模拟路灯控制系统的设计论文大学论文文档格式.docx

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1绪论

1.1课题的背景与意义

在如今社会如此现代的情况下，科技发展更可谓一日千里。

而能源问题在当今世界上是一个必须要解决的大问题，在有限的资源下，要考虑到如何节能和寻找其他资源代替显得尤其重要。

照明工程迅猛发展，其路灯数量的增大，而且功耗和性能大大提高，因而对路灯定时控制的要求较精确。

路灯开关灯控制方法多为“钟控”和“光控”。

“钟控”不适应天气突变与季节变化等自然情况从而会出现:

开灯早，关灯晚;

或者开灯晚，关灯早的现象。

前者会造成巨大的电能浪费，后者会损害城市形象、影响社会治安和交通安全，从而影响城市的投资环境。

路灯管理的经济效益，一是在半夜控制方面。

前半夜街道上车辆，行人较多，需要打开所有路灯。

后半夜，车辆和行人减少，若控制只亮一部分灯或适当调低电压降低亮度，节约电费相当可观。

路灯夜间可工作于自动检测交通状态而开关灯，降低了路灯疲劳程度，延长路灯使用寿命。

二是微机控制系统能够及时检查出故障原因和地点，避免盲目巡视，既减少了夜间出勤人员和车辆，又减少了工作人员的工作量，还可减少工作人员编制，减员增效。

针对传统路灯使用缺陷，采用智能控制型路灯的优势如下：

（1）可以节省一些电能和延长电灯寿命。

（2）具有高度的数据化，自动化和智能化。

（3）可以在很短时间内检查出错误并且做出措施减低故障率。

（4）有远程操作和远程监视的功能，可以减少工作人员工作量。

1.2国内外的发展现状

现今全世界各国都号召人民节约能源。

口本消耗世界能源的30%，照明占有很大的一块，而美国20%的照明耗能用于商业，约10%用于民用。

在口本约25%的照明能源用于商业，约16%用于民用。

二者耗能不同，彼此都在相互学习和借鉴。

近20年来，照明节能集中在使用紧凑型荧光灯（CFL）和荧光灯采用电子镇流器两个方面，二个国中用新技术替换老产品的过程有点不同:

2001年美国销售的镇流器中电子的占53%，而口本只有36%。

而二个国家在销售CFL灯占白炽灯的比例中，美国只占3%,口本占了15%。

二个国家的国家、省和地方都在立法，鼓励和普及活动这三方面做文章，旨在推动节能产品的广泛使用。

二个国家的民众、经济和能源情况均有所区别，所以在节能的措施上也有所差异容，口本的电费在发达国家中最高，。

电费的高低是决定能效因素的首要考虑陡所以推行节能研究最容易。

道路照明是公共事业建设的重要组成部分，是城市化发展中的重要基础设施，也是美化城市环境的重要景观，许多城市的道路照明都成为城市夜晚一道靓丽的风景线。

但随着建设节约型社会理念的不断深化，我们不得不正视道路照明中所存在的能耗过高、浪费过大等问题。

路灯控制市场上基本是采用手动的第一代路灯腔制模式以及采用时控、光控、时光控等第二代路灯控制模式。

作为新一代智能咯灯控制系统不仅能够实现路灯智能“体眠”与“唤醒”，并且自动控制开关灯讨间，使“人（车）到灯亮，人（车）走灯灭”，而且显著节省电费支出（节能90%），延长路灯和设备使用寿命，大大节省维护的人工费和材料费用。

对于路灯智能控制节能系的研究国内外都在积极的开展。

在国内许多大学、企业的研究机构都在积极进行路灯智能化及节能方面的研究。

有采用计算机做主控，单片机做支路控制的智能路灯控制系统，有采用电力线载波技术的，也有采用太阳能照明技术的，还有采用led光源的路灯控制系统。

其中聊城大学所做项目智能路灯控制系统就采用的是电力线载波技术。

九洲光电科技有限公司采用的就是led光源的路灯控制系统。

国外的也有许多如:

