基于無線控制技術(shù)和LED實(shí)現(xiàn)城市路燈照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于ZigBee技術(shù)和LED光源的路燈系統(tǒng)，是一種自動化成度高、高效節(jié)能的城市照明系統(tǒng)。LED光源是一種高效能、環(huán)保、安全、耐用的新型照明光源，而無線控制技術(shù)其可以對于路燈照明系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)高效的控制和資源整合，合理調(diào)整照明時間，不僅可以節(jié)省照明系統(tǒng)的用電量，而且可以延長照明燈具的使用壽命，減少日常維護(hù)的開支。

1、系統(tǒng)方案與設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由三大部分構(gòu)成：控制中心的監(jiān)控系統(tǒng)，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)終端控制節(jié)點(diǎn)和控制中心通信的路由節(jié)點(diǎn)，固定在路燈桿上的終端控制節(jié)點(diǎn)。無線路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。

圖1.1無線路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制中心的監(jiān)控系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)與無線收發(fā)模塊構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)建立和管理路燈控制網(wǎng)絡(luò)，顯示路燈狀況信息和發(fā)送控制命令，協(xié)調(diào)整個路燈系統(tǒng)的運(yùn)作。路燈終端節(jié)點(diǎn)包括LED電源驅(qū)動，為大功率LED提供電力，并能根據(jù)微控制器的控制信號控制LED的工作情況；光敏傳感器、溫度傳感器，直接將LED工作狀況傳輸給控制模塊；功率檢測模塊，檢測LED功率情況、供電故障并向上報警，無線模塊，負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)。將本系統(tǒng)模型與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行對應(yīng)，不難發(fā)現(xiàn)，安置在路燈桿上的終端控制節(jié)點(diǎn)即為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)（RFD），控制中心監(jiān)控系統(tǒng)就是協(xié)調(diào)器（COORD），實(shí)現(xiàn)COORD與RFD之間無線通信的為路由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)（ROUTER）。遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)使用ZigBee與GRPS混合組成的網(wǎng)絡(luò)。子網(wǎng)和中央控制中心使用GPRS網(wǎng)絡(luò)來傳輸數(shù)據(jù)。下面具體介紹終端節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)方案。

1.1LED節(jié)點(diǎn)驅(qū)動控制設(shè)計(jì)

LED節(jié)點(diǎn)驅(qū)動方案使用UCC28810EVM，它是一款恒流非隔離式電源，適用于街道、停車場或區(qū)域范圍照明等高亮度LED照明應(yīng)用。該設(shè)計(jì)可將通用電源（90~265VRMS）轉(zhuǎn)換成0.9A恒流源，能夠驅(qū)動100W LED負(fù)載。UCC28810EVM電路如圖2.1所示。

圖2.1UCC28810EVM電路圖

此電路使用雙級設(shè)計(jì)，第一級是UCC28810的轉(zhuǎn)換模式電路，將AC電源轉(zhuǎn)換成36V的DC電源。第二級也采用UCC28811的轉(zhuǎn)換模式，將恒壓源轉(zhuǎn)換為0.9A恒流源。電路中使用的UCC28810 和UCC28811芯片是通用照明電源控制器，具有PFC（功率因數(shù)校正）功能，確保設(shè)計(jì)方案滿足各種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的諧波電流或功率因數(shù)要求。并且UCC28810/11控制器提供如電流峰值限制、復(fù)位定時器、過壓保護(hù)（OVP）和使能等特性，UCC28810/11控制器引腳如表2.1所示。

表2.1UCC28810/11控制器引腳

第一級在低負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行下，升壓跟隨器可跟蹤AC輸入的峰值電壓，實(shí)現(xiàn)更高效率。第二級將PFC輸出電壓轉(zhuǎn)換為0.9A的固定電流，以驅(qū)動LED負(fù)載。第二級不僅可接受PWM調(diào)光輸入（從外部或從板級電路均可），而且還可相應(yīng)開啟或關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)LED電流的PWM調(diào)光。此方案的優(yōu)勢在于，使用了高效的專用驅(qū)動IC，電源轉(zhuǎn)化效率更高了，在低負(fù)荷線路（low-line）運(yùn)行狀態(tài)下，升壓跟隨器可跟蹤AC輸入的峰值電壓，在輸入電壓±15％的變動時，仍能保持輸出電流變動穩(wěn)定在±10％內(nèi)。

1.2狀態(tài)檢測與報警

狀態(tài)報警與檢測主要包括溫度感測和感光檢測兩部分內(nèi)容。

1.2.1溫度感測

由于大功率白光LED照明和驅(qū)動器發(fā)熱量都很大，所以需要一個溫度感測傳感器，實(shí)時監(jiān)控路燈的溫度，并向控制中心反映，如果溫度超過警戒溫度，控制器進(jìn)入報警模式，將自動關(guān)閉路燈，并向控制器發(fā)送報警命令。溫度傳感器使用DS18B20。DS18B20是DALLAS生產(chǎn)的一款數(shù)字溫度傳感器。其特點(diǎn)有：獨(dú)特的一線接口，只需要一個端口即可通信。電路無需外部元件，可用數(shù)據(jù)總線供電，也可外接VCC。工作電壓范圍廣，為3.0V～5.5V，無需備用電源。測量溫度范圍為-55°C～+125℃，在-10°C～+85°C范圍內(nèi)精度為±0.5°C。DS18B20具有工作電路簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)。DS18B20應(yīng)用范圍包括恒溫控制，工業(yè)系統(tǒng)，消費(fèi)電子產(chǎn)品溫度計(jì)，或任何熱敏感系統(tǒng)。

