远程无线路灯控制器的设计与开发

叶木进+王陈+朱德富+赵媛媛+姚有峰

摘 要：针对传统路灯控制系统在节能和控制方面存在的不足，文中设计了一种远程无线路灯控制器。该控制器基于ZigBee超低功率无线传输模块，综合利用多种传感器实现夜间人车自动检测，在人车较少或者无人车经过时自动调节路灯亮度，减少了不必要的资源浪费，实现了路灯工作状态自动检测的多传感器融合，通过核心处理器与ZigBee无线传输模块节点的通信，实现了远程无线监测与控制。

关键词：ZigBee；节能；传感器；路灯控制器

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）02-00-04

0 引 言

随着我国经济的迅速发展和城市化浪潮的推进，智能路灯照明系统受到了社会越来越多的关注和重视。尤其在当前能源紧缺的大环境下，节能已成为全社会共同关心的问题。中国住房城乡建设部更明确要求采用先进的技术来提高城市照明节能管理水平[1，2]。目前，我国大部分道路照明都采用“人控”或“时控”等单一控制方式[3，4]。人工控制容易受天气的影响，而定时控制容易因季节、天气等变化产生早开、晚开等误操作，给居民生活带来诸多不便。

为了解决现有路灯控制器在节能和检测方面存在的不足，本文设计了一种远程无线路灯控制器。该控制器利用红外探测、亮度检测等技术，根据有无行人通过来控制夜间路灯亮度，从而减少电力损耗，实现节能。系统中利用电流传感器实时监测路灯工作状态，实现路灯工作状态的自动检测，从而减少人工巡检的工作量。本路灯控制器在智能化、节能化方面有较好的效果。随着城市照明多样化的发展，这种智能节能路灯控制器将有更广阔的应用前景[5]。

1 控制器的系统组成

本系统主要由ZigBee无线收发模块、红外检测模块、光照强度检测模块和路灯工作状态监测模块组成。单灯控制器系统组成框图如图1所示。

系统核心处理器采用TI公司生产的CC2530芯片，光照亮度由数字光照强度传感器BH1750采集。当光照强度信息传入芯片后，通过与预设的阈值进行比较，判断是否需要开启路灯[6]，从而减少由“人控”“时控”产生的误开。该控制器利用红外传感器实现深夜无人或者行人较少时段人员和车辆的检测，在无人无车时降低路灯发光亮度，减少不必要的损耗。灯光亮度通过开关二极管的单向导电性实现灯光亮度的二级调节，节约能源。通过电流传感器实现路灯工作状况自检，并将检测结果反馈到控制中心，实现远程故障监测，减少人工巡检的工作量，达到节省电力、人力，方便居民生活的目的。

2 硬件设计

2.1 ZigBee模块

ZigBee是一种无线连接，可工作在全球流行的2.4 GHz频段上，具有最高250 kbit/s传输速率，通讯距离达几百米到几千米，并且支持无线功率扩展[7]的无线通信技术。ZigBee具有以下特点：

（1）低功耗：由于ZigBee的传输速率低，因此其发射功率仅为1mW，而且工作间隙采用休眠模式，进一步降低了功耗。通过实验测试，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年的工作时间。

（2）成本低：ZigBee模块的成本低，一块ZigBee模块售价约2.5美元，且ZigBee协议免专利费，大大降低了系统开发成本。

（3）网络容量大：一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络，而且区域组网灵活。

2.2 光照强度检测模块

在设计控制器系统时，最初利用室外的光照强度来自动控制路灯的开启与关闭。那么如何能够实时、准确地掌握室外光照强度的变化，成为自动控制的关键。毫无疑问，光照强度传感器是最好的选择，本系统采用GY-30光照强度检测模块，其核心由内部含有十六位模数转换并具有I2C通信功能的BH1750芯片构成。传感器中的感应元件根据热电效应原理，采用绕线电镀式多接点热电堆，其表面涂有高吸收率的黑色涂层，热接点在感应面上，而冷接点则位于机体内，冷热接点产生温差电势，在线性范围内，输出信号和太阳辐射照度成正比。当检测到环境中的光线低于或高于设定的阈值时，在SCL时钟作用下，通过SDA将数据传送给单片机，进行自动控制。从而实现了路灯由“人控”“时控”到“光控”的转变，避免了电力资源的浪费，节省了人力、物力，既方便，又符合节能环保理念。光照强度检测模块电路如图2所示。

此模塊主要用于检测室外光照强度，当采集到的照度值低于预设阈值时，自动开启路灯，从而避免了白天因恶劣天气导致室外光照强度较低而误开路灯的情况出现，实现了节能控制功能。

2.3 行人红外检测模块

为了完善控制器的自动控制功能，充分体现节能环保的设计理念，在已有“光控”的基础上，增加了行人红外检测模块。此模块主要用于当检测到深夜长时间无行人经过或者行人较少时，降低路灯的亮度，以实现节能的目的。行人红外检测模块主要依靠红外传感器进行检测。设计中采用热敏型传感器，其核心元件是热敏电阻，处理部分是数模混合的BISS0001芯片。其工作原理是：在热释电晶片表面罩上一块菲涅尔透镜，若有人进入透镜监视范围，则人体发出的约10 μm特定波长红外线就会被检测到，通过光学系统，使热敏电阻受到红外线辐射，此时温度升高，电阻发生变化，通过处理电路将其转换成电信号输出，驱动控制电路，以此完成侦测过程。行人红外检测电路如图3所示。

