李巖巖，李敬兆

（1.安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)學(xué)院，安徽 淮南 232001）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，路燈使用數(shù)量在逐漸增多，單純地依靠手動(dòng)控制方式和自動(dòng)控制方式來控制路燈會(huì)造成電能的大量浪費(fèi)[1-2]，如何高效地使用路燈能源已成為迫在眉睫的重大問題。為此，本文提出了在ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建智能化的路燈監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能如下：

（1）對(duì)單盞路燈進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控并根據(jù)需要調(diào)節(jié)燈的亮度；

（2）可以根據(jù)路面上的車流和人流的情況來調(diào)節(jié)路燈的亮度；

（3）可以對(duì)路燈進(jìn)行故障檢測(cè)，當(dāng)有路燈損壞時(shí)可以進(jìn)行報(bào)警并指出故障路燈的具體位置，以及時(shí)維修；

（4）對(duì)用電量、亮燈率和功耗等數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示并可查詢歷史記錄；

（5）為了降低功耗，設(shè)計(jì)了休眠狀態(tài)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和工作原理

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要由安裝在燈桿上的路燈節(jié)點(diǎn)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控界面3部分組成。路燈節(jié)點(diǎn)通過無線通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心取得聯(lián)系。整體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體的結(jié)構(gòu)圖

1.1 路燈節(jié)點(diǎn)

路燈節(jié)點(diǎn)的主要工作包括處理控制命令、采集周圍環(huán)境信息、控制燈的開關(guān)時(shí)間和調(diào)節(jié)燈的亮度。路燈節(jié)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。路燈控制器、電源模塊和ZigBee模塊是路燈節(jié)點(diǎn)的主要組成部分。本文選擇了ATmega16作為路燈控制器的核心部件，其性能較高、功耗較低、驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)，并集成了多種器件和功能，這無疑減少了外圍器件的使用量減少了，簡(jiǎn)化了電路，而且I/O口可以根據(jù)需要自由設(shè)定[3]。

圖2 節(jié)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)圖

1.2 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心的整體框圖如圖3所示。監(jiān)控中心主要包括PC和ZigBee模塊兩個(gè)部分，其主要任務(wù)是提供系統(tǒng)信息。人機(jī)顯示界面可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，還可以對(duì)所有被控路燈的工作狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保其正常工作。PC對(duì)路燈工作狀況信息的采集是通過無線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的。例如，PC可以通過網(wǎng)絡(luò)采集周圍環(huán)境的光照強(qiáng)度、路燈的用電量和亮燈率等，還可以控制路燈節(jié)點(diǎn)并向其發(fā)送命令信息，路燈節(jié)點(diǎn)根據(jù)這些信息對(duì)LED燈作出相應(yīng)的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的智能監(jiān)控。

圖3 監(jiān)控中心的整體框圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 通信程序設(shè)計(jì)

通信程序包括路燈節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控中心的通信以及路燈節(jié)點(diǎn)之間的通信兩部分。

（1）路燈節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控中心之間的通信

路燈節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控中心之間的通信主要是為了完成兩個(gè)方面的任務(wù)：一是為路燈節(jié)點(diǎn)配備相關(guān)信息和傳達(dá)控制命令，這是通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)的；二是可以接收路燈節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行信息，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，工作人員在監(jiān)控室就可以對(duì)路燈進(jìn)行系統(tǒng)操作、故障查詢和報(bào)警等功能。系統(tǒng)的組網(wǎng)流程圖如圖4所示。

圖4 組網(wǎng)流程圖

（2）路燈節(jié)點(diǎn)之間的通信實(shí)現(xiàn)

路燈節(jié)點(diǎn)之間的通信，其目的一是為了節(jié)能，當(dāng)路燈在深夜路上車輛和行人少的時(shí)候處于微亮的節(jié)能狀態(tài)；二是為了保證正常的照明，為行人提供方便，當(dāng)檢測(cè)到路上有行人或車輛經(jīng)過時(shí)，該盞路燈由微亮轉(zhuǎn)為全亮，并通知前面的路燈也作出這樣的操作。

2.2 監(jiān)控軟件功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)監(jiān)控中心程序包括顯示監(jiān)控程序、系統(tǒng)參數(shù)配置程序、調(diào)試配備程序和存儲(chǔ)工作運(yùn)行數(shù)據(jù)程序。

（1）顯示監(jiān)控程序

顯示監(jiān)控程序包括對(duì)路燈工作狀態(tài)的監(jiān)控、路面狀態(tài)的監(jiān)控和故障報(bào)警。其監(jiān)控界面可以實(shí)現(xiàn)許多的功能，主要包括選擇最優(yōu)路徑；監(jiān)控路燈當(dāng)前的亮度、功耗、工作時(shí)長(zhǎng)及是否出現(xiàn)故障；自動(dòng)統(tǒng)計(jì)該街道所有路燈的總用電量和亮燈率；系統(tǒng)自動(dòng)動(dòng)作的時(shí)間段；顯示故障路燈的具體位置及發(fā)生故障的時(shí)間[4-5]。

