李卓元, 楊 柳

(西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 四川 成都 614202)

隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)水平的飛速發(fā)展，各種設(shè)施智能化程度也在逐步提高，并逐漸被運(yùn)用到人們的日常生活中。路燈照明系統(tǒng)作為校園數(shù)字化建設(shè)的一部分，其智能化程度對學(xué)校的硬件設(shè)施配置水平有著一定的影響。在傳統(tǒng)路燈控制系統(tǒng)中，路燈只需保證每天定時(shí)開/關(guān)即可，無需考慮故障監(jiān)控和遠(yuǎn)程遙控等功能[1-2]。在這種情況下，對路燈運(yùn)行狀態(tài)的獲取，只能采用人工巡檢方式，這必然導(dǎo)致路燈故障處理效率低，不能更好地滿足實(shí)際應(yīng)用的需求[3-4]。

目前，校園路燈的現(xiàn)行控制方式主要以分散控制為主，即在現(xiàn)場的控制箱內(nèi)設(shè)置好開/關(guān)時(shí)間，通過現(xiàn)場設(shè)置來控制路燈的開關(guān)，這種方法既不能及時(shí)調(diào)整開/關(guān)燈的時(shí)間，更無法及時(shí)反映照明設(shè)施的運(yùn)行情況。隨著校園智慧建設(shè)的不斷發(fā)展，路燈的分布范圍越來越廣，控制范圍也隨之越來越大，現(xiàn)行的控制方法已經(jīng)無法及時(shí)反映照明設(shè)施的運(yùn)行情況，特別是出現(xiàn)故障時(shí)，不能及時(shí)反饋信息，導(dǎo)致不能及時(shí)維護(hù)和維修，難以滿足實(shí)時(shí)實(shí)地的實(shí)際需要。此外，也不利于節(jié)能與減排。

隨著通信技術(shù)和智能控制技術(shù)快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)是當(dāng)前路燈監(jiān)控和管理技術(shù)發(fā)展的主要方向。改善目前普遍采用的照明控制方式，實(shí)現(xiàn)智能化的監(jiān)控和管理，本文擬設(shè)計(jì)一種校園智能路燈管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)、通用分組無線服務(wù)(general packet radio service，GPRS)技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)字信號處理(digital signal processing, DSP)技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)由路燈終端，監(jiān)控終端以及監(jiān)控中心組成的校園路燈控制系統(tǒng)[5-7]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

智能控制是實(shí)現(xiàn)路燈節(jié)能的一種有效的方式，本文以實(shí)現(xiàn)校園路燈系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控為目的。該系統(tǒng)在功能上通過實(shí)時(shí)采集路燈的運(yùn)行狀態(tài)，包括電流、亮度、PM2.5和氣候環(huán)境等信息，通過監(jiān)控路燈終端，監(jiān)控終端將信息時(shí)間傳到監(jiān)測部門和維護(hù)維修單位，解決校園中路燈的長時(shí)間無效果無作用照明，達(dá)到節(jié)能綠色環(huán)保的目的[8]。

依據(jù)上述要求，該校園智能路燈應(yīng)達(dá)到以下主要設(shè)計(jì)目標(biāo)。

(1)自動(dòng)識別道路上行人、車輛，做到“人來燈亮人走燈息”，避免環(huán)境因素干擾造成路燈誤動(dòng)作。

(2)識別環(huán)境光線強(qiáng)度，根據(jù)環(huán)境光照強(qiáng)度控制路燈的亮滅，以實(shí)現(xiàn)對自然日照不足時(shí)的補(bǔ)充。

(3)每盞路燈通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，后臺可實(shí)時(shí)監(jiān)控每一盞燈的工作狀態(tài)，并可通過用戶界面對每一盞燈進(jìn)行控制。