1.2.2感光檢測

系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)使用光敏電阻傳感器測量周圍環(huán)境的光亮度，當(dāng)傍晚時周圍環(huán)境還有余光時，將路燈開啟為單雙燈模式，當(dāng)晚上天全黑了以后，將路燈全部打開，當(dāng)凌晨4點(diǎn)左右出現(xiàn)晨光時將路燈調(diào)節(jié)成半功率工作模式。在陰天和沙塵暴天氣時，光敏傳感器堅(jiān)持到道路能見度低，路燈也可自動打開，保證道路正常照明。本設(shè)計(jì)使用光敏三極管作為感光元件測量周圍環(huán)境的亮度，處理器實(shí)時將周圍環(huán)境的亮度通過無線模塊反饋給控制中心，由控制中心決定是否打開路燈。電路圖如圖2.2所示。

圖2.2 光敏三極管電路圖

1.3 無線模塊設(shè)計(jì)

無線通信模塊使用CC2480/ZigBee模塊，在單個芯片上集成了ZigBee射頻前端、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、定時器，支持2.4GHzIEEE802.15.4協(xié)議。CC2480/無線性能出色，功耗很低。CC2480電路圖如圖2.3所示。

圖2.3 CC2480/ZigBee模塊電路圖

在CC2480的內(nèi)部整合了ZigBee射頻前端和內(nèi)存，片內(nèi)具有128 KB Flash、8 KB SRAM、2路12位的ADC、4個軟件計(jì)時器、復(fù)位電路、SPI和UART通信端口等硬件資源。CC2480采用CMOS工藝，工作電流僅為27 mA。當(dāng)系統(tǒng)處于空閑時，CC2480能自動進(jìn)入休眠狀態(tài)，并能實(shí)現(xiàn)休眠與主動模式的超短時間轉(zhuǎn)換，電路晶振XTAL1選用32MHz，晶振XTAL2選用32.768kHz。32.768kHz的晶振用于睡眠模式給期間提供時序，這樣降低電流、可以減少功耗。這樣特別適合對功耗和電池壽命要求嚴(yán)格的應(yīng)用場合。CC2480采用7mm×7mm QLP封裝，共有48個引腳?？煞譃镮／O端口線引腳、電源線引腳和控制線引腳3類。CC2480模塊可以直接與上位機(jī)之間通過串口通信，本系統(tǒng)選用異步串口模式。

1.4 微控制器電路設(shè)計(jì)

MSP430是一類具有16位總線的帶FLASH的單片機(jī)，由于其性價比和集成度高，受到廣大技術(shù)開發(fā)人員的青睞。它采用16位的總線，外設(shè)和內(nèi)存統(tǒng)一編址，尋址范圍可達(dá)64K，還可以外擴(kuò)展存儲器。具有統(tǒng)一的中斷管理，微控制器具體連接電路圖如圖2.4所示。

圖2.4 控制模塊MSP430電路圖

MSP430具有豐富的片上外圍模塊，片內(nèi)有精密硬件乘法器、兩個16位定時器、一個14路的12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個看門狗、6路P口、兩路USART通信端口、一個比較器、一個DCO內(nèi)部振蕩器和兩個外部時鐘，支持8MHz的時鐘。因?yàn)槭荈LASH型，則可以在線對單片機(jī)進(jìn)行調(diào)試和下載，且JTAG口直接和FET（FLASH EMULATION TOOL）的相連，不須另外的仿真工具，方便實(shí)用，而且，可以在超低功耗模式下工作，對環(huán)境和人體的輻射小，測量結(jié)果為100mw左右的功耗（電流為14mA左右），可靠性能好，加強(qiáng)電干擾運(yùn)行不受影響，適應(yīng)工業(yè)級的運(yùn)行環(huán)境。MSP430單片機(jī)的P3.4、P3.5端口設(shè)置成串口0（ΜSART0）的收發(fā)口與CC2480的異步串口相連，它們之間實(shí)現(xiàn)串口通信。單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)給CC2480，CC2480就可以無線發(fā)送出去，CC2480接收到無線數(shù)據(jù)也透明傳送給單片機(jī)。

