基于ZigBee的自适应智慧路灯系统的设计与实现①

陶奉春，陶 皖, 欧 坤

(1.芜湖职业技术学院,安徽 芜湖 241003；2.安徽工程大学,安徽 芜湖 241000)

0 引 言

随着我国城镇化水平的不断提高，作为城市公共基础设施重要组成部分的路灯数量不断增多，为提升路灯的管理水平，节约电力资源、及时有效地进行故障检测及维修，专家学者将传感器技术、ZigBee无线组网等物联网技术应用到路灯管理系统中，智慧路灯系统应运而生[1]。综合考虑路灯照明系统的经济性、节能性、维护效率和难度以及功能的丰富完善，基于ZigBee组网技术设计并实现了一种多功能的自适应的智慧路灯系统，系统不仅可以根据光度和行人情况自适应调节路灯的状态和亮度、故障路灯的位置，而且可以实时监测显示空气中的PM2.5值以及温湿度等环境因素并根据监测到的异常环境数据进行相应的报警提醒。

1 自适应智慧路灯系统架构

自适应智慧系统主要包括路灯终端控制节点，区域的协调器节点和PC端的路灯远程实时监测系统，路灯终端控制节点和协调器节点通过ZigBee自组织网络进行数据的传输。路灯终端控制节点具有的功能包括路灯状态控制、数据采集、数据显示；每个路灯控制节点采集的数据传送给协调器节点后，协调器节点对数据进行存储分析和处理以及终端节点故障报警；协调器节点通过串口连接到电脑端，可以实现路灯状态的远程实时监测。系统的架构如图1所示。

图1 系统架构图

2 自适应智慧路灯系统硬件设计

2.1 自适应智慧路灯系统硬件结构

综合考虑系统的成本、可靠稳定性等因素，本系统采用的ZigBee是德州仪器公司生产的CC2530芯片[2]。CC2530芯片连接相应的传感器作为路灯终端控制节点进行数据的采集和收发，通过ZigBee自组织网络与ZigBee协调器节点进行数据的传输通信，再通过串口通信将协调器节点的数据传到电脑端的远程实时监测系统显示。对应的系统硬件结构图如图2所示。

图2 系统硬件结构图

2.2 路灯终端控制节点硬件结构

路灯终端控制节点利用光照传感器采集的数据控制路灯的开关，根据热释电红外传感器采集的数据调节调光模块中PWM[3]的输出实现灯光的智能调节。同时终端节点可以利用PM2.5传感器和温湿度传感器进行环境数据的采集。终端控制节点的硬件结构如图3所示。

图3 终端控制节点硬件结构图

2.2.1 CC2530开发板

路灯终端节点采用的TI公司提供的CC2530开发板由核心板和底板组成，它完全兼容8051系列内核，具有传输可靠、组网方便、经济实用的特性[4]。并且拥有三种不同的内存访问总线，分别是SFR(特殊功能寄存器)，DATA(数据)以及CORE/XDATA(代码/外部数据)。

底板上带有USB转串口功能(PL-2303)，方便用户使用，同时自带了mini USB供电和PIN2电源座(5V)，可以为用户提供外接电源。此外，它拥有一个Debug接口，兼容TI标准仿真下载器，引出所有IO口，从而支持多种传感器即插即用，以及常用的串口引脚。同时配有相应的功能按键、LED指示灯和用于显示数据的LED显示屏。

2.2.2 光照传感器

光敏传感器需读取与其相连IO口电平值。，来判断当前环境是白天还是夜晚，同时还可以通过ADC读取AO口电压，来确认当前环境的光线强弱。所以在协议栈中除了配置好 IO口外，还要打开ADC的功能[5]，然后周期性检测、输出显示，上传给协调器节点即可。温度传感器的电路图如图4所示。

图4 光照传感器电路图

当光照传感器采集的数据低于设置的阈值时，将触发外接电路中的控制路灯开关的继电器模块来控制路灯。达到智能控制的效果。主要的电路接线表1如下。

表1 控灯电路连接表

继电器插在CC2530开发板的相应位置，使用P0_5口作为继电器的信号间接控制引脚，IO口经过三极管的放大接到继电器输入端 IN。P0_5口的高电平经过三极管后变成低电平，低电平经过IO口后变成高电平；继电器是低电平吸合，即IO口需要高电平，继电器吸合指示灯亮。

2.2.3 热释电红外传感器

热释电红外传感器采用HC-SR501传感器[6]，它能检测生物发射的红外线并输出相应的电信号。CC2530开发板中使用 P0_4 作为人体红外检测引脚，其电路图如图5所示。

