基于ZigBee网络的高速公路防雾霾路灯控制系统*

何子力，张丽娜，张放心，徐景宏，方 勇，刘 文

(中国科学技术大学 物理学院，安徽 合肥 230026)

0 引言

近几年的春秋冬季节，我国许多地区雾霾天气十分常见，由此引发许多交通事故，尤其对高速公路的正常运行影响极大。高速公路经常被迫在雾霾天气时全线封闭，影响民众出行、物流运输，由此造成经济上的重大损失。通过使用ZigBee技术采集雾霾浓度数据来控制路灯开关和亮度以提高雾霾天气中高速公路的能见度，保证高速公路在雾霾天气时的正常运行并减少交通事故的发生。

LED光源在能耗、寿命、发光效率、低电压驱动、可二次配光设计等方面优于传统路灯[1-2]，因此本系统采用LED光源作为路灯，通过雾霾检测传感器采集雾霾浓度数据传送到控制中心，并对路灯进行控制达到节能和对路灯的智能化管理。以往文献多专注于城市路灯照明系统的节能控制[3-7]，但是由于已有供电路线，很多时候采用PLC(电力载波通信)进行控制更加实用，在高速公路这类无市电连接的特殊情况下的研究较少。ZigBee作为一种低功耗、低速率、支持大量节点的无线通信技术在无线传感器组网方面已经得到广泛的研究和应用[8-13]，因此也正适合高速公路路灯场景的应用。本系统需要配备太阳能电池板和蓄电池作为供电电源使用。

1 系统总体方案设计

在高速公路上每隔20 m安装一个LED路灯，为了节能和降低供电成本，每个路灯配置无线传感器节点和供电控制系统，实现无市电情况下对路灯的组网进行智能化控制，给无线传感网的户外应用提供一定参考价值。防雾霾路灯控制系统采用“传感控制模块+ZigBee无线传输模块+客户端”的结构，其整体结构如图1所示。

图1 系统整体结构图

客户端作为系统的上层，通过GPRS网络与控制柜中的ZigBee协调器通信，通过上位机软件实现整个路灯系统的远程监控和组网管理；ZigBee网络由协调器和终端节点构成，各节点运行ZigBee协议栈实现组网管理；每个路灯模块对应一个ZigBee终端节点，路灯模块包含颗粒物浓度传感器、温湿度传感器、微控制单元、实时时钟芯片、太阳能电池、充电控制器、蓄电池、电源管理芯片、LED驱动模块、LED路灯等。传感器和电源管理芯片的状态信息传输到微控制器中，并和ZigBee终端节点通过TTL接口通信，微控制器根据传感器信息和实时时钟信息控制LED路灯的亮度，实现对路灯的远程监控管理。

2 系统的硬件设计

本系统中ZigBee无线网络采用星型网络组网。星型网络由一个协调器和多个终端节点组成，各终端节点除了有上传数据的功能外，还可以用广播的方式转发其他节点的数据包，使得远处节点也可以和协调器通信。ZigBee网络各节点均采用TI公司的CC2530芯片进行设计，CC2530是TI公司专门针对ZigBee应用设计的单芯片解决方案，经济且低功耗，结合Zstack协议栈可以有效进行程序设计和维护。

路灯模块核心是微控制单元(MCU)，MCU外围设备由实时时钟芯片、颗粒物浓度传感器、温湿度传感器、LED驱动模块、LED路灯、电源管理芯片、蓄电池、充电控制器、太阳能电池组成。其硬件结构如图2所示。

图2 路灯模块结构图

本系统采用STM32F103ZET6作为微控制单元(MCU)。该单片机是意法半导体公司生产的以ARM Cortex-M3为内核的32位单片机，具有2个I2C接口，3个USART接口，2个UART接口，多达4个16位通用定时器， 每个定时器有多达4个用于输入捕获、输出比较、产生PWM和脉冲计数的通道，2个16 位6通道高级控制定时器，多达6路PWM 输出，最大工作频率达72 MHz。MCU和ZigBee终端节点通过USART接口通信。实时时钟芯片采用DS1302芯片，给MCU提供实时时钟以控制白色灯珠的开关。

研究表明，空气中PM2.5浓度和相对湿度对能见度的影响最大[14]。检测PM2.5浓度的颗粒物浓度传感器采用攀藤科技有限公司的PMS5003数字式通用颗粒物浓度传感器，PMS5003是一款基于激光散射原理的数字式通用颗粒物浓度传感器，可连续采集并计算单位体积内空气中不同粒径的悬浮颗粒物个数，即颗粒物浓度分布，进而换算成为质量浓度，并以通用数字接口形式输出，本系统仅选用其中PM2.5的数据。湿度传感器采用DHT11数字温湿度传感器，DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，DHT11和MCU之间通过单总线串行接口通信。

