基于无线传感器网络的LED路灯远程控制系统

        基于ZigBee技术和LED光源的路灯系统，是一种自动化成度高、高效节能的城市照明系统。LED光源是一种高效能、环保、安全、耐用的新型照明光源，而无线控制技术其可以对于路灯照明系统进行科学高效的控制和资源整合，合理调整照明时间，不仅可以节省照明系统的用电量，而且可以延长照明灯具的使用寿命，减少日常维护的开支。
1. 系统方案与设计
系统由三大部分构成：控制中心的监控系统，负责实现终端控制节点和控制中心通信的路由节点，固定在路灯杆上的终端控制节点。无线路灯远程控制系统结构如图1.1所示。


图1.1  无线路灯远程控制系统结构


控制中心的监控系统由计算机与无线收发模块构成，主要负责建立和管理路灯控制网络，显示路灯状况信息和发送控制命令，协调整个路灯系统的运作。路灯终端节点包括LED电源驱动，为大功率LED提供电力，并能根据微控制器的控制信号控制LED的工作情况；光敏传感器、温度传感器，直接将LED工作状况传输给控制模块；功率检测模块，检测LED功率情况、供电故障并向上报警，无线模块，负责传输数据。将本系统模型与无线传感器网络模型进行对应，不难发现，安置在路灯杆上的终端控制节点即为无线传感器网络中的终端节点（RFD），控制中心监控系统就是协调器（COORD），实现COORD与RFD之间无线通信的为路由转发节点（ROUTER）。远程网络使用ZigBee与GRPS混合组成的网络。子网和中央控制中心使用GPRS网络来传输数据。下面具体介绍终端节点硬件电路设计方案。
1.1  LED节点驱动控制设计
LED节点驱动方案使用UCC28810EVM，它是一款恒流非隔离式电源，适用于街道、停车场或区域范围照明等高亮度LED照明应用。该设计可将通用电源（90~265VRMS）转换成0.9A恒流源，能够驱动100W LED负载。UCC28810EVM电路如图2.1所示。


图2.1  UCC28810EVM电路图


此电路使用双级设计，第一级是UCC28810的转换模式电路，将AC电源转换成36V的DC电源。第二级也采用UCC28811的转换模式，将恒压源转换为0.9A恒流源。电路中使用的UCC28810 和UCC28811芯片是通用照明电源控制器，具有PFC（功率因数校正）功能，确保设计方案满足各种标准设定的谐波电流或功率因数要求。并且UCC28810/11控制器提供如电流峰值限制、复位定时器、过压保护（OVP）和使能等特性，UCC28810/11控制器引脚如表2.1所示。
表2.1  UCC28810/11控制器引脚




第一级在低负荷状态运行下，升压跟随器可跟踪AC输入的峰值电压，实现更高效率。第二级将PFC输出电压转换为0.9A的固定电流，以驱动LED负载。第二级不仅可接受 PWM调光输入（从外部或从板级电路均可），而且还可相应开启或关闭，从而实现LED电流的PWM调光。此方案的优势在于，使用了高效的专用驱动IC，电源转化效率更高了，在低负荷线路（low-line）运行状态下，升压跟随器可跟踪AC输入的峰值电压，在输入电压±15％的变动时，仍能保持输出电流变动稳定在±10％内。  



        
1.2  状态检测与报警
状态报警与检测主要包括温度感测和感光检测两部分内容。
1.2.1  温度感测
由于大功率白光LED照明和驱动器发热量都很大，所以需要一个温度感测传感器，实时监控路灯的温度，并向控制中心反映，如果温度超过警戒温度，控制器进入报警模式，将自动关闭路灯，并向控制器发送报警命令。温度传感器使用DS18B20。DS18B20是DALLAS生产的一款数字温度传感器。其特点有：独特的一线接口，只需要一个端口即可通信。电路无需外部元件，可用数据总线供电，也可外接VCC。工作电压范围广，为3.0V～5.5V，无需备用电源。测量温度范围为-55°C～+125℃，在-10°C～+85°C范围内精度为±0.5°C。DS18B20具有工作电路简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点。DS18B20应用范围包括恒温控制，工业系统，消费电子产品温度计，或任何热敏感系统。
1.2.2  感光检测
系统终端节点使用光敏电阻传感器测量周围环境的光亮度，当傍晚时周围环境还有余光时，将路灯开启为单双灯模式，当晚上天全黑了以后，将路灯全部打开，当凌晨4点左右出现晨光时将路灯调节成半功率工作模式。在阴天和沙尘暴天气时，光敏传感器坚持到道路能见度低，路灯也可自动打开，保证道路正常照明。本设计使用光敏三极管作为感光元件测量周围环境的亮度，处理器实时将周围环境的亮度通过无线模块反馈给控制中心，由控制中心决定是否打开路灯。电路图如图2.2所示。



图2.2 光敏三极管电路图

  



        
1.3  无线模块设计 
无线通信模块使用CC2480/ZigBee模块，在单个芯片上集成了ZigBee射频前端、模拟数字转换器、定时器，支持2.4GHzIEEE802.15.4协议。CC2480/无线性能出色，功耗很低。CC2480电路图如图2.3所示。[page]


图2.3 CC2480/ZigBee模块电路图


在CC2480的内部整合了ZigBee射频前端和内存，片内具有128 KB Flash、8 KB SRAM、2路12位的ADC、4个软件计时器、复位电路、SPI和UART通信端口等硬件资源。CC2480采用CMOS工艺，工作电流仅为27 mA。当系统处于空闲时，CC2480能自动进入休眠状态，并能实现休眠与主动模式的超短时间转换，电路晶振XTAL1选用32MHz，晶振XTAL2选用32.768kHz。32.768kHz的晶振用于睡眠模式给期间提供时序，这样降低电流、可以减少功耗。这样特别适合对功耗和电池寿命要求严格的应用场合。CC2480采用7mm×7mm QLP封装，共有48个引脚。可分为I／O端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚3类。CC2480模块可以直接与上位机之间通过串口通信，本系统选用异步串口模式。  



