無線控制技術和LED實現(xiàn)城市路燈照明系統(tǒng)的設計

【Word版本下載可任意編輯】無線控制技術和LED實現(xiàn)城市路燈照明系統(tǒng)的設計基于ZigBee技術和LED光源的路燈系統(tǒng)，是一種自動化成度高、高效節(jié)能的城市照明系統(tǒng)。LED光源是一種高效能、環(huán)保、安全、耐用的新型照***源，而無線控制技術其可以對于路燈照明系統(tǒng)開展科學高效的控制和資源整合，合理調整照明時間，不僅可以節(jié)省照明系統(tǒng)的用電量，而且可以延長照明燈具的使用壽命，減少日常維護的開支。

1、系統(tǒng)方案與設計

系統(tǒng)由三大部分構成：控制中心的監(jiān)控系統(tǒng)，負責實現(xiàn)終端控制節(jié)點和控制中心通信的路由節(jié)點，固定在路燈桿上的終端控制節(jié)點。無線路燈遠程控制系統(tǒng)構造如圖1.1所示。

圖1.1無線路燈遠程控制系統(tǒng)構造

控制中心的監(jiān)控系統(tǒng)由計算機與無線收發(fā)模塊構成，主要負責建立和管理路燈控制網絡，顯示路燈狀況信息和發(fā)送控制命令，協(xié)調整個路燈系統(tǒng)的運作。路燈終端節(jié)點包括LED電源驅動，為大功率LED提供電力，并能根據(jù)微控制器的控制信號控制LED的工作情況；光敏傳感器、溫度傳感器，直接將LED工作狀況傳輸給控制模塊；功率檢測模塊，檢測LED功率情況、供電故障并向上報警，無線模塊，負責傳輸數(shù)據(jù)。將本系統(tǒng)模型與無線傳感器網絡模型開展對應，不難發(fā)現(xiàn)，安置在路燈桿上的終端控制節(jié)點即為無線傳感器網絡中的終端節(jié)點（RFD），控制中心監(jiān)控系統(tǒng)就是協(xié)調器（COORD），實現(xiàn)COORD與RFD之間無線通信的為路由轉發(fā)節(jié)點（ROUTER）。遠程網絡使用ZigBee與GRPS混合組成的網絡。子網和中央控制中心使用GPRS網絡來傳輸數(shù)據(jù)。下面具體介紹終端節(jié)點硬件電路設計方案。

1.1LED節(jié)點驅動控制設計

LED節(jié)點驅動方案使用UCC28810EVM，它是一款恒流非隔離式電源，適用于街道、停車場或區(qū)域范圍照明等高亮度LED照明應用。該設計可將通用電源（90~265VRMS）轉換成0.9A恒流源，能夠驅動100WLED負載。UCC28810EVM電路如圖2.1所示。

圖2.1UCC28810EVM電路圖

此電路使用雙級設計，級是UCC28810的轉換模式電路，將AC電源轉換成36V的DC電源。第二級也采用UCC28811的轉換模式，將恒壓源轉換為0.9A恒流源。電路中使用的UCC28810和UCC28811芯片是通用照明電源控制器，具有PFC（功率因數(shù)校正）功能，確保設計方案滿足各種標準設定的諧波電流或功率因數(shù)要求。并且UCC28810/11控制器提供如電流峰值限制、復位定時器、過壓保護（OVP）和使能等特性，UCC28810/11控制器引腳如下表2.1所示。

表2.1UCC28810/11控制器引腳

基于無線控制技術和LED實現(xiàn)城市路燈照明系統(tǒng)的設計級在低負荷狀態(tài)運行下，升壓跟隨器可跟蹤AC輸入的峰值電壓，實現(xiàn)更高效率。第二級將PFC輸出電壓轉換為0.9A的固定電流，以驅動LED負載。第二級不僅可承受PWM調光輸入（從外部或從板級電路均可），而且還可相應開啟或關閉，從而實現(xiàn)LED電流的PWM調光。此方案的優(yōu)勢在于，使用了高效的專用驅動IC，電源轉化效率更高了，在低負荷線路（low-line）運行狀態(tài)下，升壓跟隨器可跟蹤AC輸入的峰值電壓，在輸入電壓±15％的變動時，仍能保持輸出電流變動穩(wěn)定在±10％內。