（2）系統(tǒng)參數(shù)配置程序

系統(tǒng)參數(shù)配置程序包括對(duì)路燈節(jié)點(diǎn)和系統(tǒng)工作時(shí)間的校正以及設(shè)置街道的地址。系統(tǒng)在運(yùn)行一段時(shí)間后，系統(tǒng)時(shí)間和當(dāng)前的時(shí)間會(huì)有一個(gè)差值。通過系統(tǒng)時(shí)間校正就可以消除這個(gè)差值，使系統(tǒng)時(shí)間與PC時(shí)間同步。可以根據(jù)實(shí)際情況和需要設(shè)置系統(tǒng)正常工作的開關(guān)機(jī)時(shí)間與街道地址。

（3）調(diào)試配備程序

配置程序主要包括串口配置、ZigBee讀取和配置以及路燈調(diào)試。串口參數(shù)的配置就是通過串口配置界面來設(shè)置的；ZigBee的配置程序主要完成對(duì)ZigBee模塊的網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)和波特率的讀取與設(shè)置，還包括對(duì)網(wǎng)絡(luò)地址、MAC地址的讀?。煌ㄟ^路燈調(diào)試界面可以清楚地知道路燈周圍的環(huán)境光的強(qiáng)度、路燈的照明情況、功耗及故障情況的信息；也可以對(duì)路燈的光照強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試和設(shè)置路燈的開關(guān)時(shí)間。

（4）存儲(chǔ)工作運(yùn)行數(shù)據(jù)

系統(tǒng)在工作的時(shí)候，數(shù)據(jù)庫中儲(chǔ)存了由下位機(jī)傳來的路燈信息和報(bào)警信息，同時(shí)，保存在數(shù)據(jù)庫中的信息還有街道及路燈的配置信息，這樣可以方便用戶導(dǎo)出和打印這些信息。

3 系統(tǒng)功能測(cè)試

利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有自組網(wǎng)的能力，在測(cè)試的時(shí)候做了一個(gè)最小系統(tǒng)。該最小系統(tǒng)由一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和3個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)組成，系統(tǒng)在一般情況下是處于休眠狀態(tài)的，只有中斷發(fā)生時(shí)才激活節(jié)點(diǎn)進(jìn)行工作，本系統(tǒng)采用了主從的工作方式。將路燈高度和路燈之間的距離分別設(shè)置為 0.7 m和0.8 m，情況如圖 5、圖6所示。

圖5 路燈1微亮，2、3全亮

圖6 路燈1、2微亮，路燈3全亮

圖5顯示的是當(dāng)小車運(yùn)行到路燈2位置時(shí)的狀態(tài)。此時(shí)，路燈2由微亮轉(zhuǎn)為全亮，并告知行駛過的路燈1由全亮轉(zhuǎn)為微亮。當(dāng)小車?yán)^續(xù)前行進(jìn)入3號(hào)節(jié)點(diǎn)的熱釋電紅外傳感范圍時(shí)，3號(hào)燈就會(huì)由微亮轉(zhuǎn)為全亮，此時(shí)如果2號(hào)節(jié)點(diǎn)沒有檢測(cè)到車流或人流信息就會(huì)由全亮轉(zhuǎn)為微亮，情況如圖6所示。若1號(hào)節(jié)點(diǎn)熱釋電紅外傳感器檢測(cè)不到人流或車流信號(hào)又接收到了前方路燈發(fā)來的信號(hào)，該路燈就會(huì)由全亮轉(zhuǎn)為微亮。

本設(shè)計(jì)利用了ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)了路燈控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化管理。該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括擴(kuò)展靈活、易于安裝、操作界面友好以及管理方便等。該系統(tǒng)不僅節(jié)約電能，減少了浪費(fèi)，而且也實(shí)現(xiàn)了照明系統(tǒng)的信息化和智能化管理，具有很好的發(fā)展前景。

[1]林方鍵，胥布工.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路燈節(jié)能控制系統(tǒng)[J].控制工程，2009，16（3）：324-326.

[2]審利民，翁桂鵬.基于ZigBee的智能小區(qū)LED路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)照明電器，2010（2）：26-29.

[3]康學(xué)娟，景軍鋒.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路燈節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（23）：204-206.

[4]劉鵬，宋迪，牛斗.基于 CC2480的 ZigBee無線節(jié)能路燈系統(tǒng)[J].通信技術(shù)，2009，42（1）：331-332.

[5]王海濤，朱兆優(yōu).基于ZigBee的LED節(jié)能街燈控制系統(tǒng)[J].華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，32（4）：394-396.