孫 航, 王曉薇

(沈陽(yáng)師范大學(xué) 科信軟件學(xué)院, 沈陽(yáng) 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(diǎn)的設(shè)計(jì)

孫 航, 王曉薇

(沈陽(yáng)師范大學(xué) 科信軟件學(xué)院, 沈陽(yáng) 110034)

針對(duì)傳統(tǒng)路燈設(shè)備管控弊端,基于當(dāng)前的嵌入式與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),提出了一個(gè)LED路燈末端區(qū)段的管控方案。方案采用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)路燈區(qū)段的無(wú)線組網(wǎng),該網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器通過GPRS或WIFI模塊與遠(yuǎn)程管控中心進(jìn)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)與路燈測(cè)控單片機(jī)上。終端路燈測(cè)控單片機(jī)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(yuǎn)程控制命令,進(jìn)行命令解析并執(zhí)行對(duì)路燈的管控命令。方案基于功能需要和造價(jià)控制,進(jìn)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(jì)。方案還針對(duì)一年中不同時(shí)間段路燈點(diǎn)亮設(shè)置不同,對(duì)不同路燈管控策略提供硬件支持。方案的實(shí)施將實(shí)現(xiàn)城市路燈管控的網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化和現(xiàn)代化。

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

0 引 言

隨著國(guó)家城市建設(shè)步伐的加快,城市對(duì)道路或區(qū)域場(chǎng)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(cè)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(shí),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(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)LED路燈現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控,采用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)LED路燈的區(qū)段組網(wǎng),并與GPRS相結(jié)合實(shí)現(xiàn)控制命令與狀態(tài)信息的遠(yuǎn)程傳輸,設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程管控軟件,方便工程人員的實(shí)時(shí)管理。整個(gè)系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高、運(yùn)行可靠、高效節(jié)能、維護(hù)方便、便于控制等顯著特點(diǎn)。

1 終端管控節(jié)點(diǎn)

1.1 終端管控節(jié)點(diǎn)組成

智能路燈管控系統(tǒng)是一個(gè)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(diǎn)作為感知層。

圖1 終端控制節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

終端管控節(jié)點(diǎn)既能接收遠(yuǎn)程控制中心的指令,解析這些指令控制路燈的運(yùn)行,又要監(jiān)測(cè)路燈工作狀態(tài),周期性通過傳輸層向遠(yuǎn)程控制中心發(fā)送采集到的路燈運(yùn)行參數(shù),及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障路燈并能夠自動(dòng)識(shí)別故障燈地址以實(shí)現(xiàn)報(bào)警。終端管控節(jié)點(diǎn)包括ZigBee終端節(jié)點(diǎn)單片機(jī)、LED路燈控制器模塊、LED路燈監(jiān)測(cè)模塊3個(gè)部分。

1.2 各部件功能

1) 無(wú)線通信ZigBee終端:作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的終端組成,直接與實(shí)現(xiàn)最終路燈管控的單片機(jī)進(jìn)行通信,同時(shí)由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)所采用的是TI公司的CC2530本身就是一款功能不錯(cuò)的單片機(jī),所以本設(shè)計(jì)方案中直接采用這個(gè)終端同時(shí)作為管控單片機(jī)。

2) 終端管控單片機(jī):接收管控傳感器的信號(hào),包括光照傳感器、溫度傳感器、電壓電流檢測(cè)。終端管控單片機(jī)一方面向遠(yuǎn)程控制中心上傳本路燈地址數(shù)據(jù)和這些監(jiān)測(cè)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(dòng)電源關(guān)閉等動(dòng)作。

3) LED驅(qū)動(dòng)模塊:對(duì)現(xiàn)場(chǎng)LED路燈進(jìn)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(wú)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(jìn)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(gè)IO口,P1_2和P1_3作為連接光照傳感器的2個(gè)IO口,用來實(shí)現(xiàn)讀取當(dāng)前光強(qiáng)、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(diǎn)控制與傳輸功能的介紹

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采用Zigbee技術(shù),使路燈工作現(xiàn)場(chǎng)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(cè)等場(chǎng)合,具有低功耗、低成本和低復(fù)雜度等特點(diǎn)。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(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。

根據(jù)路燈系統(tǒng)特點(diǎn),網(wǎng)絡(luò)采用樹形連接,以便靈活擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)和自組網(wǎng)絡(luò)。與PC機(jī)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(hào)施令的作用;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)有節(jié)點(diǎn)加入時(shí),它分配地址給新節(jié)點(diǎn),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(dān)著與上位機(jī)和相鄰節(jié)點(diǎn)通信的任務(wù)。

2.2.1 功率調(diào)控的設(shè)計(jì)

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(hào)進(jìn)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(jī)、平板進(jìn)行手動(dòng)控制,其中智能控制是按照季節(jié)的不同設(shè)計(jì)路燈不同的工作策略,包括開關(guān)燈的時(shí)間,調(diào)功時(shí)間等,系統(tǒng)自動(dòng)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(gè)路燈控制節(jié)點(diǎn)中的單片機(jī)(這里直接采用CC2530)傳輸開關(guān)命令,后者控制繼電器進(jìn)行開關(guān);而路燈點(diǎn)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(yàn)取值500～1 000 Hz,占空比一般在20%～100%調(diào)節(jié)。

