基于低功耗自组传感网智能路灯监控系统的设计实现

张锦涛，张翰宗，张文德

（西安电子科技大学微电子学院，710126）

0 引言

城市智能照明系统是智能交通系统重要组成部分。利用智能物联网技术能够有效提高如何节约能源，提高路灯能源的利用率并对路灯进行自动化、智能化的管理等急需解决的问题。

ZigBee 技术以其低功耗、通信可靠、网络容量大等特点为路灯自动控制领域提供了较合适的解决方案。而基于ZigBee 自组网的LED 智能照明控制系统是将ZigBee 在短距离无线传输的优势与LED 照明寿命长和节能的优势相结合。具有安全、智能、便于控制、方便维护等特点。

本文提出了一种基于物联网技术的交通照明控制系统。利用用ZigBee 技术与新型传感器、功率控制器及LED 路灯相结合，完成对城市路灯照明系统的集中监控。

1 系统设计方案

对路灯来说，其照明作用是最主要的，其它传感器是为了辅助路灯而设计的，用来实现更好的照明效果或减少不必要的资源浪费。因此，传感器的选择比较关键。本系统涉及的传感器有人体热释电红外传感器、tsl2561 亮度传感器。路灯节点主要由LED灯具、蓄电池、LED 稳压电路、故障检测电路、微控制器、ZigBee无线数传模块及其它外围传感器模块构成，系统的整体结构如下图1 所示。

本系统路灯的工作模式共三种：分别为白天模式、夜晚模式和午夜模式。在主控平台进行工作模式的选择，工作模式由外界环境来设定。

白天正常模式下，当环境亮度强到一定光强值时，不再需要路灯照明，此时路灯将处于关闭状态；特殊情况下，如阴雨或大雾天气时，只需在主控平台进行设置，使路灯打开，即可应对各种突发情形。

夜晚模式下，路灯会根据设定的光强值进行判断，当环境亮度小于所设定的光强时，路灯开启，并将路灯的状态通过无线数传模块发送到主控平台，在主控平台的界面上就可随时观测路灯状态。一旦此时路灯突然关闭，将会实现自检功能，将检修的信息发送到主控平台，主控平台通过对这些数据进行分析，可将有问题的路灯信息通过GSM 模块发送到路灯维修人员的手机上，以实现路灯的及时维护。

在午夜模式下，主控平台会根据电脑系统时间定时关闭路灯，以节约电能。主控平台的硬件结构如下图2 所示。

2 系统硬件设计

2.1 控制部分

2.1.1 主控制器单元

主控平台用LCD12864 液晶辅助显示路灯实时状态信息。中央处理器用Arduino MEGA2560 单片机处理路灯实时数据信息。MEGA2560 的处理器核心是ATmega2560，同时具有54 路数字输入/输出口（其中16 路可作为PWM 输出），还具有16 路模拟输入，4 路UART 接口，采用16MHz 的晶体振荡器，兼容Arduino UNO 设计的扩展板。片上资源可以满足单路灯节点照明的需求，并为后续在路灯上开发新应用提供了较大的选择空间。

2.1.2 故障监测

本系统是通过路灯外部传感器配合微控制器来控制路灯的状态，因此路灯故障的监测也更为复杂。要实现远程故障监测，需要可正常工作的无线模块，若不能监测到无线模块传回的数据，则问题可能出现在供电或模块损坏上。

计算公式为：checkDATA=0xFF -(type) -(DATA)

路灯出现故障时会向主控平台发送类似数据：

主控平台对收到的数据进行计算，将收到帧数据的后三个字节的值求和，并进行判断，若为0xFF，则该帧数据有效；反之，该帧数据无效。通过简单的计算和判断就可知道信息来源与信息数据以及信息的正确性。这样便可大大的提高数据的可靠性与稳定性。