1.2狀態(tài)檢測與報警

狀態(tài)報警與檢測主要包括溫度感測和感光檢測兩部分內容。

1.2.1溫度感測

由于大功率白光LED照明和驅動器發(fā)熱量都很大，所以需要一個溫度感測傳感器，實時監(jiān)控路燈的溫度，并向控制中心反映，如果溫度超過警戒溫度，控制器進入報警模式，將自動關閉路燈，并向控制器發(fā)送報警命令。溫度傳感器使用DS18B20。DS18B20是DALLAS生產的一款數(shù)字溫度傳感器。其特點有：獨特的一線接口，只需要一個端口即可通信。電路無需外部元件，可用數(shù)據(jù)總線供電，也可外接VCC。工作電壓范圍廣，為3.0V～5.5V，無需備用電源。測量溫度范圍為-55°C～+125℃，在-10°C～+85°C范圍內為±0.5°C。DS18B20具有工作電路簡單、測溫高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點。DS18B20應用范圍包括恒溫控制，工業(yè)系統(tǒng)，消費電子產品溫度計，或任何熱敏感系統(tǒng)。

1.2.2感光檢測

系統(tǒng)終端節(jié)點使用光敏電阻傳感器測量周圍環(huán)境的光亮度，當傍晚時周圍環(huán)境還有余光時，將路燈開啟為單雙燈模式，當晚上天全黑了以后，將路燈全部打開，當凌晨4點左右出現(xiàn)晨光時將路燈調節(jié)成半功率工作模式。在陰天和沙塵暴天氣時，光敏傳感器堅持到道路能見度低，路燈也可自動打開，保證道路正常照明。本設計使用光敏三極管作為感光元件測量周圍環(huán)境的亮度，處理器實時將周圍環(huán)境的亮度通過無線模塊反應給控制中心，由控制中心決定是否打開路燈。電路圖如圖2.2所示。

圖2.2光敏三極管電路圖

1.3無線模塊設計

無線通信模塊使用CC2480/ZigBee模塊，在單個芯片上集成了ZigBee射頻前端、模擬數(shù)字轉換器、定時器，支持2.4GHzIEEE802.15.4協(xié)議。CC2480/無線性能出色，功耗很低。CC2480電路圖如圖2.3所示。

圖2.3CC2480/ZigBee模塊電路圖

在CC2480的內部整合了ZigBee射頻前端和內存，片內具有128KBFlash、8KBSRAM、2路12位的ADC、4個軟件計時器、復位電路、SPI和UART通信端口等硬件資源。CC2480采用CMOS工藝，工作電流僅為27mA。當系統(tǒng)處于空閑時，CC2480能自動進入休眠狀態(tài)，并能實現(xiàn)休眠與主動模式的超短時間轉換，電路晶振XTAL1選用32MHz，晶振XTAL2選用32.768kHz。32.768kHz的晶振用于睡眠模式給期間提供時序，這樣降低電流、可以減少功耗。這樣特別適合對功耗和電池壽命要求嚴格的應用場合。CC2480采用7mm×7mmQLP封裝，共有48個引腳。可分為I／O端口線引腳、電源線引腳和控制線引腳3類。CC2480模塊可以直接與上位機之間通過串口通信，本系統(tǒng)選用異步串口模式。

1.4微控制器電路設計

MSP430是一類具有16位總線的帶FLASH的單片機，由于其性價比和集成度高，受到廣闊技術開發(fā)人員的青睞。它采用16位的總線，外設和內存統(tǒng)一編址，尋址范圍可達64K，還可以外擴展存儲器。具有統(tǒng)一的中斷管理，微控制器具體連接電路圖如圖2.4所示。

圖2.4控制模塊MSP430電路圖

MSP430具有豐富的片上外圍模塊，片內有精細硬件乘法器、兩個16位定時器、一個14路的12位的模數(shù)轉換器、一個看門狗、6路P口、兩路USART通信端口、一個比較器、一個DCO內部振蕩器和兩個外部時鐘，支持8MHz的時鐘。因為是FLASH型，則可以在線對單片機開展調試和，且JTAG口直接和FET（FLASHEMULATIONTOOL）的相連，不須另外的仿真工具，方便實用，而且，可以在超低功耗模式下工作，對環(huán)境和人體的輻射小，測量結果為100mw左右的功耗（電流為14mA左右），可靠性能好，加強電干擾運行不受影響，適應工業(yè)級的運行環(huán)境。MSP430單片機的P3.4、P3.5端口設置成串口0（ΜSART0）的收發(fā)口與CC2480的異步串口相連，它們之間實現(xiàn)串口通信。單片機發(fā)送數(shù)據(jù)給CC2480，CC2480就可以無線發(fā)送出去，CC2480接收到無線數(shù)據(jù)也透明傳送給單片機。