(4)終端檢測功能，能夠?qū)K端實(shí)時(shí)監(jiān)控以便于維護(hù)管理。

以上功能的實(shí)現(xiàn)，可根據(jù)硬件電路的各個(gè)傳感器模塊的操作方式與GPRS通訊協(xié)議，對ZigBee模塊自組網(wǎng)的操作，并運(yùn)用IAR軟件進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)對各個(gè)硬件模塊的無線控制、數(shù)據(jù)傳輸、以及由ZigBee網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)顯示信息[9-10]。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 總體設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，無線智能路燈控制系統(tǒng)包括自動(dòng)檢測電路、無線傳輸模塊、PC監(jiān)控模塊、傳感器模塊和定位傳輸模塊及電源模塊等6個(gè)模塊，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)采用無線通訊技術(shù)，建立遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，對路燈的監(jiān)測與控制可不受地域的限制。對路燈的遠(yuǎn)程監(jiān)測功能，指路燈終端傳感器采集路燈的狀態(tài)，并將采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳送給監(jiān)控終端ZigBee模塊，監(jiān)控終端主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)的整合，最終由監(jiān)控終端的GPRS模塊將數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心由VB設(shè)計(jì)的界面實(shí)現(xiàn)路燈狀態(tài)的顯示，或通過手機(jī)終端APP顯示等，從而實(shí)現(xiàn)路燈遠(yuǎn)程監(jiān)測功能。各模塊的組成和功能如下。

(1)自動(dòng)檢測電路

自動(dòng)檢測電路中的傳感器可直接固定在各路燈的支架臂上，設(shè)備故障的檢測采用溫度傳感器對路燈節(jié)點(diǎn)進(jìn)行溫度檢測，同時(shí)在路燈的配電電路中安裝霍爾傳感器，檢測有無電流通過，根據(jù)溫度及電流判斷路燈的工作狀態(tài)是否正常。

道路信息的檢測擬采用TI公司生產(chǎn)的DSP2812控制光敏傳感器、超聲波傳感器采集道路光照亮度、有無人及車輛通行等信息，并將信息通過ZigBee無線傳輸模塊實(shí)時(shí)反饋到PC中，實(shí)現(xiàn)對道路信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

(2)無線傳輸模塊

考慮到校園內(nèi)的路燈數(shù)目不多，且整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)控制的參量有限，所需傳輸?shù)男畔⒘肯鄬^少，所以，采用以ZigBee/CC2430為核心的無線傳輸模塊，利用其低速率、低功耗、高可靠性等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能需求，同時(shí)ZigBee工作在2.4G的全球通用免費(fèi)頻段上，可以節(jié)省開發(fā)成本。

(3)PC監(jiān)控模塊

PC機(jī)監(jiān)控模塊通過無線智能網(wǎng)絡(luò)，采集路燈狀態(tài)，例如環(huán)境光照強(qiáng)度、故障率、耗電量、天氣情況和霧霾程度等，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定相應(yīng)的閾值，使監(jiān)控中心自動(dòng)向路燈節(jié)點(diǎn)發(fā)送改變工作狀態(tài)的控制命令。路燈節(jié)點(diǎn)根據(jù)這些命令，對路燈進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的靈活控制及每盞路燈的精確控制。

(4)傳感器模塊

傳感器模塊的主要目的是對周邊光線強(qiáng)度、溫度、濕度等狀況進(jìn)行采集，收集環(huán)境變化信息。

溫度傳感器：通過對路燈電路的溫度的檢測，判斷是否有異常升溫，對系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行評估，選用非接觸式數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其測溫范圍在-55℃ ～ +125℃之間，最高分辨率為0.062 5℃，且具有易操作、體積小、成本低等特點(diǎn)。

光敏傳感器：用于檢測路燈周圍環(huán)境的光照強(qiáng)度。選用光電倍增管，是基于外光電效應(yīng)的基本光電轉(zhuǎn)換器件，具有體積小、靈敏度高、操作簡單等特點(diǎn)。當(dāng)環(huán)境光照的強(qiáng)度沒有達(dá)到規(guī)定值時(shí)，電路發(fā)送開燈信號；環(huán)境光照的強(qiáng)度達(dá)到規(guī)定值時(shí)，電路發(fā)送關(guān)燈信號。

