基于ZigBee技术的校园智能路灯控制系统

李卓元, 杨 柳

(西南交通大学 信息科学与技术学院， 四川 成都 614202)

随着科学技术和经济水平的飞速发展，各种设施智能化程度也在逐步提高，并逐渐被运用到人们的日常生活中。路灯照明系统作为校园数字化建设的一部分，其智能化程度对学校的硬件设施配置水平有着一定的影响。在传统路灯控制系统中，路灯只需保证每天定时开/关即可，无需考虑故障监控和远程遥控等功能[1-2]。在这种情况下，对路灯运行状态的获取，只能采用人工巡检方式，这必然导致路灯故障处理效率低，不能更好地满足实际应用的需求[3-4]。

目前，校园路灯的现行控制方式主要以分散控制为主，即在现场的控制箱内设置好开/关时间，通过现场设置来控制路灯的开关，这种方法既不能及时调整开/关灯的时间，更无法及时反映照明设施的运行情况。随着校园智慧建设的不断发展，路灯的分布范围越来越广，控制范围也随之越来越大，现行的控制方法已经无法及时反映照明设施的运行情况，特别是出现故障时，不能及时反馈信息，导致不能及时维护和维修，难以满足实时实地的实际需要。此外，也不利于节能与减排。

随着通信技术和智能控制技术快速发展和广泛应用，智能路灯监控系统是当前路灯监控和管理技术发展的主要方向。改善目前普遍采用的照明控制方式，实现智能化的监控和管理，本文拟设计一种校园智能路灯管理系统。该系统采用ZigBee技术、通用分组无线服务(general packet radio service，GPRS)技术、传感器技术、数字信号处理(digital signal processing, DSP)技术和单片机技术等，实现由路灯终端，监控终端以及监控中心组成的校园路灯控制系统[5-7]。

1 系统设计目标

智能控制是实现路灯节能的一种有效的方式，本文以实现校园路灯系统的远程监控为目的。该系统在功能上通过实时采集路灯的运行状态，包括电流、亮度、PM2.5和气候环境等信息，通过监控路灯终端，监控终端将信息时间传到监测部门和维护维修单位，解决校园中路灯的长时间无效果无作用照明，达到节能绿色环保的目的[8]。

依据上述要求，该校园智能路灯应达到以下主要设计目标。

(1)自动识别道路上行人、车辆，做到“人来灯亮人走灯息”，避免环境因素干扰造成路灯误动作。

(2)识别环境光线强度，根据环境光照强度控制路灯的亮灭，以实现对自然日照不足时的补充。

(3)每盏路灯通过网络进行连接，后台可实时监控每一盏灯的工作状态，并可通过用户界面对每一盏灯进行控制。

(4)终端检测功能，能够对终端实时监控以便于维护管理。

以上功能的实现，可根据硬件电路的各个传感器模块的操作方式与GPRS通讯协议，对ZigBee模块自组网的操作，并运用IAR软件进行编程实现对各个硬件模块的无线控制、数据传输、以及由ZigBee网络的实时显示信息[9-10]。

2 系统实现

2.1 总体设计

为实现上述目标，无线智能路灯控制系统包括自动检测电路、无线传输模块、PC监控模块、传感器模块和定位传输模块及电源模块等6个模块，系统总体设计方案如图1所示。

图1 系统总体设计方案

系统采用无线通讯技术，建立远程监控网络，对路灯的监测与控制可不受地域的限制。对路灯的远程监测功能，指路灯终端传感器采集路灯的状态，并将采集到的数据通过ZigBee无线网络传送给监控终端ZigBee模块，监控终端主控制器进行数据的整合，最终由监控终端的GPRS模块将数据通过GPRS网络和Internet网络传输至监控中心，在监控中心由VB设计的界面实现路灯状态的显示，或通过手机终端APP显示等，从而实现路灯远程监测功能。各模块的组成和功能如下。

(1)自动检测电路

自动检测电路中的传感器可直接固定在各路灯的支架臂上，设备故障的检测采用温度传感器对路灯节点进行温度检测，同时在路灯的配电电路中安装霍尔传感器，检测有无电流通过，根据温度及电流判断路灯的工作状态是否正常。