红外传感器对路面上的行人的情况进行周期性检测，当有物体通过时传感器进行数据捕捉、计算并上传、判断后控制路灯亮度，达到智能调光的效果。主要电路连接如表2所示。

图5 热释电红外传感器电路图

引脚说明VCC接电源的正极(5V)P0_4接检测引脚(OUT)GND接电源负极P1_4外接控灯电路

2.2.4 温湿度传感器

采用的DHT11温湿度传感器是一款实时监测温度和湿度的数据的复合传感器。它采用专用的数字型采集和温湿度传感技术，确保产品具有极高的数据采集的可靠性与长期的稳定性[7]。路灯终端节点使用P0_7引脚作为控制信号的输出。温湿度传感器电路图6所示。

图6 DHT11温湿度传感器电路图

2.2.5 路灯故障检测电路设计

路灯终端节点的故障检测电路采用了万能表的原理，将定义引脚接到所要测的设备上，从终端节点显示屏上读取数据，并且上传到协调器节点上，协调器节点显示并通过串口电路输出上传到PC端的远程监测系统。电压表采集电压使用了协议栈的ADC采集功能。相关的接线如表3所示。

表3 故障检测接线图

3 适应智慧路灯系统软件设计与测试

3.1 系统软件设计

通过ZigBee自组织网络实现数据的传输，需要经过组网、发送、接收[8]三个步骤。其中组网的步骤是调用相关组网函数，协调器节点通过相应的通道检测到设备后，调用函数将检测到的路灯终端节点加入到网络，实现两个以上设备之间的数据交互。在实现自组织网络的建立和路灯终端节点设备的加入后，调用发送函数，将待发送数据进行打包发送到指定MAC地址，完成发送的步骤。接收部分的步骤就是调用相关的接收函数，分析接收到的数据包，并进行判断处理。

程序的工作流程图如图7所示。

图7 系统程序流程图

软件主程序的入口代码主要是对系统的硬件层、网络层、任务等的初始化。包括初始化硬件、初始化硬件驱动、初始化NV存储系统、初始化数据数据帧MAC、初始化操作系统、初始化板载，初始化LCD等操作。

函数SampleApp_Init()是用户应用任务初始化函数。初始化的内容包括osal分配的任务ID号，消息发送ID，设置消息发送数据的方式和目的地址寻址方式，此外还可以在此函数里定义设置引脚的工作方式。

PC端的路灯远程实时监测系统主要实现数据的接收、分析处理及显示，其功能模块图如图8所示。

图8 远程实时监测系统功能模块

3.2 系统测试

3.2.1 控制路灯开关测试

设计的智慧路灯系统的路灯终端节点根据光照传感器采集到的数据，控制统一路灯节点上控制外接路灯电路的继电器开关，实现路灯的开启和关闭。当光照值小于20时，光照采集模块的DO采集电平由1变为0，利用串口对继电器的P0_5引脚输入一个高电平，使其吸合，实现路灯的开启；反之，路灯关闭。

3.2.2 路灯自适应调光测试

智慧路灯系统的调光控制部分通过红外传感器检测有没有人通过，若有人通过或者靠近路灯，路灯终端节点采集数据后通过外接电路调节路灯的亮度为100%；在没有人通过的情况下，路灯的亮度调整为50%左右，从而有效地节约电力资源。路灯调光图如图9和图10所示。

图9 有人和无人经过时路灯亮度对比图

3.2.3 环境监测显示和报警测试

设计的智慧路灯系统在每个终端节点的都有相应的环境监测功能。其中包括PM2.5浓度值监测、温湿度值监测。采集到的数据上传到协调器同时在每个终端节点的路灯显示器上，显示。协调器节点会对接收到的数据进行处理判断，超过预设的阈值时，会进行相应的蜂鸣器报警。

图10 PC端路灯远程实时监测系统

3.2.4 路灯故障检测测试

使用杜邦线将定义的引脚和外接电路连接起来，实时检测电路的电压，由于电路中的设备比较复杂，所以对电路的各个状态进行一个电压值预测，再通过结合预测值进行阈值的设置，以便控制电路和反馈。将正常情况下的电路中的电压值作为阈值参考，在检测过程中比对该数值来判断电路是否正常工作。

3.2.5 PC端路灯远程实时监测系统测试

通过协调器节点将终端节点采集到数据根据串口协议通过串口发送给PC端的路灯远程实时监测系统进行显示监测。主要的显示内容包括检测电路电压的数值，温湿度，PM2.5数值。PC端路灯远程实时监测系统界面如图10所示。

4 结 语

设计的基于ZigBee的自适应智慧路灯系统，可以通过采集到的环境中光照度信息进行路灯状态的开启和关闭，根据路面行人的情况自适应调整路灯的亮度，从而有效地减少电力资源的浪费。可以对空气中的PM2.5值和温湿度等信息进行实时显示和报警预警。同时实时检测路灯中的电路故障并提醒。在PC端通过路灯远程实时监测系统查看检测电路电压的数值、温湿度，PM2.5数值等相关信息。设计方案在节约电力资源的同时，有效利用路灯资源，丰富了路灯的功能，同时提高了维修及时性，使得城市的路灯照明系统更加地智能，具有较高的应用价值。