2.4 路灯工作状态监测模块

路灯在正常工作一段时间后，会不可避免地出现故障。为了不影响居民的正常生活，就需要经常安排人员巡检，以便发现、排除故障，不仅浪费人力、物力，而且不能及时了解故障信息。结合生活实际与路灯故障的主要原因，本文设计了路灯工作状态监测模块。由于导致路灯出现故障的原因一般为即短路或断路[8]，因此在设计路灯工作状态监测模块时，需对路灯工作电流进行检测。此模块采用基于霍尔感应原理设计的ACS712电流检测芯片，当电流流过铜箔时产生磁场，霍尔元件根据磁场感应出一个线性电压信号，然后经过内部放大、滤波等处理，输出一个电压信号，通过确定流经铜箔的电流大小判断路灯是否工作正常[9]。若被检测电流大于或小于预设阈值电流，则认为路灯处于非正常工作状态。此时路灯节点向控制中心发送故障信息，实现远程故障监测，节省了电力、人力。路灯工作状态监测电路如图4所示。endprint

2.5 控制模块及系统组成

该控制器的电路系统由CC2530主控芯片、GY-30光照强度检测模块、ACS712电流检测模块、HC-SR501红外探测模块、电力供电模块与整流二极管路灯亮度调节电路组成。控制模块及系统组成如图5所示。

光照强度检测模块GY-30内置模数转换电路，通过SDA引脚直接输出数字信号，控制器将采集到的光照强度数值与预设值进行比较，确定是否需要开启路灯，从而实现对路灯的自动开启与关闭。电流检测模块ACS712是为实现路灯工作状态的自动监测而设计，其内置的ACS712芯片是Allegro公司最新推出的一种线性电流传感器，该器件内置有精确的低偏置线性霍尔传感器电路，能输出与所检测到的交流或直流电流成相应比例的电压，具有低噪声、响应时间快等优点。路灯正常工作时，电流大小较为稳定，若电流为零或无穷大，则判定路灯出现故障，并将故障信息反馈到管制中心，实现路灯工作状态的自动检测。红外探测模块HC-SR501为被动红外检测方式，当检测到人体红外时，该模块的OUT引脚输出高电平。主控芯片通过对该引脚高低电平的检测来判断是否有行人经过。若深夜长时间检测到无行人或行人较少，则控制器启用路灯亮度调节电路，降低路灯亮度，节约能源。

电力供电模块将AC 220 V交流电压转换为DC 5 V直流电压给系统供电。路灯亮度控制或亮度调节电路由继电器、三极管、整流二极管组成。继电器与NPN型三极管组成共射电路，通过CC2530的P10与P11引脚控制三极管的基极电压，从而实现对继电器的控制。路灯正常亮度照明时继电器K1工作、K2断开；当深夜行人较少需要降低亮度时，继电器K1断开，K2工作。在继电器K2的回路中串联了D1整流二极管1N4007，考虑到正弦交流电在一个周期内有正半周与负半周之分，因此可利用开关二极管的单向导电性[10]使路灯在一个周期内工作的时间降为原来的1/2，从而降低路灯亮度，体现了自动控制与节能环保的设计理念。

3 软件设计

控制器最初的设计思路是在ZigBee无线数据传输模块的基础上，利用光照强度传感器与继电器来控制路灯的开启与关闭。但这种控制功能过于单一，满足不了现代社会发展与人们生活的需要，所以在此基础上增加了行人与车辆红外检测模块。当检测到深夜行人或车辆较少时，降低路灯照明亮度。由于路灯出现故障时需要及时、准确地掌握故障信息，所以要实时监测路灯的工作状态。为了减少因路灯故障给居民生活带来的影响，在现有基础上设计了路灯工作状态监测模块。根据控制器功能的需要编写系统软件及其流程，如图6所示。

系统首先进行初始化，然后开始检测光照强度。光照强度检测是控制系统的核心，控制着路灯的工作状况，在所有控制功能中其优先级最高。只有当光照强度低于预设阈值时，控制程序才会进入路灯工作状态检测。若路灯出现故障，则控制器会向控制中心发送路灯故障信息。若路灯工作状态正常，则进入红外功能检测：当检测到有行人或车辆时，发送指令提高路灯照明亮度；当长时间无行人或车辆时，则降低路灯发光亮度。

4 结 语

本文提出了一种基于ZigBee超低功率无线传输模块的远程无线路灯控制器。通过硬件与软件设计，综合利用多种传感器实现了夜间红外自动检测，并通过ZigBee无线传输功能实现了控制器节点与控制中心的通信，及远程无线控制与监测。通过在实验室搭建ZigBee无线传输系统对照明灯具进行控制，基本实现了所设计的功能。

參考文献

[1] 中华人民共和国建设部办公厅住房城市建设部.关于印发《“十一 五”城市绿色照明工程规划纲要》的通知[Z].建办城[2006]48号，2006.

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[10] 张培君.二极管的特殊应用[J].电子制作，2006（5）：52-53.endprint