基于Zigbee的路灯控制系统设计方案Word文档格式.docx

基于Zigbee的路灯控制系统设计方案Word文档格式.docx

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路灯故障检测信号取自XN2115芯片的SW点的电压，将该点电压通过大电容平波后与电压比较器的基准电压进行比较，比较结果的高低电平送入单片机处理，并将故障信息送至上位机实现故障报警、位置显示等功能。

路灯节点使用了5V及12V的直流电。

将220V交流电通过整流桥KBP210变为12V直流电，为LED驱动电路和故障检测电路提供电源，功率可达40W;

12V直流电源再通过LM2596-5.0集成三端稳压器输出5V直流电源，输出电流最大可达3A,具有很好的线性和负载调节特性，为Zigbee模块、单片机及其他外围电路提供电源。

2.3监控中心

监控中心由PC机和Zigbee模块组成，提供系统信息，具有遥测、遥控及存储和管理数据功能的人机界面显示，可以对整个路灯系统进行工作状况的实时监控。

PC机可以通过无线通信网络采集路灯状态，例如环境光强度、用电量、亮灯率等，并可向路灯节点发送控制命令，路灯节点根据这些命令对LED灯进行操作，实现系统的按需控制及每盏路灯的实时监控。

3系统软件设计

系统上电后进行初始化，检测系统是否正常工作，如果正常则按照路灯控制界面进行路灯状态检测或者对路灯进行输出控制，使路灯按照既定程序实现开/关状态，并经由Zigbee网络实时显示信息。

监控界面可选择各Zigbee模块的网络节点号，搜索网络内的各个模块，将控制命令发送至指定的路灯节点，也可实时显示路灯状态信息和底层数据包。

3.1现场信号采集、检测与处理程序

路灯现场环境光采集模块经由光敏电阻得到电压值，并通过ATmage16内部的1路10位ADC模数转化电路将其转化为数字信号。

为了平滑采样信号，提高系统抗干扰能力，设计中采用了数字滤波方式，每次转换完闭后，ATmage16会自动产生中断信号，将本次和前8次数据取平均值送给单片机处理。

当有人经过时热释电红外传感器会输出高电平，经过后续处理电路，单片机得到一个低电平。

为了避免重复触发，人体检测中断触发方式采用下降沿方式。

路灯的调光是通过给XN2115芯片的DIM引脚端上施加PWM信号来实现。

ATmage16内部自带四通道的PWM,设置为快速PWM模式、OC2复位、32分频。

当OCR2的值从0到256变化时，LED灯从全亮到全灭。

3.2通信程序设计

系统通信程序包括路灯与路灯节点之间的通信及其路灯节点与监控中心之间的通信两部分。

1）路灯节点之间的通信实现。

路灯节点之间实现通信，一方面是为了了保证路灯在夜间没有行人或车辆通过时处于节电状态，即微亮状态，另一方面是当路灯节点检测到道路上有行人或车辆通过时，使该路灯转为全亮，并通知下一盏路灯转为全亮，以确保行人或车辆的出行安全。

路灯节点之间采用串口通信，通信参数配置为异步通信、8位数据、无奇偶校验、一个停止位及无倍速。

串口的发送程序采用查询方式，接收程序采用中断接收方式。

路灯节点控制器之间的发送程序为：

sysDRFarr[0]=0xfd;

//点对点数据传输指令

sysDRFarr[1]=1;

//数据长度

sysDRFarr[2]=sysAddress[（LEDNumber）*11+1];

//目标地址高

sysDRFarr[3]=sysAddress[（LEDNumber）*11+2];

//目标地址低

sysDRFarr[4]=0;

//数据

put_arr（sysDRFarr,5）;

//发送一串数据帧

接收处理程序为：

voidPointToPointRecive（void）

{

LEDPWM_Adjust（usartReceiveBuf[3]）;

//接收到的数据

sysDRFarrShortAddress[0]=usartReceiveBuf[4];

//来源地址高

sysDRFarrShortAddress[1]=usartReceiveBuf[5];

//来源地址低

usartReceive_Init;

//串口数据初始化

}

2）路灯节点与监控中心之间的通信。

路灯节点与监控中心之间的通信一方面可以通过上位机为路灯节点配置相关信息、发送控制指令，另一方面可以接收来自路灯节点的现场运行信息，实现系统在监控室进行路灯系统操控和故障查询、报警等功能。

采用PC机串口与网络协调器相连，实现读取路灯节点信息或控制路灯运行状态。

例如PC机要读取当前系统路灯信息，利用串口调试工具观察PC机向无线网络发送和接收数据，如图2所示。

发送指令格式为：

FB+02+14+路灯编号（本系统中路灯编号为01,02,03），表示读取编号为01、02、03的路灯节点当前信息；

路灯节点做出回应，通过无线网络返回路灯信息格式为：

环境光强+路灯光强+故障情况。

路灯节点1返回的信息表明当前所处环境光强度为E2（由强到弱范围：

FE~00）、路灯亮度FB（由灭到全亮范围：

FE~00）、无故障00（有故障为01）.

