, 王曉薇

(沈陽師范大學(xué) 科信軟件學(xué)院, 沈陽 110034)

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基于ZigBee技術(shù)的LED路燈系統(tǒng)終端管控節(jié)點的設(shè)計

孫 航, 王曉薇

(沈陽師范大學(xué) 科信軟件學(xué)院, 沈陽 110034)

針對傳統(tǒng)路燈設(shè)備管控弊端,基于當前的嵌入式與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),提出了一個LED路燈末端區(qū)段的管控方案。方案采用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)路燈區(qū)段的無線組網(wǎng),該網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器通過GPRS或WIFI模塊與遠程管控中心進行控制命令和狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸,同樣的傳輸也發(fā)生在ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)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(tài)數(shù)據(jù),并接收遠程控制命令,進行命令解析并執(zhí)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(huán)節(jié)的器件選擇,注重器件之間的電氣特性匹配以及工作環(huán)境抗干擾設(shè)計。方案還針對一年中不同時間段路燈點亮設(shè)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(xiàn)城市路燈管控的網(wǎng)絡(luò)化、自動化和現(xiàn)代化。

LED路燈功率調(diào)節(jié)顯示; 響應(yīng)及時; 控制準確; 光源穩(wěn)定; 節(jié)電環(huán)保

0 引 言

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

1 終端管控節(jié)點

1.1 終端管控節(jié)點組成

智能路燈管控系統(tǒng)是一個典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng),從結(jié)構(gòu)層次上看包括感知層、傳輸層與表現(xiàn)層。構(gòu)造示意圖如圖1所示,這里,路燈端的終端管控節(jié)點作為感知層。

圖1 終端控制節(jié)點結(jié)構(gòu)

終端管控節(jié)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(jiān)測路燈工作狀態(tài),周期性通過傳輸層向遠程控制中心發(fā)送采集到的路燈運行參數(shù),及時發(fā)現(xiàn)故障路燈并能夠自動識別故障燈地址以實現(xiàn)報警。終端管控節(jié)點包括ZigBee終端節(jié)點單片機、LED路燈控制器模塊、LED路燈監(jiān)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(wǎng)絡(luò)的終端組成,直接與實現(xiàn)最終路燈管控的單片機進行通信,同時由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)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(shè)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(shù)據(jù)和這些監(jiān)測數(shù)據(jù),一方面也可判斷本路燈是否故障,如判斷故障,啟動電源關(guān)閉等動作。

3) LED驅(qū)動模塊:對現(xiàn)場LED路燈進行開關(guān)、調(diào)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(wǎng)絡(luò)的通信功能,芯片中的8051內(nèi)核作為控制系統(tǒng)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(xiàn)讀取當前光強、設(shè)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(wǎng)絡(luò)采用Zigbee技術(shù),使路燈工作現(xiàn)場與系統(tǒng)監(jiān)控中心可靠通信。這種技術(shù)主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)傳輸速率不高且短距離傳輸?shù)母鞣N電子設(shè)備之間,非常適合工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測等場合,具有低功耗、低成本和低復(fù)雜度等特點。本系統(tǒng)Zigbee模塊采用CC2530片上系統(tǒng)作為控制電路的核心,具有256KBFLASH,在接收和發(fā)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(wěn)壓電源提供5 V電壓,以確保各節(jié)點長時間穩(wěn)定工作。

根據(jù)路燈系統(tǒng)特點,網(wǎng)絡(luò)采用樹形連接,以便靈活擴展節(jié)點和自組網(wǎng)絡(luò)。與PC機串口RS232連接的Zigbee模塊為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器,起著組織、管理網(wǎng)絡(luò)和發(fā)號施令的作用;當網(wǎng)絡(luò)有節(jié)點加入時,它分配地址給新節(jié)點,因此不能掉電也沒有低功耗狀態(tài)。

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(fā)數(shù)據(jù)也可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),承擔著與上位機和相鄰節(jié)點通信的任務(wù)。

2.2.1 功率調(diào)控的設(shè)計

智能路燈的主要目的是節(jié)能,根據(jù)采集的光照與電流電壓信號進行路燈的開關(guān)和功率控制。路燈控制分為2種方式:智能控制和應(yīng)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(jié)的不同設(shè)計路燈不同的工作策略,包括開關(guān)燈的時間,調(diào)功時間等,系統(tǒng)自動按照相應(yīng)的工作策略完成功能。

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

2.2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取與傳輸

檢測每盞路燈的工作狀態(tài),準確定位故障路燈并及時報警是提高效率、節(jié)約成本的重要功能。智力采用一種簡單實現(xiàn)方案,在確定路燈處于開燈狀態(tài),檢測路燈照射區(qū)的光照強度,并同背光區(qū)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(jié)點的地址(如固定的IP地址或MAC地址或預(yù)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(zhuǎn)換。

路燈上的光照傳感器采集光照數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)為模擬量,需經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。CC2530集成有A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換。

與路燈相連的是終端節(jié)點,采集的數(shù)據(jù)由終端節(jié)點向上通過路由器、協(xié)調(diào)器、遠程網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of BH1750FVI system

光照傳感器是一種將環(huán)境光照度,轉(zhuǎn)化為數(shù)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(nèi)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(zhuǎn)化為數(shù)字量,通過總線發(fā)送出去,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

BH1750FVI只需少量的外部單元,即可使用,在本設(shè)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(qū)動模塊

