基于ZigBee的智慧路灯控制系统的研究

郑瑶，吴泽森

（广西机器视觉与智能控制重点实验室 梧州学院，广西梧州，543002 )

0 引言

路灯在城市生活中有着重要地位，既能为居民出行照明提供便利，也体现了城市现代化发展的程度[1]。就目前来看，我国城市路灯大多自动化水平不高，仍旧采用人工巡查的方法，这样的管理效率不仅低，在一定程度上耗费不少的人力和电力资源。所以，智慧路灯取代传统路灯是众望所趋，通过智能路灯管理控制系统来提高城市照明化水平，节约人力与电力成本，推进现代化经济建设和高新信息技术的快速健康发展[2]，实现城市的智慧化。因此，智慧路灯的研究与开发是城市化发展有力的途径之一，也是智慧城市从发展走向全面发展的重要体现，对城市的建设具有重要意义。

21世纪初期, 美国、英国、德国、荷兰、日本、韩国、新加坡等国均开展了智慧旅游城市的实践[3]。西方发达国家在路灯建造方面比较注重电能的节约，针对电能浪费的问题，提出并实践了许多方法。通过研究他们提出的路灯节能方法，不难发现主要有以下几种：一是改变控制方法。采用新技术对路灯进行改造，例如声控、定时、人体红外控制等实现对路灯智能的调控；二是采用节能设备，不断提高照明设备对电力的使用性能和使用效率，实现路灯节能；三是从根源入手，利用人民政府的威信和法律的权威对生产制造商进行约束，以提高照明设备的能源利用效率。每个国家的发展需求不同[4]，所以对智慧路灯的发展方向和模式也有不同的理解[5]。2015年开始，圣地亚哥在已有的路灯灯杆上外接多个设备和传感器[6]。这款路灯可以说是一个全能路灯，在发现空闲车位的时候会通知司机，还可以拍摄违规停放的车辆。在美国，由于美国的国情，持枪具备合法性，所以在枪击事件频发的地方，一个可以侦测枪声并定位的路灯，给警察迅速出警带来了便利。

为此本文主要考虑公路路灯的管理模式，目的是采用合理的路灯管理模式，达到减少能源消耗、高效管控、安全稳定的目的，从而实现城市照明的智能化。

1 设计原理

智慧路灯系统分为三个部分，即PC端、协调器和终端。PC端通过打开上位机软件获取协调器转发的数据，协调器与终端通过无线通信接收终端数据。终端的作用就是通过光敏传感器、人体红外传感器获取相应数据，可实现实时监测、自动调光和远程控制等功能。

远程控制采用的是指令下发的原理。指令是在上位机软件中生成，手动模式给了指令生成的环境，在这环境下采用数字信号发送的方式，通过协调器传递给终端，终端对此信号进行高低电平分析，用于触发继电器模块，实现指令的下发。

实时监测采用的是数据回传的原理。数据在终端通过光敏传感器和人体红外传感器检测，包括光敏触发数据、光照强度数据、灯光亮度数据和行人检测数据。这些数据被整理上传至协调器，然后按位的方式发送至上位机，软件系统对数据进行解析并显示出来，达到实时监测的目的。

自动调光是对光照强度数据的分析。当光敏触发路灯打开后，通过PWM电压调节电路，根据光照强度调节路灯的电压以改变路灯的亮度，实现自动调光。本文设计中3级灯光亮度，分别适应微暗天、暗天、微暗有人3种情况。微暗时采用1级亮度，暗天时采用2级亮度，微暗有人时采用3级亮度。

2 硬件控制电路设计

硬件控制系统的电路主要有以下几部分组成：灯具硬件、ZigBee协调器电路、终端控制电路、按键模块、液晶显示模块、电源模块组成，系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构图

（1）光敏感应模块电路模块

光敏感应模块是ZigBee终端外接的模块电路。因为光敏感应模块对光照感应灵敏，输出的形式为简单的数字型，工作电压与ZigBee终端工作电压一致，所以本设计利用光敏感应模块检测环境的光线亮度和灯光亮度，触发继电器模块和检测路灯的好坏。电路如图2所示。光敏电阻工作原理就是通过光照强度来改变自身的阻值大小，光照强，阻值就会减小，反之，光照弱，阻值就会增大。

图2 光敏感应模块电路设计图

LM393是一个双电压进行比较器，但在本电路系统设计中只用到其中的一路电压比较，即比较正向输入电压（U+）与反向输入电压（U-）的大小，从而确定输出的电平。当U+＞U-时，1号引脚输出高电平，U+＜U-时，1号引脚输出低电平。图中VR2是用来调节光敏电阻的灵敏度，VR2设定一个阀值后，与其连接的反向输入电压为参考电压，当光敏电阻感应到强光，阻值减小，由欧姆定律可知，正向输入电压会随之减小， DO端输出低电平，LED2亮，连接的继电器断开，路灯关闭；当光照减弱时，光敏阻值增大，正向输入工作电压增大，DO输出一个高电平，LED2灭，继电器接通，路灯打开。检测灯光的光敏电阻也是利用此原理来实现路灯故障检测。