Philip、西门子特公司开发的路灯控制系统。

1.3本文研究主要的内容

本次设计说明书一共分为了6章，对本次课题进行了描述：

第1章描述了模拟路灯控制系统在国内外发展前景。

第2章描述了基于Zigbee技术的路灯的设计。

第3章描述了Zigbee技术的硬件设计方案。

第4章模拟路灯控制系统的硬件控制部分。

第5章模拟路灯控制系统的软件设计部分。

第6章基于该系统进行的仿真。

2基于ZigBee的路灯控制系统的设计

目前现有的城市路灯控制系统大多采用有线网络布局，不仅施工复杂，灵活性差，而且存在能源浪费的问题。

近年来随着ZigBee无线技术的发展和广泛应用，于是提出了将ZigBee技术应用于城市的路灯控制。

这种方法不但方便灵活，而且无需考虑布线问题，维护简单.并且通过与各种新型传感器、功率控制器的结合，可以远距离实现路灯智能控制，达到大量节约电力和能源的目的.本文应用ZigBee技术，设计了一种新的路灯无线控制系统。

2.1控制系统的总体框架

在分析设计要求，首先确定本次设计的控制系统的总体框架，它主要由部分组成：

检测车辆的微波模块、光强检测模块、PC监控系统、ZigBee路由节点、路灯直接控制电路。

其中安装在路灯上的现场设备包括ZigBee路由节点、检测车辆的微波模块、光强检测模块、路灯直接控制电路。

而系统与PC监控与路灯情况之间的通信也是通过igBee路由节点来进行无线通信的。

系统设计的整体框图如图1所示。

图1系统总体框图

微波模块用来检测车辆，由传感器发射微波信号，并根据收到的回波得到多

普勒频率信号，该信号经过外围电路处理后输入ZigBee路由节点的微控制器。

节

点根据自身的车辆检测模块得到的数据和相邻节点发送的无线数据共同进行决策

控制，通过一定的算法输出控制信号，该信号经光电隔离器控制继电器，从而控

制LED路灯的亮灭。

系统中各分布节点定时地将路灯的工作状态以无线数据包的

形式通过2.4GHz天线发射，以多跳接力的方式通过ZigBee网络汇总到中心节点，

中心节点将汇总的数据通过RS-232串口传送到上位机。

2.2ZigBee技术及其应用

ZigBee是最近提出的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适用于自动控制和远程控制领域，是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制而制定的。

2.2.1ZigBee技术概述

有别于GSM,GPRS等广域无线通信技术和IEEE802.11a,IEEE802.11b等无线局域网技术，ZigBee的有效通信距离在几米到几十米之间，属于个人区域网络的范畴。

IEEE802委员会制定了三种无线PAN技术:

适合多媒体应用的高速标准IEEE802.15.3;

基于蓝牙技术，适合话音和中等速率数据通信的IEEE802.15.1;

适合无线控制和自动化应用的较低速率的IEEE802.15.4也就ZigBee技术。

得益于较低的通信速率以及成熟的无线芯片技术，ZigBee设备的复杂度、功耗和成本等均较低，适于嵌入到各种电子设备中，服务于无线控制和低速率数据了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。

其主要特征如表1所示。

表1ZigBee技术的主要特征

特性

取值

数据速率

868MHZ:

20kbit/s；

915MHZ:

40kbit/s；

2.4GHZ:

250kbit/s

通信范围

10m～20m

通信延时

≥15ms

信道数

868/915MHZ:

11；

16

频道

868/915MHZ和2.4GHZ

寻址方式

64bitIEEE地址，8bit网路地址

信道接入

CSMA-CA和时隙化的CSMA-CA

温度

-40～85℃

2.2.2ZigBee技术的特点

ZigBee技术在低速率、低功耗领域有着重要的应用，主要有以下的特点：

（１）低速率：

ZigBee技术一直致力于低传输速率的应用，最大的传输速率为250kit/s。

（２）低功耗：

由于ZigBee的传输速率低、数据量小，发射功率仅为1MW，在非工作模式时处于休眠状态，功耗极低。

（３）低成本：

ZigBee协议栈相对于蓝牙、WiFi要简单得多，降低了对通信控制器的要求，并且ZigBee协议是免专利费的－因此可以大大地降低成本。

ZigBee模块的初始成本在６美元左右，估计很快就能降到1-2美元。

（４）网络容量大：

一个ZigBee协调器可容纳65535个设备，一个星型的ZigBee网络最多可以容纳255个从设备和一个主设备，而且组网方式灵活，可以组星型网、树状网及网状网。

（５）时延短：

通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。

（６）可靠：

ZigBee的MAC层采用CSMA／CA算法，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。

（７）安全：

ZigBee采用了三级安全模式，提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检验，支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。