道路信息的检测拟采用TI公司生产的DSP2812控制光敏传感器、超声波传感器采集道路光照亮度、有无人及车辆通行等信息，并将信息通过ZigBee无线传输模块实时反馈到PC中，实现对道路信息的实时监测。

(2)无线传输模块

考虑到校园内的路灯数目不多，且整个系统自动控制的参量有限，所需传输的信息量相对较少，所以，采用以ZigBee/CC2430为核心的无线传输模块，利用其低速率、低功耗、高可靠性等特点，实现系统的节能需求，同时ZigBee工作在2.4G的全球通用免费频段上，可以节省开发成本。

(3)PC监控模块

PC机监控模块通过无线智能网络，采集路灯状态，例如环境光照强度、故障率、耗电量、天气情况和雾霾程度等，根据实际情况设定相应的阈值，使监控中心自动向路灯节点发送改变工作状态的控制命令。路灯节点根据这些命令，对路灯进行操作，实现系统的灵活控制及每盏路灯的精确控制。

(4)传感器模块

传感器模块的主要目的是对周边光线强度、温度、湿度等状况进行采集，收集环境变化信息。

温度传感器：通过对路灯电路的温度的检测，判断是否有异常升温，对系统工作状态进行评估，选用非接触式数字温度传感器DS18B20，其测温范围在-55℃ ～ +125℃之间，最高分辨率为0.062 5℃，且具有易操作、体积小、成本低等特点。

光敏传感器：用于检测路灯周围环境的光照强度。选用光电倍增管，是基于外光电效应的基本光电转换器件，具有体积小、灵敏度高、操作简单等特点。当环境光照的强度没有达到规定值时，电路发送开灯信号；环境光照的强度达到规定值时，电路发送关灯信号。

PM2.5传感器：选用高精度的SDS011 PM2.5传感器，满足精确高效率的检测需求，该传感器具有快速的场景变换响应。

超声波传感器：拟选用HC-SR501超声波传感器模块，用于检测接近路灯的人或车辆，该模块性能稳定，测度距离精确。

由以上4个传感器模块组成的环境监控硬件模块，可实时监控路灯的工作情况，并通过ZigBee/CC2430无线传输模块将数据发送到监控中心，由监控中心决定是否发送指令改变路灯的工作模式。

(5)GPRS网络传输模块

选用西门子公司的TC35，实现GPRS网络下远程数据的相互传输。例如，路灯出现故障时，DSP可通过串口将短消息服务(short messaging service, SMS)发送指令传输至TC35，然后由TC35发送故障警告短信至路灯管理员。

(6)电源模块

智能路灯系统中的220 V转5 V电源模块采用HQ05P10LRN实现。

2.2 功能实现

2.2.1 ZigBee模块

ZigBee模块采用星状网络拓扑结构的配置方式，即将一个ZigBee模块作协调器，其余多个ZigBee模块作为终端，如图2所示。

图2 协调器与终端组网

终端为传感器端，负责整合各类传感器所接收到的数据，并通过无线网络发送至协调器。协调器则将所有终端上所发送来的数据进行整合打包，并将数据包通过RS232串口传输至DSP模块。

2.2.2 DSP模块

DSP模块使用TI的TMS320F2812芯片，搭载于TOP2812开发板之上。开发板上的DB9串口，通过RS232转TTL转换器与ZigBee协调器相连。DSP模块通过DB9串口传输来的信息读取并进行处理，实现下述4个功能。

(1)对4个终端上的温度传感器、人体红外传感器、光敏传感器以及继电器信息的接收和发送。

(2)自动、半自动和手动模式的切换，其中自动、半自动流程如图3所示。

(3)对接收到的数据进行不同模式的处理。

(4)通过GPRS模块与远程终端进行信息传递。

图3 模式流程图

2.2.3 GPRS模块

GPRS模块使用西门子公司的TC35，一款双频900/1 800 MHz高度集成的GSM模块，主要使用其RS232接口实现，DSP进行命令交互行为。具体为，在ZigBee终端利用光敏传感器接收路灯的开关情况，并将数据传输至ZigBee协调器，协调器将数据打包，再发送给DSP进行处理。一旦发现灯的亮灭情况与实际情况不符，DSP立刻通过RS232串口将SMS发送指令传输至TC35，然后由TC35发送故障警告短信至路灯管理员进行处理。