图2串口调试界面

3.3监控软件功能设计

系统监控中心程序包括：

显示监控程序、调试配置程序、系统参数配置程序及存储工作运行数据程序。

（1）显示监控程序。

显示监控程序包括路灯状态信息、街道状态信息、报警信息。

通过显示监控界面可以实现街道选择；

观察路灯当前光通量、功耗、工作时长及是否故障；

自动统计该街道的总用电量、亮灯率；

系统自动工作的时间段；

显示当前街道故障的路灯编号及该路灯在什么时间发生故障。

（2）调试配置程序。

调试配置程序包括串口配置、Zigbee读取及配置、路灯调试。

通过串口配置界面设置相应的串口配置参数；

通过Zigbee的配置程序可读取Zigbee模块的网络ID号、波特率、网络地址、MAC地址，可以方便的设置Zigbee模块的网络ID号、波特率；

通过路灯调试界面可以读取该街道路灯的环境光强、路灯光强、功耗、是否故障等信息。

可以对该路灯进行调光测试及设置该路灯开始工作时间。

（3）系统参数配置程序。

系统参数配置程序包括校正路灯节点时间、设置系统工作时间、配置街道地址。

在系统运行过程中，系统时间可能会与当前时间有差别，通过系统时间校正，可以使系统时间与PC机时间同步；

可以设置系统正常工作的开关机时间与街道地址。

（4）存储工作运行数据。

在系统运行的过程中，下位机发送的路灯信息及报警信息都会保存到数据库中。

同时街道及路灯的配置信息也保存在数据库中，并可方便用户导出及打印信息。

4系统功能测试

4.1系统测试

由于Zigbee网络能自组网，因此在构造试验系统时我们配置了最小系统：

1个网络协调器节点和3个路由器节点，系统采用主从方式，一般处于休眠状态，当有中断请求时激活节点进行工作。

路灯高度为0.7m,路灯间隔为0.8m,现场路灯系统如图3、图4所示。

图3路灯1微亮，2、3全亮

图4路灯1,2微亮，路灯3全亮。

图3为小车运行到路灯2位置的状态。

路灯2全亮，并通知路灯1转为微亮、前方路灯3转为全亮。

若1号节点热释电红外传感器检测不到信号并收到了前方路灯的信息，则状态转为微亮；

当小车向前运行进入3号节点热释电红外传感范围时，3号灯通知2号灯转为微量，如图4所示，对应的监控界面如图5所示。

监控界面中淡黄色路灯表示路灯微亮、深黄色路灯表示路灯全亮。

图5监控界面。

运行路灯控制系统软件时需要进行系统配置、通信配置、Zigbee配置等操作；

在运行中可对路灯节点进行调光、校正时间等操作。

如图6为系统工作时间设置，图7为路灯节点时间校正。

图6系统工作时间设置。

图7系统校正时间。

4.2系统功能

路灯控制方式可分为手动控制方式和自动控制方式，均可在监控中心操作或进行参数设置。

系统可实现以下功能：

1）可进行单灯远程监控，并可调节灯具亮度。

2）可根据环境光自动开关路灯，并可调整灯具亮度，保证使用需要。

3）根据道路是否有行人/车辆通过实现亮度渐变。

路灯夜间无行人/车辆通过，路灯微亮；

当检测到远方有行人/车辆接近时，路灯由微亮转为全亮，并通知前方路灯由微量转为全亮；

车辆/行人通过后，路灯又转为微亮。

4）具有路灯故障检测功能。

当有路灯损坏，可以进行声光报警，并指示故障路灯的具体位置。

5）具有数据统计和存储功能。

可提供路灯用电量、亮灯率和功耗等数据，并可查询历史记录。

6）系统具有休眠状态，降低系统功耗。

5结束语

智能化和网络化控制路灯是未来路灯控制的发展方向和必然趋势。

随着技术的进步和城市发展的需求，无线传感节点集成度会越来越高，价格会越来越低，路灯控制系统的功能会越来越多，路灯的自动化管理和无线通信技术的结合应用也必然会越来越广泛。

本系统采用Zigbee协议实现了路灯控制模拟系统的实时监控和网络化管理。

系统网络扩展灵活、现场易于安装，操作界面友好、管理方便。

本系统已用于自动化类专业的大学生实验实训教学，有助于学生了解无线通信、传感技术、单片机技术及其在城市路灯控制系统中的应用。