2.1.3 故障报修

本系统采用华为公司的GTM900C 无线通信模块来反馈故障信息，这是一款两频段GSM/GPRS 无线模块，支持标准AT 命令及增强的AT 命令，可提供丰富的语音和数据业务等，支持Text 和PDU 格式的SMS（Short Message Service，短消息），可通过UART接口与单片机通信。

路灯管理人员通过液晶显示屏可知道当前路灯状态。若路灯出现故障，微控制器将分析反馈回来的信息，将有故障的路灯信息显示在液晶显示屏上，并向指定的手机号码发送短信，告知故障路灯信息。路灯维护人员通过短信即可知道路灯故障的原因，这将减少维修时间，提高维修效率。

2.2 无线通信(ZigBee)模块

本系统ZigBee 模块采用的是DIGI 公司生产的XBee S2 模块，该模块是一款超小型但功能完善的ZigBee 收发器，其接口简单，易于使用，具备防水、防雷和防冲击的性能，并且可以满足室外各路灯间的距离要求。是一款把ZigBee 协议内置进Flash里的ZigBee 模块，其内部已经包含了所有外围电路和完整协议栈，能够立即投入使用。PC 上有专门的配置工具X-CTU，采用串口和用户产品进行通讯，并可以对模块进行发射功率，信道等网络拓扑参数的配置，使用起来简单快捷。本项目中XBee 模块通过UART 接口直接与MEGA 2560 控制器的串口0 相应管脚交叉相连。XBee 模块的通信系统原理结构如下图3 所示：

2.3 传感器模块

路灯上采用热释电红外传感器来检测有无行人（行人检测原理如下图4 所示）。热释电红外传感器具有成本低、无需发射源、灵敏度高、可流动安装等特点。实际应用中，在传感器前加菲涅尔透镜可以提高接受的灵敏度，增加检测距离和范围。实验证明，热释电红外传感器不加菲涅尔透镜时检测距离为2m；而配上菲涅尔透镜后检测距离可达到7m 以上。

路灯上的亮度检测传感器采用TAOS 公司推出的第二代光强数字转换芯片TSL2561，其具有高速、低功耗、宽量程、可编程灵活配置等优点。并且具有直接的I2C 接口，将光照强度转换成数字信号输出。

3 系统软件设计

3.1 下位机软件结构

路灯节点的微控制器控制XBee 模块与主控平台保持实时信息交流（结构如图5 所示）。路灯开灯条件为亮度低于设定值且在路灯旁有人经过时，则会自行打开路灯。当路灯出现故障时，单片机便自行发送故障信息，及时告知路灯维护人员。

3.2 上位机软件结构

PC 机服务器采用QT 编写程序，采用QT 是因为其可移植性高和利于编写良好人机界面的特点。本软件结构（图6）以实时数据库为核心来实现功能，它要求能够实时地从协调器获取数据，进行运算、显示、故障报警等。该系统管理软件有如下一些主要功能：主界面是对路灯的实时观测，反馈路灯的状态、运行时间、环境光强、功耗等实时信息。

4 实验结果

制作了4个路灯节点模型，在小范围进行模拟实验，通过PC智能路灯管理软件远程操作可以完成三种模式的要求，并实时监测路灯信息，反馈给PC 软件。

5 结束语

文章介绍了基于MEGA 2560 微控制器的智能LED 路灯控制系统，利用XBee S2 自组网与GSM 移动通信相结合的通信网络来实现智能无线监测路灯的功能，并自己设计开发了路灯管理软件。通过本项目希望对以后新型路灯的设计能提供一个较好设计思路。

[1] 《基于Arduino Mega2560 单片机的简易智能割草机器人的设计》 刘南君，毛培宏

[2]《基于GSM 技术的LED 显示屏无线数据传输接口设计》左小峰，姜平，周根荣，肖红升

[3]《基于XBee 与GPRS/GSM 的智能抄表系统》肖振峰 袁荣湘

[4]《基于TSL2561 的无线光强传感器节点设计》 杨明慧