PM2.5傳感器：選用高精度的SDS011 PM2.5傳感器，滿足精確高效率的檢測需求，該傳感器具有快速的場景變換響應(yīng)。

超聲波傳感器：擬選用HC-SR501超聲波傳感器模塊，用于檢測接近路燈的人或車輛，該模塊性能穩(wěn)定，測度距離精確。

由以上4個(gè)傳感器模塊組成的環(huán)境監(jiān)控硬件模塊，可實(shí)時(shí)監(jiān)控路燈的工作情況，并通過ZigBee/CC2430無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心決定是否發(fā)送指令改變路燈的工作模式。

(5)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊

選用西門子公司的TC35，實(shí)現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)下遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的相互傳輸。例如，路燈出現(xiàn)故障時(shí)，DSP可通過串口將短消息服務(wù)(short messaging service, SMS)發(fā)送指令傳輸至TC35，然后由TC35發(fā)送故障警告短信至路燈管理員。

(6)電源模塊

智能路燈系統(tǒng)中的220 V轉(zhuǎn)5 V電源模塊采用HQ05P10LRN實(shí)現(xiàn)。

2.2 功能實(shí)現(xiàn)

2.2.1 ZigBee模塊

ZigBee模塊采用星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的配置方式，即將一個(gè)ZigBee模塊作協(xié)調(diào)器，其余多個(gè)ZigBee模塊作為終端，如圖2所示。

圖2 協(xié)調(diào)器與終端組網(wǎng)

終端為傳感器端，負(fù)責(zé)整合各類傳感器所接收到的數(shù)據(jù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器則將所有終端上所發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合打包，并將數(shù)據(jù)包通過RS232串口傳輸至DSP模塊。

2.2.2 DSP模塊

DSP模塊使用TI的TMS320F2812芯片，搭載于TOP2812開發(fā)板之上。開發(fā)板上的DB9串口，通過RS232轉(zhuǎn)TTL轉(zhuǎn)換器與ZigBee協(xié)調(diào)器相連。DSP模塊通過DB9串口傳輸來的信息讀取并進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)下述4個(gè)功能。

(1)對4個(gè)終端上的溫度傳感器、人體紅外傳感器、光敏傳感器以及繼電器信息的接收和發(fā)送。

(2)自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)模式的切換，其中自動(dòng)、半自動(dòng)流程如圖3所示。

(3)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行不同模式的處理。

(4)通過GPRS模塊與遠(yuǎn)程終端進(jìn)行信息傳遞。

圖3 模式流程圖

2.2.3 GPRS模塊

GPRS模塊使用西門子公司的TC35，一款雙頻900/1 800 MHz高度集成的GSM模塊，主要使用其RS232接口實(shí)現(xiàn)，DSP進(jìn)行命令交互行為。具體為，在ZigBee終端利用光敏傳感器接收路燈的開關(guān)情況，并將數(shù)據(jù)傳輸至ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)打包，再發(fā)送給DSP進(jìn)行處理。一旦發(fā)現(xiàn)燈的亮滅情況與實(shí)際情況不符，DSP立刻通過RS232串口將SMS發(fā)送指令傳輸至TC35，然后由TC35發(fā)送故障警告短信至路燈管理員進(jìn)行處理。

2.3 界面設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心的軟件設(shè)計(jì)主要包括PC機(jī)的人機(jī)交互界面與系統(tǒng)狀態(tài)顯示軟件，頁面設(shè)計(jì)采用VB編寫相應(yīng)的用戶界面。

3 系統(tǒng)測試

為檢測設(shè)計(jì)的校園智能路燈系統(tǒng)能否到達(dá)審計(jì)目標(biāo)要求，需要通過實(shí)驗(yàn)調(diào)試來進(jìn)行驗(yàn)證，主要包括以下4部分。

3.1 ZigBee模塊測試仿真

將ZigBee組件連接好后進(jìn)行組網(wǎng)和上電操作。先按下各ZigBee終端S1按鍵，上傳終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。再打開串口調(diào)試助手，發(fā)送查詢代碼“3A 00 FF 01 C4 23”，窗口反饋所測得數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖4所示。