2、軟件流程設計

在本系統(tǒng)中，ZigBee協(xié)議可以應用于所有的節(jié)點，因為ZigBee協(xié)議具有很多的實用函數(shù)，例如設備離開或者參加網絡，創(chuàng)立一個新的網絡，父節(jié)點和子結點的搜索，網絡信標幀的發(fā)送，數(shù)據(jù)包的發(fā)送和承受等等。系統(tǒng)工作的過程中，協(xié)調器主要開展無線傳感器網絡的創(chuàng)立和負責接收節(jié)點發(fā)送回來的路燈信息，依據(jù)路燈的狀況將控制信號發(fā)送給路燈節(jié)點。路由器節(jié)點處在監(jiān)控狀態(tài)，負責獲取其他節(jié)點發(fā)送來的信息并判斷是不是需要開展轉發(fā)，與此同時把自身路燈的信息傳送給協(xié)調器；承受協(xié)調器的控制信號來控制路燈的工作狀態(tài)。終端節(jié)點功能是簡單的，只需要負責隨時接收協(xié)調器發(fā)送的控制命令，并向上返回路燈當前的狀態(tài)。

系統(tǒng)投入運行時，首先對CC2480開展初始化，協(xié)調器運行初始化協(xié)議，同時打開中斷。此后軟件程序運行創(chuàng)立新網絡，一旦網絡能夠成功創(chuàng)立，就對相應的網絡協(xié)調器物理地址、當前建立網絡的ID號以及頻道號開展顯示。協(xié)調器軟件流程圖如圖3.1所示。對于路由器節(jié)點，首先對CC2480開展初始化，此后傳感器的電源接通，并且對協(xié)議棧開展初始化，同時發(fā)送信號以請求參加網絡，等待網絡協(xié)調器或前面的路由器節(jié)點開展響應，將網絡地址分配給自身。假設成功參加了網絡，通過串口擴展口能夠獲取網絡的網絡地址、路由節(jié)點自己的物理地址和接入網絡協(xié)調器或前面路由節(jié)點的物理地址等數(shù)據(jù)。路由器節(jié)點軟件流程圖如圖3.2所示。在終端節(jié)點上程序同樣首先對CC2480開展初始化，傳感器電源接通，此后初始化協(xié)議棧，與此同時發(fā)送信號請求參加網絡，并且等待前面的路由器節(jié)點開展響應，將網絡地址分配給自身。假設成功的參加了網絡，也能夠通過串口擴展口獲取所參加網絡的網絡地址、自己的物理地址和參加的路由節(jié)點的物理地址等所有數(shù)據(jù)信息。終端節(jié)點程序流程圖如圖3.3所示。

圖3.2路由器流程圖

設計圖3.3終端節(jié)點程序流程圖

3、路燈控制模式

根據(jù)不同上位機的不同控制命令，路燈節(jié)點有如下幾種不同的控制模式。

3.1單雙燈開啟模式

這個模式有兩種情況，編號是奇數(shù)的燈開啟或者編號是偶數(shù)的燈開啟。當路燈節(jié)點接收到單雙燈開啟命令以后，路燈會根據(jù)自身的ID編號，選擇開啟還是關閉。這種模式應用于傍晚能見度較高或者陰雨天或沙塵暴等惡劣天氣城市能見度不佳時。一般是單雙燈輪流開啟關閉，保證LED路燈工作時間大致相同以延長其壽命。

3.2全功率開啟模式

當路燈節(jié)點接收到全功率開啟模式以后，路燈開始工作，并會以全功率打開，亮度。這種模式一般在晚上人車流量大時和節(jié)假日開啟。

3.3半功率開啟模式

當路燈節(jié)點接收到全功率開啟模式以后，路燈開始工作，但不會以全功率模式工作，而是通過LED驅動模塊的PWM調光機制，將LED的功率控制在額定值的一半，這樣起到了節(jié)約電力的作用。

3.4隨機選擇關閉模式

這種模式也是為了節(jié)約電力和延長路燈壽命的方法。在人流不大的道路上發(fā)給路燈隨機關閉模式命令，路燈節(jié)點接收命令后，以一定概率（如20%）自行熄滅30分鐘，由于路燈是隨機熄滅的，不會影響到整體的照明