（2）ZigBee终端控制器最小系统设计

ZigBee终端控制器的最小系统作为核心板，由复位电路、时钟和电源电路组成，工作电压为3.3V，当电路中晶振正常工作后即可组建ZigBee网络。ZigBee终端控制器的底板有多个外接I/O口，可根据设计需要进行配置与连接。

（3）人体感应模块

hc_sr501采用热释电元件，在接收到人体红外温度变化时，元件会向外释放电荷，电荷经BISS0001芯片处理后，从VO引脚输出一个周期性的信号，利用上升沿触发改变数据的输出。图中VR2电位器用于调节人体感应距离，可调节范围在3M～7M之间；VR3电位器用于调节感应延迟时间，调节范围在0.5s～300s。7133-1稳压管的作用是保证电路稳定输出一个3.3V电压。原理图见图3所示。

图3 人体感应原理图

3 软件设计

运用C#语言对上位机进行设计，实现上位机对灯光的控制与显示当前路灯状况，实现实时的检测与控制。ZigBee协调器与ZigBee终端控制器采用IAR程序开发软件进行设计。上位机与协调器建立串口进行通信，将指令传送给终端控制器。终端控制器对协调器下发的命令进行解析并执行；终端控制器对各类传感器采集的数据进行回传。设计框图如图4所示。

图4 系统软件总体流程图

根据设计模块，实现PC端对数据进行监控，必不可少要对上位机进行设计与开发。目前上位机的开发语言有许多种，VB最先使用的，后来C++进行了更深层次的开发，更高效的C#语言在微软公司发布。由于微软Visual Studio平台进行设计与编程会更加的便捷与高效。所以在本设计中上位机的开发采用的就是此类平台。设计C#上位机窗体应用程序，可根据开发环境工具栏中提供的控件，选择需要的控件进行界面的整体布局，并对控件的属性进行设计，设计的过程软件会在主程序部分自动生成相应的事件，根据功能需求在事件函数中进行程序的编写，从而赋予控件工作技能，使之实现设计需要。本设计中，插入了相应的图标，这些图标可根据数据的变化而变化。此外，串口和波特率也非常重要。设计流程如图5所示。

图5 上位机界面程序设计图

4 结论

通过该系统对路灯灯泡亮度进行测试。测试时要保证测试环境的明亮。表1为测试结果，光敏可从AO引脚进行亮度采集，利用采集到的亮度对路灯进行自动调光处理。现对光敏采集到亮度进行测试。在同一光源的照射下，照度计测光仪测出的数据作为参考值，再与光敏测出来的数据进行比较，求出误差值。

表1 亮度测试误差表

本次上位机显示测试在自动模式下进行。上位机可以显示路灯的光照强度、自然光的光照强度、路灯的状态、显示路灯是否正常和显示路灯下是否有人。本系统采用一个终端节点和一个协调器共同完成测试，连接实物图如图6所示，测试结果如图7所示。

图6 传感器连接实物图

组网成功后，数据开始上传，在未开始测试前，上位机如图7(A)所示，图(A)中确定了串口号，打开串口，显示自然光的光照强度数据和其它默认值；当图6中的人体感应模块检测到人时，显示系统状态信息如图7(B)所示,无人框变成“有人”；图6中左边的光敏是检测自然光照，当用手掩盖此光敏模拟天黑状态时，显示如图7(C)：灯泡图标变亮，图标上的光照强度减小，路灯正常，检测路灯的当前亮度能够显示相应数据；图6右边的光敏是检测路灯光照，用手捂住此光敏模拟路灯不亮，就会显示路灯故障，当前亮度无数据，如图7(D)所示。测试结果表明，上位机能够准确的显示下位机的实时状态与数据，符合测试标准。

图7 测试显示图

远程控制测试：将1号路灯放在20m远处，启动上位机手动模式，可对1号路灯进行开关控制，点击手动模式下的两个“小灯泡”，远程控制路灯的亮度。测试结果表明路灯开关有效，灯光亮度调节明显。自动调光测试。2号路灯为测试对象。启动上位机，选择自动模式。在自动模式下路灯可根据光敏上传的数据进行调光，有人经过时自动提高亮度。测试结果表明当光敏数据变小时，路灯灯光变暗；有人经过时路灯变得更加亮，说明自动调光功能实现。结合远程控制测试和自动调光测试，说明路灯的实时监测功能实现，并能根据监测数据进行合理的调控。整体测试结果表明，该智慧路灯系统能够满足功能要求，完成了整体的设计。