（８）网络自组织、自愈能力强。

ZigBee网络无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定关系，使其加入网络；

ZigBee固络增加或者删除一个节点或者节点位置发生变动等，网络都能够自我修复，无需人工干预，保证系统能正常工作。

2.2.2ZigBee技术的应用

ZigBee技术应用非常广泛，主要能够应用在以下几个方面：

（１）工业控制和农业领域

随着人们对环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多。

ZigBee技术的出现为获取各种数据提供了便利。

比如，ZigBee技术可以用来监测海洋、大气和土壤的成分等。

ZigBee技术还可以用在危险化学成分的检测、火警的早期检测等。

这些应用不需要很高的数据传输速率和采样频率．而ZigBee模块是低功耗的，从而大大延长了电池的寿命，减少网络的维护成本。

（２）医疗护理

ZigBee技术在医疗、护理领域也可以大显身手。

借助于各种传感器和ZigBee网络，可以准确实时地监测病人的血压、体温和心跳速度等信息，从而减少医生查房的工作负担，帮助医生快速地做出反应，特别是对重病和病危患者的监护和治疗。

（３）数字家庭领域

ZigBee技术可以应用于家庭的照明、温度控制等。

ZigBee模块町以安装在灯泡、遥控器、玩具、门禁系统、空调系统和其它家电产品中。

例如在灯泡中装置ZigBee模块，当人们要开灯的时候，就不需要走到墙壁开关处．直接通过遥控器便可开灯。

（４）智能交通领域

如果沿着街道、高速公路及其他地方分布式地装有大量的ZigBee终端设备，你就不用担心迷路。

安装在汽车单的器件将告诉你，你当前所处的位置。

全球定位系统（GPS）也能提供类似服务，但是这种新的分布式系统能向你提供更精确、更具体的信息。

2.3本设计实现的功能

根据设计要求，本系统设计控制系统可以实现以下几个功能：

（1）检测车辆

电路中设计了车辆检测模块，在光强较弱时，当检测到或行人经过路灯覆盖区域时，路灯会自动打开。

而没有测到有人或行人经过时，路灯不亮，达到了节能的目的。

（2）光强检测

为了节约电能，在本次设计中，设计了光强检测功能，只有当光强下降到一定程度时，路灯才会被点亮。

（3）无线通信

在设计了运用了ZigBee技术，实现了无线通信技术，PC端可以根据路灯发出的无线信号来判断路灯的运行情况，这为后续的路灯的维修提供了极大的方便。

同时也解决了传统模式下有线连接路灯的弊端。

具有极好的研究意义。

3ZigBee技术开发的硬件平台

3.1无线通信芯片的选择

通过对Zigbee技术的了解我们得知，选择一款支持Zigbee通信协议的芯片是硬件电路设计中的重点。

选择和比较不同芯片的优缺点以便能够设计出低成本、低功耗并且可以根据实际需求进行适当升级的电路。

本文重点研究无线通信的组网，在目前使用的诸多无线芯片中，片上系统因为低功耗、低成本和多功能成为本设计的首选。

随着Zigbee技术的发展，无线单片机模块也在不断发展，功能更加丰富，种类也不断增加，各大公司纷纷开发相应的无线单片机模块。

目前，支持Zigbee通信协议的芯片有很多，其中在市场上获得良好效果的主要有以下几种：

（1）Freescale系列。

Freescale公司推出的MC13191芯片，应用成本相对低廉，其支持的通信协议为IEEE802.15.4，该公司向开发设计人员提供MAC软件，设计人员通过该软件即可组建相对简单的星形网络。