2.2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取與傳輸

檢測(cè)每盞路燈的工作狀態(tài),準(zhǔn)確定位故障路燈并及時(shí)報(bào)警是提高效率、節(jié)約成本的重要功能。智力采用一種簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)方案,在確定路燈處于開燈狀態(tài),檢測(cè)路燈照射區(qū)的光照強(qiáng)度,并同背光區(qū)檢測(cè)的光照強(qiáng)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(diǎn)的地址(如固定的IP地址或MAC地址或預(yù)定義的邏輯編號(hào))到控制中心,控制中心進(jìn)行該地址地邏輯地址(如某某路某某號(hào)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(hào)最好處理為大于0 V,小于3.3 V的電壓,以利于單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換。

與路燈相連的是終端節(jié)點(diǎn),采集的數(shù)據(jù)由終端節(jié)點(diǎn)向上通過路由器、協(xié)調(diào)器、遠(yuǎn)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(cè)量的角度大,外圍電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。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(jì)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(dòng)模塊

4.1 LED驅(qū)動(dòng)需實(shí)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(jì)算,其壽命也在10年以上,維護(hù)費(fèi)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(shí)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(gè)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(diǎn)要實(shí)現(xiàn)對(duì)LED路燈控制,需要滿足如下要求:為保證各個(gè)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(duì)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(gè)完整的LED驅(qū)動(dòng)電路是必須的。

4.2 LED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

HV9911是電流模式LED驅(qū)動(dòng)芯片,以—恒定的工作頻率或以—恒定的脈寬關(guān)斷時(shí)間來實(shí)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(gè)0.25 A～0.5 A 柵極驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)相同功能。

參照?qǐng)D5與表1,PWM調(diào)光可通過施加一個(gè)TTL方波源到PWMD引腳來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)PWMD信號(hào)是高電位時(shí),GATE腳和FAULT腳作為輸出,使能,同時(shí),芯片內(nèi)部放大器的輸出被連接到外部的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),因此內(nèi)部放大器控制著輸出電流。當(dāng)PWMD信號(hào)變低時(shí),斷開了內(nèi)部放大器的輸出與外部補(bǔ)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(duì)轉(zhuǎn)換器的PWM調(diào)光效應(yīng)影響最小化;但是在升壓時(shí)則需一個(gè)非常大的電容以降低LED電流上紋波,所以,該電容對(duì)PWM調(diào)光有重要的作用。

表1 HV99911實(shí)現(xiàn)PWM控制引腳說明

PWMD信號(hào)由單片機(jī)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(jì)的LED驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。

圖6 LED驅(qū)動(dòng)電路

4.3 實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)

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?yàn)檩斎腚妷鹤兓梢粤⒓捶从碁殡姼须娏鞯淖兓?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(shí)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(shí),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(fù)載響應(yīng)快。因?yàn)殡姼兄须娏髅}沖的幅值與輸出電流的平均值成正比。

3) 固有的逐個(gè)脈沖幅值檢測(cè)及限流,簡(jiǎn)化了過載保護(hù)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(cè)技術(shù),可以及時(shí)、靈敏和準(zhǔn)確地檢測(cè)輸出或變壓器或開關(guān)管中的瞬態(tài)電流值,形成逐個(gè)脈沖檢測(cè)電路,從而在電路導(dǎo)致過載或短路時(shí)保護(hù)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(jì)

本節(jié)點(diǎn)電源電路的設(shè)計(jì)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(diǎn)的電源電路,如圖7所示。原理圖中AMS117有固定和可調(diào)兩個(gè)版本,輸出電壓可以是1.2 V～5.0 V之間。CC2530芯片和單片機(jī)工作電壓均為3.3 V,繼電器驅(qū)動(dòng)電壓為5 V,設(shè)計(jì)相應(yīng)驅(qū)動(dòng)電路。使用電池組供電,就可以控制CC2530底板進(jìn)行組網(wǎng)的測(cè)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(diǎn)的電源電路

6 總結(jié)與展望

通過使用無(wú)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(chǎng)與系統(tǒng)監(jiān)控中心提供可靠信息交換;利用單片機(jī)ATMEGA16監(jiān)控溫度傳感器、電壓電流檢測(cè)等元器件,并將相關(guān)信號(hào)上傳至中心控制節(jié)點(diǎn),從而實(shí)現(xiàn)在中央控制中心實(shí)時(shí)觀測(cè)各個(gè)節(jié)點(diǎn)功率,各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度變化;利用傳感器對(duì)相關(guān)信息的收集功能及生成的模擬信號(hào),通過DA實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的有效控制。

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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(xiàng)目(201202202)。

孫 航(1988-),男,遼寧遼陽(yáng)人,沈陽(yáng)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(yáng)師范大學(xué)教授。

TP391.1

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2017.02.023