4.1 LED驅(qū)動需實現(xiàn)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(tǒng)的鈉燈相比,可節(jié)電60%以上。

圖5 HV99911引腳Fig.5 The HV99911 pin

LED路燈的發(fā)光主體實質(zhì)上是眾多相同發(fā)光二極管構(gòu)成的燈珠,先串聯(lián)形成燈帶,再由這些串聯(lián)燈帶并聯(lián)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(shù)為1 W,每串燈帶功率10 W,以100 V直流電壓為并聯(lián)燈帶供電,則每條燈帶需要電流為0.1 A。終端管控節(jié)點要實現(xiàn)對LED路燈控制,需要滿足如下要求:為保證各個燈珠發(fā)光效果相同,串聯(lián)的燈帶采用恒流源供電;支持對LED路燈的開關(guān)控制;支持PWM調(diào)功控制,PWM的頻率要與路燈燈珠響應(yīng)速度相互適應(yīng)。所以為滿足這些要求,一個完整的LED驅(qū)動電路是必須的。

4.2 LED驅(qū)動電路的設(shè)計

HV9911是電流模式LED驅(qū)動芯片,以—恒定的工作頻率或以—恒定的脈寬關(guān)斷時間來實現(xiàn)PWM模式轉(zhuǎn)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(qū)動以適合—些大功率的應(yīng)用,可內(nèi)置9～250 V線性穩(wěn)壓器提供芯片工作電壓,也可外接電源實現(xiàn)相同功能。

參照圖5與表1,PWM調(diào)光可通過施加一個TTL方波源到PWMD引腳來實現(xiàn)。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(nèi)部放大器的輸出被連接到外部的補償網(wǎng)絡(luò),因此內(nèi)部放大器控制著輸出電流。當PWMD信號變低時,斷開了內(nèi)部放大器的輸出與外部補償網(wǎng)絡(luò)的連接,GATE失效,轉(zhuǎn)換器停止開關(guān),FAULT腳電位變低,斷開開關(guān)。轉(zhuǎn)換器要接輸出電容以決定著換器PWM調(diào)光的響應(yīng),該電容在PWMD降壓電路中,由于電感電流連續(xù)性的抵消,對轉(zhuǎn)換器的PWM調(diào)光效應(yīng)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(diào)光有重要的作用。

表1 HV99911實現(xiàn)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(chǎn)生?；谏厦姹硎?本方案所設(shè)計的LED驅(qū)動電路如圖6所示。

圖6 LED驅(qū)動電路

4.3 實現(xiàn)特點

1) 電壓調(diào)整率非常好,可與線性穩(wěn)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(jīng)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(zhì)上起到了前饋控制作用,即輸入電壓變化尚未導(dǎo)致輸出電壓變化時,就由電流內(nèi)環(huán)產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。

2) 回路穩(wěn)定性好,負載響應(yīng)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(nèi)環(huán)采用了直接的電感電流峰值檢測技術(shù),可以及時、靈敏和準確地檢測輸出或變壓器或開關(guān)管中的瞬態(tài)電流值,形成逐個脈沖檢測電路,從而在電路導(dǎo)致過載或短路時保護開關(guān)管和變壓器,所以電感的延遲作用沒有了。

5 電源電路設(shè)計

本節(jié)點電源電路的設(shè)計采用電池供電,采用ASM1117電壓轉(zhuǎn)換芯片,提供需要的電壓?？刂乒?jié)點的電源電路,如圖7所示。原理圖中AMS117有固定和可調(diào)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(qū)動電壓為5 V,設(shè)計相應(yīng)驅(qū)動電路。使用電池組供電,就可以控制CC2530底板進行組網(wǎng)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(jié)點的電源電路

6 總結(jié)與展望

通過使用無線通信模塊的數(shù)據(jù)傳輸功能,利用Zigbee技術(shù)可以為路燈工作現(xiàn)場與系統(tǒng)監(jiān)控中心提供可靠信息交換;利用單片機ATMEGA16監(jiān)控溫度傳感器、電壓電流檢測等元器件,并將相關(guān)信號上傳至中心控制節(jié)點,從而實現(xiàn)在中央控制中心實時觀測各個節(jié)點功率,各個節(jié)點的溫度變化;利用傳感器對相關(guān)信息的收集功能及生成的模擬信號,通過DA實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實現(xiàn)[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2012:2.

[ 2 ]青島東合信息技術(shù)有限公司. ZigBee開發(fā)技術(shù)及實踐[M]. 西安:西安電子科技大學(xué)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(xué)出版社, 2012:44-50.

[ 5 ]安錫穎. LED路燈無線智能控制系統(tǒng)設(shè)計[D]. 上海:華中科技大學(xué), 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(yīng)用[M]. 北京:清華大學(xué)出版社, 2010.

[ 8 ]章偉聰,俞新武,李忠成. 基于CC2530及ZigBee協(xié)議棧設(shè)計無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點[J]. 計算機系統(tǒng)應(yīng)用, 2011,20(7):184-186.

[ 9 ]彭燕. 基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2011,34(5):50-51.

[10]梁光勝,劉丹娟,郝福珍. 基于CC2430的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計[J]. 電子設(shè)計工程, 2010,18(2):15-16.

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

[12]章偉聰,俞新武,李忠成. 基于CC2530及ZigBee協(xié)議棧設(shè)計無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點[J]. 計算機系統(tǒng)應(yīng)用, 2011,20(7):184-186.

[13]周輝,陳湘萍. 基于Zigbee的無線路燈網(wǎng)絡(luò)[J]. 現(xiàn)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(tǒng)的研究[D]. 青島:青島科技大學(xué), 2012.

[15]張俊華. 基于GPRS和Zigbee的無線智能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 計算機光盤軟件與應(yīng)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(xué)基金資助項目(201202202)。

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

TP391.1

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2017.02.023