2 、軟件流程設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，ZigBee協(xié)議可以應(yīng)用于所有的節(jié)點(diǎn)，因?yàn)閆igBee協(xié)議具有很多的實(shí)用函數(shù)，例如設(shè)備離開或者加入網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)建一個新的網(wǎng)絡(luò)，父節(jié)點(diǎn)和子結(jié)點(diǎn)的搜索，網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)幀的發(fā)送，數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接受等等。系統(tǒng)工作的過程中，協(xié)調(diào)器主要進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建和負(fù)責(zé)接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送回來的路燈信息，依據(jù)路燈的狀況將控制信號發(fā)送給路燈節(jié)點(diǎn)。路由器節(jié)點(diǎn)處在監(jiān)控狀態(tài)，負(fù)責(zé)獲取其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的信息并判斷是不是需要進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，與此同時把自身路燈的信息傳送給協(xié)調(diào)器；接受協(xié)調(diào)器的控制信號來控制路燈的工作狀態(tài)。終端節(jié)點(diǎn)功能是最簡單的，只需要負(fù)責(zé)隨時接收協(xié)調(diào)器發(fā)送的控制命令，并向上一級返回路燈當(dāng)前的狀態(tài)。

系統(tǒng)投入運(yùn)行時，首先對CC2480進(jìn)行初始化，協(xié)調(diào)器運(yùn)行初始化協(xié)議，同時打開中斷。此后軟件程序運(yùn)行創(chuàng)建新網(wǎng)絡(luò)，一旦網(wǎng)絡(luò)能夠成功創(chuàng)建，就對相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器物理地址、當(dāng)前建立網(wǎng)絡(luò)的ID號以及頻道號進(jìn)行顯示。協(xié)調(diào)器軟件流程圖如圖3.1所示。對于路由器節(jié)點(diǎn)，首先對CC2480進(jìn)行初始化，此后傳感器的電源接通，并且對協(xié)議棧進(jìn)行初始化，同時發(fā)送信號以請求加入網(wǎng)絡(luò)，等待網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器或前面的路由器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行響應(yīng)，將網(wǎng)絡(luò)地址分配給自身。假如成功加入了網(wǎng)絡(luò)，通過串口擴(kuò)展口能夠獲取網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)地址、路由節(jié)點(diǎn)自己的物理地址和接入網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器或前面路由節(jié)點(diǎn)的物理地址等數(shù)據(jù)。路由器節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖3.2所示。在終端節(jié)點(diǎn)上程序同樣首先對CC2480進(jìn)行初始化，傳感器電源接通，此后初始化協(xié)議棧，與此同時發(fā)送信號請求加入網(wǎng)絡(luò)，并且等待前面的路由器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行響應(yīng)，將網(wǎng)絡(luò)地址分配給自身。假如成功的加入了網(wǎng)絡(luò)，也能夠通過串口擴(kuò)展口獲取所加入網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)地址、自己的物理地址和加入的路由節(jié)點(diǎn)的物理地址等所有數(shù)據(jù)信息。終端節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖3.3所示。

圖3.1 協(xié)調(diào)器程序流程圖

圖3.2 路由器流程圖

圖3.3 終端節(jié)點(diǎn)程序流程圖

3、 路燈控制模式

根據(jù)不同上位機(jī)的不同控制命令，路燈節(jié)點(diǎn)有如下幾種不同的控制模式。

3.1 單雙燈開啟模式

這個模式有兩種情況，編號是奇數(shù)的燈開啟或者編號是偶數(shù)的燈開啟。當(dāng)路燈節(jié)點(diǎn)接收到單雙燈開啟命令以后，路燈會根據(jù)自身的ID編號，選擇開啟還是關(guān)閉。這種模式應(yīng)用于傍晚能見度較高或者陰雨天或沙塵暴等惡劣天氣城市能見度不佳時。一般是單雙燈輪流開啟關(guān)閉，保證LED路燈工作時間大致相同以延長其壽命。

3.2 全功率開啟模式

當(dāng)路燈節(jié)點(diǎn)接收到全功率開啟模式以后，路燈開始工作，并會以全功率打開，亮度最大。這種模式一般在晚上人車流量大時和節(jié)假日開啟。

3.3 半功率開啟模式

當(dāng)路燈節(jié)點(diǎn)接收到全功率開啟模式以后，路燈開始工作，但不會以全功率模式工作，而是通過LED驅(qū)動 模塊的PWM調(diào)光機(jī)制，將LED的功率控制在額定值的一半，這樣起到了節(jié)約電力的作用。

3.4 隨機(jī)選擇關(guān)閉模式

這種模式也是為了節(jié)約電力和延長路燈壽命的方法。在人流不大的道路上發(fā)給路燈隨機(jī)關(guān)閉模式命令，路燈節(jié)點(diǎn)接收命令后，以一定概率（如20%）自行熄滅30分鐘，由于路燈是隨機(jī)熄滅的，不會影響到整體的照明情況。

3.5 功率異常報警模式

這種模式不是上位機(jī)發(fā)給的命令。當(dāng)路燈節(jié)點(diǎn)檢測到功率故障的時候（如LED二極管短路、功率過小或過大），路燈將自行切斷照明電源，并向上位機(jī)報警

4 、結(jié)束語

本文主要分析了ZigBee協(xié)議組網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種無線路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，事實(shí)證明本系統(tǒng)該網(wǎng)絡(luò)經(jīng)一次性布置之后，可以在長期可靠運(yùn)行。路燈節(jié)點(diǎn)的數(shù)量、位置可隨時變更，使得調(diào)控路燈變得更加方便、科學(xué)。無線LED路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)為解決諸多問題提供一個良好平臺。

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