何子力，張麗娜，張放心，徐景宏，方 勇，劉 文

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 物理學(xué)院，安徽 合肥 230026)

0 引言

近幾年的春秋冬季節(jié)，我國(guó)許多地區(qū)霧霾天氣十分常見，由此引發(fā)許多交通事故，尤其對(duì)高速公路的正常運(yùn)行影響極大。高速公路經(jīng)常被迫在霧霾天氣時(shí)全線封閉，影響民眾出行、物流運(yùn)輸，由此造成經(jīng)濟(jì)上的重大損失。通過使用ZigBee技術(shù)采集霧霾濃度數(shù)據(jù)來控制路燈開關(guān)和亮度以提高霧霾天氣中高速公路的能見度，保證高速公路在霧霾天氣時(shí)的正常運(yùn)行并減少交通事故的發(fā)生。

LED光源在能耗、壽命、發(fā)光效率、低電壓驅(qū)動(dòng)、可二次配光設(shè)計(jì)等方面優(yōu)于傳統(tǒng)路燈[1-2]，因此本系統(tǒng)采用LED光源作為路燈，通過霧霾檢測(cè)傳感器采集霧霾濃度數(shù)據(jù)傳送到控制中心，并對(duì)路燈進(jìn)行控制達(dá)到節(jié)能和對(duì)路燈的智能化管理。以往文獻(xiàn)多專注于城市路燈照明系統(tǒng)的節(jié)能控制[3-7]，但是由于已有供電路線，很多時(shí)候采用PLC(電力載波通信)進(jìn)行控制更加實(shí)用，在高速公路這類無市電連接的特殊情況下的研究較少。ZigBee作為一種低功耗、低速率、支持大量節(jié)點(diǎn)的無線通信技術(shù)在無線傳感器組網(wǎng)方面已經(jīng)得到廣泛的研究和應(yīng)用[8-13]，因此也正適合高速公路路燈場(chǎng)景的應(yīng)用。本系統(tǒng)需要配備太陽能電池板和蓄電池作為供電電源使用。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

在高速公路上每隔20 m安裝一個(gè)LED路燈，為了節(jié)能和降低供電成本，每個(gè)路燈配置無線傳感器節(jié)點(diǎn)和供電控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無市電情況下對(duì)路燈的組網(wǎng)進(jìn)行智能化控制，給無線傳感網(wǎng)的戶外應(yīng)用提供一定參考價(jià)值。防霧霾路燈控制系統(tǒng)采用“傳感控制模塊+ZigBee無線傳輸模塊+客戶端”的結(jié)構(gòu)，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

客戶端作為系統(tǒng)的上層，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與控制柜中的ZigBee協(xié)調(diào)器通信，通過上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)整個(gè)路燈系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和組網(wǎng)管理；ZigBee網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，各節(jié)點(diǎn)運(yùn)行ZigBee協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)管理；每個(gè)路燈模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，路燈模塊包含顆粒物濃度傳感器、溫濕度傳感器、微控制單元、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片、太陽能電池、充電控制器、蓄電池、電源管理芯片、LED驅(qū)動(dòng)模塊、LED路燈等。傳感器和電源管理芯片的狀態(tài)信息傳輸?shù)轿⒖刂破髦?，并和ZigBee終端節(jié)點(diǎn)通過TTL接口通信，微控制器根據(jù)傳感器信息和實(shí)時(shí)時(shí)鐘信息控制LED路燈的亮度，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)采用星型網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)。星型網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成，各終端節(jié)點(diǎn)除了有上傳數(shù)據(jù)的功能外，還可以用廣播的方式轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，使得遠(yuǎn)處節(jié)點(diǎn)也可以和協(xié)調(diào)器通信。ZigBee網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)均采用TI公司的CC2530芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，CC2530是TI公司專門針對(duì)ZigBee應(yīng)用設(shè)計(jì)的單芯片解決方案，經(jīng)濟(jì)且低功耗，結(jié)合Zstack協(xié)議?？梢杂行нM(jìn)行程序設(shè)計(jì)和維護(hù)。

