葉木進(jìn)+王陳+朱德富+趙媛媛+姚有峰

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)路燈控制系統(tǒng)在節(jié)能和控制方面存在的不足，文中設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程無(wú)線路燈控制器。該控制器基于ZigBee超低功率無(wú)線傳輸模塊，綜合利用多種傳感器實(shí)現(xiàn)夜間人車自動(dòng)檢測(cè)，在人車較少或者無(wú)人車經(jīng)過(guò)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)路燈亮度，減少了不必要的資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)了路燈工作狀態(tài)自動(dòng)檢測(cè)的多傳感器融合，通過(guò)核心處理器與ZigBee無(wú)線傳輸模塊節(jié)點(diǎn)的通信，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)測(cè)與控制。

關(guān)鍵詞：ZigBee；節(jié)能；傳感器；路燈控制器

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）02-00-04

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和城市化浪潮的推進(jìn)，智能路燈照明系統(tǒng)受到了社會(huì)越來(lái)越多的關(guān)注和重視。尤其在當(dāng)前能源緊缺的大環(huán)境下，節(jié)能已成為全社會(huì)共同關(guān)心的問(wèn)題。中國(guó)住房城鄉(xiāng)建設(shè)部更明確要求采用先進(jìn)的技術(shù)來(lái)提高城市照明節(jié)能管理水平[1，2]。目前，我國(guó)大部分道路照明都采用“人控”或“時(shí)控”等單一控制方式[3，4]。人工控制容易受天氣的影響，而定時(shí)控制容易因季節(jié)、天氣等變化產(chǎn)生早開(kāi)、晚開(kāi)等誤操作，給居民生活帶來(lái)諸多不便。

為了解決現(xiàn)有路燈控制器在節(jié)能和檢測(cè)方面存在的不足，本文設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程無(wú)線路燈控制器。該控制器利用紅外探測(cè)、亮度檢測(cè)等技術(shù)，根據(jù)有無(wú)行人通過(guò)來(lái)控制夜間路燈亮度，從而減少電力損耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。系統(tǒng)中利用電流傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路燈工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)路燈工作狀態(tài)的自動(dòng)檢測(cè)，從而減少人工巡檢的工作量。本路燈控制器在智能化、節(jié)能化方面有較好的效果。隨著城市照明多樣化的發(fā)展，這種智能節(jié)能路燈控制器將有更廣闊的應(yīng)用前景[5]。

1 控制器的系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要由ZigBee無(wú)線收發(fā)模塊、紅外檢測(cè)模塊、光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊和路燈工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊組成。單燈控制器系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

系統(tǒng)核心處理器采用TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片，光照亮度由數(shù)字光照強(qiáng)度傳感器BH1750采集。當(dāng)光照強(qiáng)度信息傳入芯片后，通過(guò)與預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較，判斷是否需要開(kāi)啟路燈[6]，從而減少由“人控”“時(shí)控”產(chǎn)生的誤開(kāi)。該控制器利用紅外傳感器實(shí)現(xiàn)深夜無(wú)人或者行人較少時(shí)段人員和車輛的檢測(cè)，在無(wú)人無(wú)車時(shí)降低路燈發(fā)光亮度，減少不必要的損耗。燈光亮度通過(guò)開(kāi)關(guān)二極管的單向?qū)щ娦詫?shí)現(xiàn)燈光亮度的二級(jí)調(diào)節(jié)，節(jié)約能源。通過(guò)電流傳感器實(shí)現(xiàn)路燈工作狀況自檢，并將檢測(cè)結(jié)果反饋到控制中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障監(jiān)測(cè)，減少人工巡檢的工作量，達(dá)到節(jié)省電力、人力，方便居民生活的目的。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee模塊

ZigBee是一種無(wú)線連接，可工作在全球流行的2.4 GHz頻段上，具有最高250 kbit/s傳輸速率，通訊距離達(dá)幾百米到幾千米，并且支持無(wú)線功率擴(kuò)展[7]的無(wú)線通信技術(shù)。ZigBee具有以下特點(diǎn)：

