基于无线传感网的智能路灯控制系统设计

曲 宇 宁

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

基于无线传感网的智能路灯控制系统设计

曲 宇 宁

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

针对目前城市道路照明系统智能化程度低、管理效率低等问题，设计了一种基于ZigBee无线传感网络的路灯智能控制系统.采用TI公司的CC2530为主控芯片，通过各种传感器采集环境信息及路灯运行参数，并对路灯进行智能控制.

智能路灯；无线传感网；ZigBee；单灯控制

0 引 言

随着城市现代化建设的不断发展，作为城市道路配套基础设施的路灯建设规模也越来越大，道路照明的耗电量也相当的大.传统的路灯控制系统多采用时控方式，存在着能源浪费大、控制方式简单、巡检维护成本高等问题.本文设计的无线智能路灯控制系统，每一个路灯设置ZigBee模块，可以实现自组网，实现对城市路灯的实时监控和智能化管理，在保障交通安全、方便人们生活的同时，实现能源节约，减少资源浪费.

1 无线通讯技术概述

无线通讯技术是近年来发展最迅速的科学技术之一，已经被广泛的应用于人们的日常生产生活之中.无线通讯技术拥有更高的灵活性，节省了布线投资.目前使用比较广泛的无线通讯技术有蓝牙、Wi-Fi、ZigBee等技术，表1为以上几种无线通讯技术的比较.

表1 几种无线通讯技术比较

蓝牙技术是由爱立信公司提出的一种低功耗、短距离无线通讯技术.蓝牙技术受限于其通信距离和网络容量，一般有效的通信距离在10米左右，一个蓝牙适配器最多和7个蓝牙设备进行通信，限制了其在无线传感网络中大规模应用[1].

Wi-Fi网络是以太网的一种无线扩展，具有构建快速灵活、传输速率快等特点，在空旷的室外其通信距离能达到300米，在室内也能达到近百米，但是，它的功耗高，节点容量也受限制.

ZigBee技术是以IEEE802.15.4标准为基础发展起来的一种新兴的无线通讯技术，具有低复杂度、低功耗、低成本、低数据速率、自组网的特点[2].一个ZigBee子网可以组建多达65535个无线节点，ZigBee节点之间可以进行相互通信，ZigBee网络节点间的通讯距离可以从标准的75米扩展到数百米，甚至数公里，非常适合应用在智能路灯控制系统中.

2 系统硬件设计

在智能路灯控制系统中，由终端节点负责对路灯运行状态以及道路环境相关信息进行采集并执行控制中心发出的指令.终端节点由ZigBee控制模块、电源模块、照度采集模块、电量采集模块、微波检测模块、温度采集模块以及路灯控制模块组成，根据实际道路情况选择全部或者部分模块组成智能路灯终端节点.ZigBee终端节点硬件结构见图1.

图1 终端节点硬件结构图

2.1 节点控制模块选择

目前市场上的ZigBee芯片提供商主要是TI、Freescale、Ember、Jennic等.TI公司的CC2530基于IEEE802.15.4标准协议，它的价格低廉，功能强大.CC2530集成了拥有优秀性能的RF收发器，增强型的8051CPU，可编程的闪存，8 KB的RAM以及许多其它强大的功能.芯片根据闪存大小的不同，具有32 KB、64 KB、128 KB和256 KB四个版本的闪存.CC2530不同运行模式之间的转换时间非常短，从而进一步的保证了其运行的超低功耗[3].本系统选用TI公司CC2530为主控芯片.

2.2 电源模块

电源模块功能是提供稳定的输出电压.本系统选用电压稳压芯片AMS1117，其输出电压有1.5 V、1.8 V、2.5 V、2.85 V、3.3 V、5 V.路灯供电线路的220 V交流电经AC/DC电源模块输出5 V直流电，再由AMS1117为ZigBee芯片提供3.3V电源并为其他模块提供高电平，其原理图如图2所示.

图2 电源模块原理图

2.3 照度采集模块

照度采集模块是将光信号转换为电信号的传感器，本系统采用光敏电阻和电压比较器LM393组成光照采集模块，其原理图如图3所示.光敏电阻的阻值与环境光照强度有关，光照强度大时，光敏电阻的阻值很小，随着光照的减小，光敏电阻的阻值逐渐增大[4].将光敏电阻上的分压值接到LM393的同相输入端，与反相输入端的基准电压值比较，当光照强度大时，光敏电阻的分压值小于基准电压，LM393输出低电平，光照强度小时，光敏电阻的分压值大于基准电压，LM393输出高电平.调整反相输入端的基准电压值，可以调节照度采集模块的灵敏度.