        
1.4  微控制器电路设计
MSP430是一类具有16位总线的带FLASH的单片机，由于其性价比和集成度高，受到广大技术开发人员的青睐.它采用16位的总线，外设和内存统一编址，寻址范围可达64K，还可以外扩展存储器.具有统一的中断管理，微控制器具体连接电路图如图2.4所示。



图2.4  控制模块MSP430电路图


MSP430具有丰富的片上外围模块，片内有精密硬件乘法器、两个16位定时器、一个14路的12位的模数转换器、一个看门狗、6路P口、两路USART通信端口、一个比较器、一个DCO内部振荡器和两个外部时钟，支持8MHz的时钟。因为是FLASH型，则可以在线对单片机进行调试和下载，且JTAG口直接和FET（FLASH EMULATION TOOL）的相连，不须另外的仿真工具，方便实用，而且，可以在超低功耗模式下工作，对环境和人体的辐射小，测量结果为100mw左右的功耗（电流为14mA左右)，可靠性能好，加强电干扰运行不受影响，适应工业级的运行环境。MSP430单片机的P3.4、P3.5端口设置成串口0（ΜSART0）的收发口与CC2480的异步串口相连，它们之间实现串口通信。单片机发送数据给CC2480，CC2480就可以无线发送出去，CC2480接收到无线数据也透明传送给单片机。  



        
2  软件流程设计
在本系统中，ZigBee协议可以应用于所有的节点，因为ZigBee协议具有很多的实用函数，例如设备离开或者加入网络，创建一个新的网络，父节点和子结点的搜索，网络信标帧的发送，数据包的发送和接受等等。系统工作的过程中，协调器主要进行无线传感器网络的创建和负责接收节点发送回来的路灯信息，依据路灯的状况将控制信号发送给路灯节点。路由器节点处在监控状态，负责获取其他节点发送来的信息并判断是不是需要进行转发，与此同时把自身路灯的信息传送给协调器；接受协调器的控制信号来控制路灯的工作状态。终端节点功能是最简单的，只需要负责随时接收协调器发送的控制命令，并向上一级返回路灯当前的状态。
系统投入运行时，首先对CC2480进行初始化，协调器运行初始化协议，同时打开中断。此后软件程序运行创建新网络，一旦网络能够成功创建，就对相应的网络协调器物理地址、当前建立网络的ID号以及频道号进行显示。协调器软件流程图如图3.1所示。对于路由器节点，首先对CC2480进行初始化，此后传感器的电源接通，并且对协议栈进行初始化，同时发送信号以请求加入网络，等待网络协调器或前面的路由器节点进行响应，将网络地址分配给自身。假如成功加入了网络，通过串口扩展口能够获取网络的网络地址、路由节点自己的物理地址和接入网络协调器或前面路由节点的物理地址等数据。路由器节点软件流程图如图3.2所示。在终端节点上程序同样首先对CC2480进行初始化，传感器电源接通，此后初始化协议栈，与此同时发送信号请求加入网络，并且等待前面的路由器节点进行响应，将网络地址分配给自身。假如成功的加入了网络，也能够通过串口扩展口获取所加入网络的网络地址、自己的物理地址和加入的路由节点的物理地址等所有数据信息。终端节点程序流程图如图3.3所示。


图3.1  协调器程序流程图[page]



图3.2  路由器流程图



图3.3  终端节点程序流程图

  



        
3  路灯控制模式
根据不同上位机的不同控制命令，路灯节点有如下几种不同的控制模式。
3.1  单双灯开启模式
这个模式有两种情况，编号是奇数的灯开启或者编号是偶数的灯开启。当路灯节点接收到单双灯开启命令以后，路灯会根据自身的ID编号，选择开启还是关闭。这种模式应用于傍晚能见度较高或者阴雨天或沙尘暴等恶劣天气城市能见度不佳时。一般是单双灯轮流开启关闭，保证LED路灯工作时间大致相同以延长其寿命。
3.2  全功率开启模式
当路灯节点接收到全功率开启模式以后，路灯开始工作，并会以全功率打开，亮度最大。这种模式一般在晚上人车流量大时和节假日开启。
3.3  半功率开启模式
当路灯节点接收到全功率开启模式以后，路灯开始工作，但不会以全功率模式工作，而是通过LED驱动 模块的PWM调光机制，将LED的功率控制在额定值的一半，这样起到了节约电力的作用。
3.4  随机选择关闭模式
这种模式也是为了节约电力和延长路灯寿命的方法。在人流不大的道路上发给路灯随机关闭模式命令，路灯节点接收命令后，以一定概率（如20%）自行熄灭30分钟，由于路灯是随机熄灭的，不会影响到整体的照明情况。
3.5  功率异常报警模式
这种模式不是上位机发给的命令。当路灯节点检测到功率故障的时候（如LED二极管短路、功率过小或过大），路灯将自行切断照明电源，并向上位机报警
4  结束语
本文主要分析了ZigBee协议组网技术，设计了一种无线路灯远程控制系统，事实证明本系统该网络经一次性布置之后，可以在长期可靠运行。路灯节点的数量、位置可随时变更，使得调控路灯变得更加方便、科学。无线LED路灯远程控制系统为解决诸多问题提供一个良好平台。
参考文献
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