（1）低功耗：由于ZigBee的傳輸速率低，因此其發(fā)射功率僅為1mW，而且工作間隙采用休眠模式，進(jìn)一步降低了功耗。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，ZigBee設(shè)備僅靠?jī)晒?jié)5號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年的工作時(shí)間。

（2）成本低：ZigBee模塊的成本低，一塊ZigBee模塊售價(jià)約2.5美元，且ZigBee協(xié)議免專利費(fèi)，大大降低了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本。

（3）網(wǎng)絡(luò)容量大：一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，而且區(qū)域組網(wǎng)靈活。

2.2 光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊

在設(shè)計(jì)控制器系統(tǒng)時(shí)，最初利用室外的光照強(qiáng)度來(lái)自動(dòng)控制路燈的開(kāi)啟與關(guān)閉。那么如何能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地掌握室外光照強(qiáng)度的變化，成為自動(dòng)控制的關(guān)鍵。毫無(wú)疑問(wèn)，光照強(qiáng)度傳感器是最好的選擇，本系統(tǒng)采用GY-30光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊，其核心由內(nèi)部含有十六位模數(shù)轉(zhuǎn)換并具有I2C通信功能的BH1750芯片構(gòu)成。傳感器中的感應(yīng)元件根據(jù)熱電效應(yīng)原理，采用繞線電鍍式多接點(diǎn)熱電堆，其表面涂有高吸收率的黑色涂層，熱接點(diǎn)在感應(yīng)面上，而冷接點(diǎn)則位于機(jī)體內(nèi)，冷熱接點(diǎn)產(chǎn)生溫差電勢(shì)，在線性范圍內(nèi)，輸出信號(hào)和太陽(yáng)輻射照度成正比。當(dāng)檢測(cè)到環(huán)境中的光線低于或高于設(shè)定的閾值時(shí)，在SCL時(shí)鐘作用下，通過(guò)SDA將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，進(jìn)行自動(dòng)控制。從而實(shí)現(xiàn)了路燈由“人控”“時(shí)控”到“光控”的轉(zhuǎn)變，避免了電力資源的浪費(fèi)，節(jié)省了人力、物力，既方便，又符合節(jié)能環(huán)保理念。光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊電路如圖2所示。

此模塊主要用于檢測(cè)室外光照強(qiáng)度，當(dāng)采集到的照度值低于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟路燈，從而避免了白天因惡劣天氣導(dǎo)致室外光照強(qiáng)度較低而誤開(kāi)路燈的情況出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能控制功能。

2.3 行人紅外檢測(cè)模塊

為了完善控制器的自動(dòng)控制功能，充分體現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的設(shè)計(jì)理念，在已有“光控”的基礎(chǔ)上，增加了行人紅外檢測(cè)模塊。此模塊主要用于當(dāng)檢測(cè)到深夜長(zhǎng)時(shí)間無(wú)行人經(jīng)過(guò)或者行人較少時(shí)，降低路燈的亮度，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。行人紅外檢測(cè)模塊主要依靠紅外傳感器進(jìn)行檢測(cè)。設(shè)計(jì)中采用熱敏型傳感器，其核心元件是熱敏電阻，處理部分是數(shù)?；旌系腂ISS0001芯片。其工作原理是：在熱釋電晶片表面罩上一塊菲涅爾透鏡，若有人進(jìn)入透鏡監(jiān)視范圍，則人體發(fā)出的約10 μm特定波長(zhǎng)紅外線就會(huì)被檢測(cè)到，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)，使熱敏電阻受到紅外線輻射，此時(shí)溫度升高，電阻發(fā)生變化，通過(guò)處理電路將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，驅(qū)動(dòng)控制電路，以此完成偵測(cè)過(guò)程。行人紅外檢測(cè)電路如圖3所示。