2.4 电量采集模块

电量采集模块主要监测路灯工作时的电压、电流及电能数据，本系统采用ADE7751实现电量采集.ADE7751是ADI公司采用低成本的CMOS工艺制造的高精度单相电能采集芯片，可对50 Hz或60 Hz单相交流电进行电量采集,其测量误差小，符合IEC61036国际标准.芯片可以连续监测相线和N线电流，其信号处理单元都是在数字电路中实现的，计量精度高，抗干扰能力强.

图3 照度采集模块原理图

2.5 微波检测模块

微波检测模块用于检测道路车辆和行人的通行数量，本系统中采用基于多普勒雷达原理设计HB100微波模块.建立于时间基础上的多普勒雷达理论，当无线电波在行进过程中碰到物体时该无线电波会被反射，并且反射波的频率与所碰到物体的运动状态有关.如果无线电波碰到的固定的物体，其反射波的频率和发射波的频率相等.如果物体朝着无线电波发射源运动，则反射波的频率会增大；反之反射回来的电波频率会减小[5].HB100是标准的10.525 GHz微波多普勒雷达探测器，具有探测距离远、抗干扰能力强、功耗小、适应于恶劣环境等优点.

2.6 温度采集模块

图4 PT100温度特性曲线

温度采集模块用于采集路灯供电线路接头处的温度，本系统采用PT100温度传感器.PT100是铂电阻温度传感器，其阻值与温度是正相关、非线性关系，在0 ℃时其阻值为100欧姆，温度特性曲线见图4.PT100温度传感器准确度高、稳定性强、检测温度范围广，被广泛应用于工业测温领域[6].

2.7 路灯控制模块

路灯控制模块通过对继电器的通断进行控制以达到控制路灯的开闭.CC2530作为路灯控制节点的主控单元，在接收到上位机传来的控制信号后，通过对端口输出高低电平控制外接继电器电路，进而打开或关闭路灯控制开关.

3 系统软件设计

基于无线传感网的智能路灯控制系统主程序流程如图5所示.系统上电后初始化硬件和网络，各个终端节点通过自组网的形式加入ZigBee网络，首先判断系统处于自动状态还是手动状态，如果处于手动控制状态，则执行手动控制命令，若处于自动状态则进行下一步检测系统工作是否正常，如果不正常则播放告警广播并显示告警信息，请求人工介入处理，如果系统正常则按设定程序进行路灯状态监测以及对路灯通断进行控制.

图5 控制系统主程序流程图

4 结 论

本文设计了基于ZigBee无线传感网络的路灯智能控制系统，可对每个路灯的电压、电流等运行参数、道路环境的光照强度、线路接头处的温度、车辆和行人通行量进行实时监测.系统通过路灯运行参数判断路灯是否故障，后半夜时依据道路环境照度及车辆行人通行量自动关闭部分路灯，达到节约电能及节省运行维护费用的目的.系统无需布线，可实现路灯的单灯和集中控制.

[1]王任,刘劲峰,于哲.蓝牙技术的应用[J].信息技术,2002,(7):47～48

[2]叶丽丽.智能家居控制管理服务的研究[D].天津:天津大学,2012:7～8

[3]陈克涛,张海辉,张永猛，等.基于CC2530的无线传感器网络网关节点的设计[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2014,42(5):183～188

[4]杨墨,刘廷丽.光敏电阻在火灾报警器中的应用[J].北华航天工业学院学报,2007,17(1):6～8

[5]刘鹏飞,赵陈,王嘉永,等.基于多传感器信息融合技术的智能视频监控系统研究[J].电子测试,2011,(4):38～40

[6]王春霞,李桂花.基于MAX1402高精度多路温度测量系统设计[J].安徽电子信息职业技术学院学报,2009,8(3):36～38

Design of Intelligent Street Light Control System Based on Wireless Sensor Network

QUYu-ning

(Hebei University of Architecture,Zhangjiakou Hebei,075000,China)

Aiming at the low degree of intelligence and low management efficiency of urban road lighting system,an intelligent control system of streetlight based on ZigBee wireless sensor network is designed.Using TI’s CC2530 as the master chip,environmental information and street lamp operating parameters is collected by a variety of sensors,the street lights were intelligent controled.

Intelligent street light;Wireless sensor network;ZigBee;Single lamp control

2016-12-20

河北省科技厅指导项目(15212116)；张家口市科学技术研究与发展计划财政资助项目(1611065B)；河北省高等学校科学研究计划指导项目(ZC2016090)

曲宇宁(1985-)，男，工程师，硕士，主要研究方向为智能控制、智能建筑节能技术.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.01.029

TP 18

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