路燈模塊核心是微控制單元(MCU)，MCU外圍設(shè)備由實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片、顆粒物濃度傳感器、溫濕度傳感器、LED驅(qū)動(dòng)模塊、LED路燈、電源管理芯片、蓄電池、充電控制器、太陽能電池組成。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 路燈模塊結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)采用STM32F103ZET6作為微控制單元(MCU)。該單片機(jī)是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的以ARM Cortex-M3為內(nèi)核的32位單片機(jī)，具有2個(gè)I2C接口，3個(gè)USART接口，2個(gè)UART接口，多達(dá)4個(gè)16位通用定時(shí)器， 每個(gè)定時(shí)器有多達(dá)4個(gè)用于輸入捕獲、輸出比較、產(chǎn)生PWM和脈沖計(jì)數(shù)的通道，2個(gè)16 位6通道高級(jí)控制定時(shí)器，多達(dá)6路PWM 輸出，最大工作頻率達(dá)72 MHz。MCU和ZigBee終端節(jié)點(diǎn)通過USART接口通信。實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片采用DS1302芯片，給MCU提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘以控制白色燈珠的開關(guān)。

研究表明，空氣中PM2.5濃度和相對(duì)濕度對(duì)能見度的影響最大[14]。檢測(cè)PM2.5濃度的顆粒物濃度傳感器采用攀藤科技有限公司的PMS5003數(shù)字式通用顆粒物濃度傳感器，PMS5003是一款基于激光散射原理的數(shù)字式通用顆粒物濃度傳感器，可連續(xù)采集并計(jì)算單位體積內(nèi)空氣中不同粒徑的懸浮顆粒物個(gè)數(shù)，即顆粒物濃度分布，進(jìn)而換算成為質(zhì)量濃度，并以通用數(shù)字接口形式輸出，本系統(tǒng)僅選用其中PM2.5的數(shù)據(jù)。濕度傳感器采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，DHT11和MCU之間通過單總線串行接口通信。

LED驅(qū)動(dòng)電路原理圖LED驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，其基于凌力爾特公司的LT3755芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，接收MCU輸出的PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)LED路燈的PWM調(diào)光。LED路燈包含4顆白光燈珠用于平時(shí)夜間照明，8顆穿透性更強(qiáng)的黃光燈珠可在霧霾天氣時(shí)使用，額定電壓12 V，總功率12 W。

電源管理芯片采用LT2943芯片，該芯片為凌力爾特公司生產(chǎn)的多節(jié)電池電量測(cè)量芯片，可測(cè)量自身溫度、電池充電狀態(tài)、電池電壓、電池電流。輸入電壓范圍寬，高達(dá)20 V。一個(gè)精準(zhǔn)的庫侖計(jì)量器負(fù)責(zé)對(duì)流經(jīng)檢測(cè)電阻的電流進(jìn)行積分運(yùn)算。電池電壓、電流和溫度利用一個(gè)內(nèi)部14位無延遲增量累加ADC來測(cè)量。測(cè)量結(jié)果被存儲(chǔ)于可通過內(nèi)置I2C/ SMBus 接口進(jìn)行存取的內(nèi)部寄存器中，芯片與MCU之間采用I2C接口通信。

考慮太陽能電池的發(fā)電效率和霧霾最長(zhǎng)持續(xù)一周的情況，設(shè)計(jì)蓄電池容量為120 Ah，太陽能電池標(biāo)稱功率為40 W，充電控制器用于太陽能電池對(duì)蓄電池的充電管理。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包含客戶端應(yīng)用程序、協(xié)調(diào)器應(yīng)用層、終端節(jié)點(diǎn)應(yīng)用層、路燈模塊等部分的程序設(shè)計(jì)?？蛻舳藨?yīng)用程序基于VS2015平臺(tái)開發(fā)，由于其效率高、功能強(qiáng)大，適合Windows平臺(tái)應(yīng)用的快速開發(fā)，該應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)了對(duì)路燈網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖3 LED驅(qū)動(dòng)電路原理圖

3.1 協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

基于Z-stack協(xié)議棧進(jìn)行協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)。其流程框圖如圖4、圖5所示。