2.4 路燈工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊

路燈在正常工作一段時(shí)間后，會(huì)不可避免地出現(xiàn)故障。為了不影響居民的正常生活，就需要經(jīng)常安排人員巡檢，以便發(fā)現(xiàn)、排除故障，不僅浪費(fèi)人力、物力，而且不能及時(shí)了解故障信息。結(jié)合生活實(shí)際與路燈故障的主要原因，本文設(shè)計(jì)了路燈工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊。由于導(dǎo)致路燈出現(xiàn)故障的原因一般為即短路或斷路[8]，因此在設(shè)計(jì)路燈工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊時(shí)，需對(duì)路燈工作電流進(jìn)行檢測(cè)。此模塊采用基于霍爾感應(yīng)原理設(shè)計(jì)的ACS712電流檢測(cè)芯片，當(dāng)電流流過(guò)銅箔時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)，霍爾元件根據(jù)磁場(chǎng)感應(yīng)出一個(gè)線性電壓信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)內(nèi)部放大、濾波等處理，輸出一個(gè)電壓信號(hào)，通過(guò)確定流經(jīng)銅箔的電流大小判斷路燈是否工作正常[9]。若被檢測(cè)電流大于或小于預(yù)設(shè)閾值電流，則認(rèn)為路燈處于非正常工作狀態(tài)。此時(shí)路燈節(jié)點(diǎn)向控制中心發(fā)送故障信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障監(jiān)測(cè)，節(jié)省了電力、人力。路燈工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路如圖4所示。endprint

2.5 控制模塊及系統(tǒng)組成

該控制器的電路系統(tǒng)由CC2530主控芯片、GY-30光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊、ACS712電流檢測(cè)模塊、HC-SR501紅外探測(cè)模塊、電力供電模塊與整流二極管路燈亮度調(diào)節(jié)電路組成。控制模塊及系統(tǒng)組成如圖5所示。

光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊GY-30內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，通過(guò)SDA引腳直接輸出數(shù)字信號(hào)，控制器將采集到的光照強(qiáng)度數(shù)值與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，確定是否需要開(kāi)啟路燈，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的自動(dòng)開(kāi)啟與關(guān)閉。電流檢測(cè)模塊ACS712是為實(shí)現(xiàn)路燈工作狀態(tài)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)而設(shè)計(jì)，其內(nèi)置的ACS712芯片是Allegro公司最新推出的一種線性電流傳感器，該器件內(nèi)置有精確的低偏置線性霍爾傳感器電路，能輸出與所檢測(cè)到的交流或直流電流成相應(yīng)比例的電壓，具有低噪聲、響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)。路燈正常工作時(shí)，電流大小較為穩(wěn)定，若電流為零或無(wú)窮大，則判定路燈出現(xiàn)故障，并將故障信息反饋到管制中心，實(shí)現(xiàn)路燈工作狀態(tài)的自動(dòng)檢測(cè)。紅外探測(cè)模塊HC-SR501為被動(dòng)紅外檢測(cè)方式，當(dāng)檢測(cè)到人體紅外時(shí)，該模塊的OUT引腳輸出高電平。主控芯片通過(guò)對(duì)該引腳高低電平的檢測(cè)來(lái)判斷是否有行人經(jīng)過(guò)。若深夜長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)到無(wú)行人或行人較少，則控制器啟用路燈亮度調(diào)節(jié)電路，降低路燈亮度，節(jié)約能源。

電力供電模塊將AC 220 V交流電壓轉(zhuǎn)換為DC 5 V直流電壓給系統(tǒng)供電。路燈亮度控制或亮度調(diào)節(jié)電路由繼電器、三極管、整流二極管組成。繼電器與NPN型三極管組成共射電路，通過(guò)CC2530的P10與P11引腳控制三極管的基極電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的控制。路燈正常亮度照明時(shí)繼電器K1工作、K2斷開(kāi)；當(dāng)深夜行人較少需要降低亮度時(shí)，繼電器K1斷開(kāi)，K2工作。在繼電器K2的回路中串聯(lián)了D1整流二極管1N4007，考慮到正弦交流電在一個(gè)周期內(nèi)有正半周與負(fù)半周之分，因此可利用開(kāi)關(guān)二極管的單向?qū)щ娦訹10]使路燈在一個(gè)周期內(nèi)工作的時(shí)間降為原來(lái)的1/2，從而降低路燈亮度，體現(xiàn)了自動(dòng)控制與節(jié)能環(huán)保的設(shè)計(jì)理念。