2.3 界面设计

监控中心的软件设计主要包括PC机的人机交互界面与系统状态显示软件，页面设计采用VB编写相应的用户界面。

3 系统测试

为检测设计的校园智能路灯系统能否到达审计目标要求，需要通过实验调试来进行验证，主要包括以下4部分。

3.1 ZigBee模块测试仿真

将ZigBee组件连接好后进行组网和上电操作。先按下各ZigBee终端S1按键，上传终端节点数据。再打开串口调试助手，发送查询代码“3A 00 FF 01 C4 23”，窗口反馈所测得数据，结果如图4所示。

(a) 手动发送查询代码

(b) 自动定时发送查询代码

从图4中，获得4个节点16位进制数据，分别为“19 2D 00 00”，“1A 19 01 00”，“00 00 00 01”，“00 00 00 01”，分别代表温度、湿度、人体红外及灯亮灭等情况。串口助手观察的是监控终端协调器模块发出的数据，当观察到串口助手不断显示00 00 00 00，表示此时路灯亮度达不到设定阈值，路灯终端检测到路灯亮度故障信息，并以00 00 00 00的形式发送给监控终端。

3.2 DSP模块测试仿真

DSP模块测试仿真实际操作如图5所示。

图5 PC与DSP实际操作

PC与DSP之间连接为DB 9到USB的传输线。为了实现ZigBee组网数据的采集，首先，使用PC端的串口调试工具，实现PC与DSP数据的收发；其次，为了实现系统的自动信息采集，编写了串口可以自动发送和接收，且符合Zigbee通讯协议的程序指令3A 00 ff 01 C4 23；再次，在波特率38 400 bps的传输速率下，对信息进行自动收发，实现了PC端与DSP的自动信息交互。

3.3 GPRS模块测试仿真

GPRS模块测试仿真分采用单片机控制TC35来模拟DSP控制TC35。单片机开发板选用STC89C52，通过3根线连接单片机和TC35模块，其中TTL电平可直接连接，分别为TX、RX和GND，如图9所示。检测结果表明该模块将TC35通过串口接入PC。

图6 连接成功

通过拨打电话进行验证，如图7所示。图7从右到左的4个LED分别指示单片机，正在发送数据到TC35模块、模块收到单片机发送来的数据，卡已注册到基站，正在向程序中的号码拨打电话等。

图7 拨号测试

以上仿真验证，该模块可将检测到的路灯运行状态数据，依次向上级传送直至传送给监控中心，实现路灯的远程控制功能。

3.4 性能验证

采用4盏路灯作为测试对象，在不同光照条件、不同时间段及故障情况下对智能路灯系统进行了测试，结果如图8所示。测试实验显示，当校园光照强度不足且人群密度较大时，路灯全亮，控制界面如图(a)所示。22点后亮灯的数量逐步减少，直到天亮全熄灭，控制界面如图(b)所示。当有故障发生时，如图(c)所示，软件界面的状态显示为“关”。可以看出，该系统能实现预期监控和管理，达到设计要求。

(a) 人群密集情况

(b) 定时开关情况

(c) 故障发生情况

4 结语

将ZigBee技术以及GPRS，传感器，单片机和DSP等技术融合运用，设计并开发了智能化的校园路灯照明管理系统。该系统通过GPRS网络可实现路灯的远程操控，同时可发送报警等信息给路灯管理员，降低人工成本同时，提高了路灯维修的效率，减少能耗。所设计的基于ZigBee技术的校园智能路灯控制系统，可满足学校节约能源、绿色环保的理念，且系统界面友好，操作方便，具有可维护性和扩展性。