(a) 手動(dòng)發(fā)送查詢代碼

(b) 自動(dòng)定時(shí)發(fā)送查詢代碼

從圖4中，獲得4個(gè)節(jié)點(diǎn)16位進(jìn)制數(shù)據(jù)，分別為“19 2D 00 00”，“1A 19 01 00”，“00 00 00 01”，“00 00 00 01”，分別代表溫度、濕度、人體紅外及燈亮滅等情況。串口助手觀察的是監(jiān)控終端協(xié)調(diào)器模塊發(fā)出的數(shù)據(jù)，當(dāng)觀察到串口助手不斷顯示00 00 00 00，表示此時(shí)路燈亮度達(dá)不到設(shè)定閾值，路燈終端檢測到路燈亮度故障信息，并以00 00 00 00的形式發(fā)送給監(jiān)控終端。

3.2 DSP模塊測試仿真

DSP模塊測試仿真實(shí)際操作如圖5所示。

圖5 PC與DSP實(shí)際操作

PC與DSP之間連接為DB 9到USB的傳輸線。為了實(shí)現(xiàn)ZigBee組網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集，首先，使用PC端的串口調(diào)試工具，實(shí)現(xiàn)PC與DSP數(shù)據(jù)的收發(fā)；其次，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)信息采集，編寫了串口可以自動(dòng)發(fā)送和接收，且符合Zigbee通訊協(xié)議的程序指令3A 00 ff 01 C4 23；再次，在波特率38 400 bps的傳輸速率下，對信息進(jìn)行自動(dòng)收發(fā)，實(shí)現(xiàn)了PC端與DSP的自動(dòng)信息交互。

3.3 GPRS模塊測試仿真

GPRS模塊測試仿真分采用單片機(jī)控制TC35來模擬DSP控制TC35。單片機(jī)開發(fā)板選用STC89C52，通過3根線連接單片機(jī)和TC35模塊，其中TTL電平可直接連接，分別為TX、RX和GND，如圖9所示。檢測結(jié)果表明該模塊將TC35通過串口接入PC。

圖6 連接成功

通過撥打電話進(jìn)行驗(yàn)證，如圖7所示。圖7從右到左的4個(gè)LED分別指示單片機(jī)，正在發(fā)送數(shù)據(jù)到TC35模塊、模塊收到單片機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，卡已注冊到基站，正在向程序中的號碼撥打電話等。

圖7 撥號測試

以上仿真驗(yàn)證，該模塊可將檢測到的路燈運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，依次向上級傳送直至傳送給監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)路燈的遠(yuǎn)程控制功能。

3.4 性能驗(yàn)證

采用4盞路燈作為測試對象，在不同光照條件、不同時(shí)間段及故障情況下對智能路燈系統(tǒng)進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖8所示。測試實(shí)驗(yàn)顯示，當(dāng)校園光照強(qiáng)度不足且人群密度較大時(shí)，路燈全亮，控制界面如圖(a)所示。22點(diǎn)后亮燈的數(shù)量逐步減少，直到天亮全熄滅，控制界面如圖(b)所示。當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，如圖(c)所示，軟件界面的狀態(tài)顯示為“關(guān)”?？梢钥闯?，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)預(yù)期監(jiān)控和管理，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

(a) 人群密集情況

(b) 定時(shí)開關(guān)情況

(c) 故障發(fā)生情況

4 結(jié)語

將ZigBee技術(shù)以及GPRS，傳感器，單片機(jī)和DSP等技術(shù)融合運(yùn)用，設(shè)計(jì)并開發(fā)了智能化的校園路燈照明管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)路燈的遠(yuǎn)程操控，同時(shí)可發(fā)送報(bào)警等信息給路燈管理員，降低人工成本同時(shí)，提高了路燈維修的效率，減少能耗。所設(shè)計(jì)的基于ZigBee技術(shù)的校園智能路燈控制系統(tǒng)，可滿足學(xué)校節(jié)約能源、綠色環(huán)保的理念，且系統(tǒng)界面友好，操作方便，具有可維護(hù)性和擴(kuò)展性。