3 軟件設(shè)計(jì)

控制器最初的設(shè)計(jì)思路是在ZigBee無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊的基礎(chǔ)上，利用光照強(qiáng)度傳感器與繼電器來(lái)控制路燈的開(kāi)啟與關(guān)閉。但這種控制功能過(guò)于單一，滿足不了現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展與人們生活的需要，所以在此基礎(chǔ)上增加了行人與車輛紅外檢測(cè)模塊。當(dāng)檢測(cè)到深夜行人或車輛較少時(shí)，降低路燈照明亮度。由于路燈出現(xiàn)故障時(shí)需要及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握故障信息，所以要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路燈的工作狀態(tài)。為了減少因路燈故障給居民生活帶來(lái)的影響，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了路燈工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊。根據(jù)控制器功能的需要編寫系統(tǒng)軟件及其流程，如圖6所示。

系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，然后開(kāi)始檢測(cè)光照強(qiáng)度。光照強(qiáng)度檢測(cè)是控制系統(tǒng)的核心，控制著路燈的工作狀況，在所有控制功能中其優(yōu)先級(jí)最高。只有當(dāng)光照強(qiáng)度低于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，控制程序才會(huì)進(jìn)入路燈工作狀態(tài)檢測(cè)。若路燈出現(xiàn)故障，則控制器會(huì)向控制中心發(fā)送路燈故障信息。若路燈工作狀態(tài)正常，則進(jìn)入紅外功能檢測(cè)：當(dāng)檢測(cè)到有行人或車輛時(shí)，發(fā)送指令提高路燈照明亮度；當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)行人或車輛時(shí)，則降低路燈發(fā)光亮度。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種基于ZigBee超低功率無(wú)線傳輸模塊的遠(yuǎn)程無(wú)線路燈控制器。通過(guò)硬件與軟件設(shè)計(jì)，綜合利用多種傳感器實(shí)現(xiàn)了夜間紅外自動(dòng)檢測(cè)，并通過(guò)ZigBee無(wú)線傳輸功能實(shí)現(xiàn)了控制器節(jié)點(diǎn)與控制中心的通信，及遠(yuǎn)程無(wú)線控制與監(jiān)測(cè)。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室搭建ZigBee無(wú)線傳輸系統(tǒng)對(duì)照明燈具進(jìn)行控制，基本實(shí)現(xiàn)了所設(shè)計(jì)的功能。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部辦公廳住房城市建設(shè)部.關(guān)于印發(fā)《“十一 五”城市綠色照明工程規(guī)劃綱要》的通知[Z].建辦城[2006]48號(hào)，2006.

[2] 住房城市建設(shè)部.關(guān)于印發(fā) “十二五”城市綠色照明規(guī)劃綱要的通知，建城[2011]178號(hào)[Z].2011.

[3] 趙海蘭，徐繼明，徐建華.經(jīng)緯度路燈控制器的設(shè)計(jì)與研究[J].照明工程學(xué)報(bào)，2011，22（4）：87-90.

[4] 劉雨樓.基于S3C44B0X的城市路燈控制器[D].南寧：廣西大學(xué)，2007.

[5] 錢宏，張華，黃宗富，等.基于多傳感器的智能路燈控制器設(shè)計(jì)[J].中國(guó)科技信息，2014 （7） ：138-140.

[6] 阮星，蔡闖華.一個(gè)基于ZigBee協(xié)議的智能照明應(yīng)用實(shí)例的實(shí)現(xiàn)[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011（8）：38-40.

[7] 趙景宏，李英凡，許純信.ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介[J].電力系統(tǒng)通信，2006，27（7） ：54-56.

[8] 王鐵靜.短路在各種電路中應(yīng)用的探究[J].電工文摘，2016（1）：70-72.

[9] 董建懷.電流傳感器ACS712的原理與應(yīng)用[J].中國(guó)科技信息，2010（5）：92-93.

[10] 張培君.二極管的特殊應(yīng)用[J].電子制作，2006（5）：52-53.endprint