Freescale的后续产品在功能上不断加强，设计人员可根据实际需要选择不同的开发平台。

（2）Ember的EM250和EM260均支持Zigbee通信协议，也可根据实际需求组建星形网、树状网以及网状网。

除此之外，该系列芯片还有丰富的配套设施，保证整个系统的可靠性和稳定性。

（3）Atmel的AT86RF230射频芯片

该芯片的工作频率为2.4GHz且支持Zigbee协议栈，因其将射频收发器各模块都集成在一个芯片上，故拥有较高的稳定度、灵敏度和传输功率，可以有效减少网络中节点数量，降低成本。

（4）TI公司的CC2430

CC2430是首款真正意义上的片上系统，它完美结合Zigbee协议栈，是一款可以满足Zigbee低成本低功耗要求的解决方案。

CC2430内部集成了一个增强型8051控制器和RF射频收发器，三种不同大小的Flash内存（分别是32/64/128kb），8kb的RAM,以及ADC、DMA、看门狗定时器等,因其优异的性能广泛应用于各种传感器网络。

通过对目前几种主流无线通信芯片的比较分析，CC2430因其低功耗、低成本、低复杂度和网络容量大等优点成为本方案的首选硬件平台。

3.2CC2430芯片介绍

CC2430是TI（德州仪器）公司收购CHIPCON后推出的首款真正意义上的片上系统。

该芯片可以满足工作在2.4GHz的Zigbee通信协议，除了集成一个2.4GHz的RF射频收发器，还包括一个增强型8051单片机。

CC2430使用0.18μmCMOS制造工艺，工作时电流损耗只有27mA，在接收模式下，电流损耗低于27mA，在发射模式下，电流损耗则低于25mA。

CC2430芯片有一些主要特点与性能如下所示：

（1）功耗低、性能高的增强型8051微控制器。

（2）基于2.4GHz符合IEEE802.15.4协议的RF射频收发器。

（3）较强的抗干扰性能和优良的接收灵敏度。

（4）芯片在休眠模式时仅有0.9μA的电流损耗，使用外部中断或者RTC唤醒

系统。

在待机时，电流损耗更低于0.6uA，使用外部中断唤醒系统。

（5）硬件支持CSMA/CA功能。

（6）输入电压范围较宽（2.0-3.6V）。

（7）支持数字化的RSSI/LOI和DMA功能。

（8）能够监测电池和感测温度功能。

（9）芯片集成了14位的ADC数模转换模块。

（10）集成有AES安全协处理器。

（11）带有2个可支持多组协议的USART。

（12）带有4个定时器：

1个符合IEEE802.15.4标准的MAC计时器；

1个常规

的16位计时器以及2个8位计时器。

（13）提供21个I/O口，其中有两个I/O口具有20mA的驱动能力，其他接口

有4mA的驱动能力。

（14）具有灵活和功能全面的开发工具。

CC2430芯片采用7mm×

7mmQLP封装，共有48个引脚。

全部引脚可分为I/O端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚三类。

3.2.1I/O端口线引脚功能

CC2430一共有21个可编程的I/O口，其中P0、P1端口是8位的，P2端口只有5个引脚。

通过软件配置相关特殊功能寄存器，可使引脚作为通用输入输出引脚、片内外设使用引脚或外部中断使用引脚[11]。

I/O口关键特性如下：

（1）可设置为通用I/O口，也可设置为片内外设使用的I/O口。

（2）输入口的状态可以设置成上拉、下拉或者三态。

（3）所有I/O引脚都能够响应外部中断，中断用来将芯片从睡眠状态唤醒。

（4）1～6脚（P1_2～P1_7）：

对外设提供4mA的驱动能力。

（5）8，9脚（P1_0，P1_1）：

具有20mA的驱动能力。

（6）11～18脚（P0_0～P0_7）：

（7）43，44，45，46，48脚（P2_4，P2_3，P2_2，P2_1，P2_0）：

对外设提供

4mA驱动能力。

3.2.2CC2430芯片电源线引脚功能

表1CC2430芯片电源线引脚功能

引脚

功能

7脚（DVDD）

为I/O提供2.0～3.6V工作电压

20脚（AVDD_SOC）

为模拟电路模块提供2.0～3.6V的直流电压

23脚（AVDD_RREG）

24脚（RREG_OUT）

为25,27～31,35～40引脚端口提供1.8V的稳定电压