LED驱动电路原理图LED驱动电路如图3所示，其基于凌力尔特公司的LT3755芯片进行设计，接收MCU输出的PWM信号实现LED路灯的PWM调光。LED路灯包含4颗白光灯珠用于平时夜间照明，8颗穿透性更强的黄光灯珠可在雾霾天气时使用，额定电压12 V，总功率12 W。

电源管理芯片采用LT2943芯片，该芯片为凌力尔特公司生产的多节电池电量测量芯片，可测量自身温度、电池充电状态、电池电压、电池电流。输入电压范围宽，高达20 V。一个精准的库仑计量器负责对流经检测电阻的电流进行积分运算。电池电压、电流和温度利用一个内部14位无延迟增量累加ADC来测量。测量结果被存储于可通过内置I2C/ SMBus 接口进行存取的内部寄存器中，芯片与MCU之间采用I2C接口通信。

考虑太阳能电池的发电效率和雾霾最长持续一周的情况，设计蓄电池容量为120 Ah，太阳能电池标称功率为40 W，充电控制器用于太阳能电池对蓄电池的充电管理。

3 系统的软件设计

本系统软件设计主要包含客户端应用程序、协调器应用层、终端节点应用层、路灯模块等部分的程序设计。客户端应用程序基于VS2015平台开发，由于其效率高、功能强大，适合Windows平台应用的快速开发，该应用程序实现了对路灯网络的实时监控。

图3 LED驱动电路原理图

3.1 协调器和终端节点软件设计

基于Z-stack协议栈进行协调器和终端节点的软件设计。其流程框图如图4、图5所示。

图4 协调器程序流程图

图5 终端节点程序流程图

协调器程序：系统上电后，组建网络等待终端节点连接。当收到终端节点发来的数据包后，判断簇标志，若正确，将数据包通过串口发送给GPRS模块，再次进入等待接收无线数据状态。

终端节点程序：系统上电后，进入轮询状态。当串口接收到MCU发来的数据包时，将数据包进行广播发送到空中并进入轮询状态；当收到空中的无线数据包时，判断其与上次的数据包是否重复，若是重复包，则进入轮询状态，否则广播发送该数据包，之后进入轮询状态。

3.2 路灯模块软件设计

路灯模块程序负责路灯的亮度调节和数据上传，其流程框图如图6所示。

路灯模块上电后，MCU读取PMS5003和DHT11传感器的数据，进行分析处理后输出PWM信号控制黄灯亮度，同时MCU从LT2943芯片中读取电池状态信息，将上述信息打包处理后发送给ZigBee终端节点。此外，MCU还依据DS1302芯片提供的时钟每天定时打开和关闭白灯。

3.3 串口通信协议的设计

本系统中终端节点通过串口上传数据，ZigBee网络转发数据包，协调器串口接收数据包并通过GPRS网络传到客户端，因此只需对MCU上传到ZigBee终端节点串口的数据包格式进行设计。串口传输协议格式如图7所示。

图7 串口传输协议格式图

起始字节占2 B，值固定为0x3553；终端标志位用于对终端进行编号管理，占2 B；之后为监测数据：PM2.5浓度、温度、湿度、电池电量、电流、电压、主板温度，均占2 B；最后为校验和，采用求和取余的方法求得，占2 B。

4 系统测试

为了验证本系统在实际应用中的性能和推广的可行性，按照文中所述搭建系统进行测试。

实验设施概况：采用1个协调器，4个终端节点，其中一个节点配有路灯模块，其余节点配有单片机模拟路灯输入串口数据，终端节点沿直线放置，彼此间隔20 m，协调器放在系统末端，户外环境下各节点之间没有明显障碍物。协调器连接GPRS模块，实验人员远程接收系统发送的数据并监测系统状况。上位机运行情况如图8所示。

图8 上位机运行图

经过一个月的连续测试，本系统保持稳定的运行，路灯随着环境参数的变化准确开关和调节亮度，电源模块可以稳定提供电力保障，实现了低成本的智能化路灯监控管理，该系统可以满足高速公路的装配需求。

5 结论

本文设计了一种应用于高速公路的防雾霾路灯控制系统，在电源管理、ZigBee组网、定制驱动电路等多方面实现创新应用，对户外多种复杂环境下无线传感网的搭建具有一定参考价值。该系统经测试可以在雾霾天气发生时准确实现路灯的亮度控制和远程监控，可以装配在有需求的高速公路中，可显著提升高速公路运营的安全性和经济效益。