圖4 協(xié)調(diào)器程序流程圖

圖5 終端節(jié)點(diǎn)程序流程圖

協(xié)調(diào)器程序：系統(tǒng)上電后，組建網(wǎng)絡(luò)等待終端節(jié)點(diǎn)連接。當(dāng)收到終端節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)包后，判斷簇標(biāo)志，若正確，將數(shù)據(jù)包通過串口發(fā)送給GPRS模塊，再次進(jìn)入等待接收無線數(shù)據(jù)狀態(tài)。

終端節(jié)點(diǎn)程序：系統(tǒng)上電后，進(jìn)入輪詢狀態(tài)。當(dāng)串口接收到MCU發(fā)來的數(shù)據(jù)包時(shí)，將數(shù)據(jù)包進(jìn)行廣播發(fā)送到空中并進(jìn)入輪詢狀態(tài)；當(dāng)收到空中的無線數(shù)據(jù)包時(shí)，判斷其與上次的數(shù)據(jù)包是否重復(fù)，若是重復(fù)包，則進(jìn)入輪詢狀態(tài)，否則廣播發(fā)送該數(shù)據(jù)包，之后進(jìn)入輪詢狀態(tài)。

3.2 路燈模塊軟件設(shè)計(jì)

路燈模塊程序負(fù)責(zé)路燈的亮度調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)上傳，其流程框圖如圖6所示。

路燈模塊上電后，MCU讀取PMS5003和DHT11傳感器的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析處理后輸出PWM信號(hào)控制黃燈亮度，同時(shí)MCU從LT2943芯片中讀取電池狀態(tài)信息，將上述信息打包處理后發(fā)送給ZigBee終端節(jié)點(diǎn)。此外，MCU還依據(jù)DS1302芯片提供的時(shí)鐘每天定時(shí)打開和關(guān)閉白燈。

3.3 串口通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中終端節(jié)點(diǎn)通過串口上傳數(shù)據(jù)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，協(xié)調(diào)器串口接收數(shù)據(jù)包并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳到客戶端，因此只需對(duì)MCU上傳到ZigBee終端節(jié)點(diǎn)串口的數(shù)據(jù)包格式進(jìn)行設(shè)計(jì)。串口傳輸協(xié)議格式如圖7所示。

圖7 串口傳輸協(xié)議格式圖

起始字節(jié)占2 B，值固定為0x3553；終端標(biāo)志位用于對(duì)終端進(jìn)行編號(hào)管理，占2 B；之后為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)：PM2.5濃度、溫度、濕度、電池電量、電流、電壓、主板溫度，均占2 B；最后為校驗(yàn)和，采用求和取余的方法求得，占2 B。

4 系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的性能和推廣的可行性，按照文中所述搭建系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)設(shè)施概況：采用1個(gè)協(xié)調(diào)器，4個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)配有路燈模塊，其余節(jié)點(diǎn)配有單片機(jī)模擬路燈輸入串口數(shù)據(jù)，終端節(jié)點(diǎn)沿直線放置，彼此間隔20 m，協(xié)調(diào)器放在系統(tǒng)末端，戶外環(huán)境下各節(jié)點(diǎn)之間沒有明顯障礙物。協(xié)調(diào)器連接GPRS模塊，實(shí)驗(yàn)人員遠(yuǎn)程接收系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)并監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀況。上位機(jī)運(yùn)行情況如圖8所示。

圖8 上位機(jī)運(yùn)行圖

經(jīng)過一個(gè)月的連續(xù)測(cè)試，本系統(tǒng)保持穩(wěn)定的運(yùn)行，路燈隨著環(huán)境參數(shù)的變化準(zhǔn)確開關(guān)和調(diào)節(jié)亮度，電源模塊可以穩(wěn)定提供電力保障，實(shí)現(xiàn)了低成本的智能化路燈監(jiān)控管理，該系統(tǒng)可以滿足高速公路的裝配需求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于高速公路的防霧霾路燈控制系統(tǒng)，在電源管理、ZigBee組網(wǎng)、定制驅(qū)動(dòng)電路等多方面實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新應(yīng)用，對(duì)戶外多種復(fù)雜環(huán)境下無線傳感網(wǎng)的搭建具有一定參考價(jià)值。該系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試可以在霧霾天氣發(fā)生時(shí)準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)路燈的亮度控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控，可以裝配在有需求的高速公路中，可顯著提升高速公路運(yùn)營(yíng)的安全性和經(jīng)濟(jì)效益。