基于ZigBee的道路智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于ZigBee的道路智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1系統(tǒng)構(gòu)造圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件局部主要包括：ZigBee模塊、傳感器模塊、GPRS模塊等。本設(shè)計(jì)中，傳感器模塊有光敏電阻模塊和光照傳感器模塊[4]，分別用于路燈狀態(tài)檢測(cè)和采集環(huán)境光強(qiáng)信息。ZigBee模塊選用TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片，該芯片集成了Z?Stack協(xié)議棧，可以便利地實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)從而組建路燈傳感網(wǎng)絡(luò)。GPRS模塊采納易通星云公司的M260模塊，此模塊是易通星云公司的一款工業(yè)級(jí)的GPRS無(wú)線通信+GPS定位功能的模塊產(chǎn)品，利用SIM卡和運(yùn)營(yíng)商GPRS網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信，通過(guò)對(duì)模塊遠(yuǎn)程設(shè)置獵取GPS坐標(biāo)信息，還可以通過(guò)串口和目標(biāo)設(shè)備相連接做數(shù)據(jù)通信。該模塊內(nèi)置協(xié)議棧，供應(yīng)免費(fèi)的云平臺(tái)和手機(jī)SDK，便利進(jìn)展系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.1路燈終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

路燈終端節(jié)點(diǎn)是整個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)的末端，它們主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集并周期性地將數(shù)據(jù)上傳，依據(jù)照明治理中心的掌握命令開(kāi)關(guān)路燈和調(diào)整PWM[5]輸出從而調(diào)整路燈的亮度。每個(gè)節(jié)點(diǎn)由CC2530芯片、光敏電阻模塊和LED路燈（帶PWM驅(qū)動(dòng)）組成。光敏電阻模塊通過(guò)推斷是否有光照推斷路燈是否正常運(yùn)行，若發(fā)生故障，會(huì)發(fā)送故障信息給照明治理中心，LED通過(guò)CC2530調(diào)整PWM的占空比對(duì)亮度進(jìn)展掌握。路燈終端節(jié)點(diǎn)硬件構(gòu)造圖如圖2所示。

圖2終端節(jié)點(diǎn)硬件構(gòu)造圖

2.2無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是整個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)的中心點(diǎn)，每個(gè)無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)一組無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的交換。終端的路燈運(yùn)行狀態(tài)信息通過(guò)終端發(fā)送給無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送到效勞器，照明治理中心從效勞器獵取信息，由照明治理中下發(fā)的掌握指令經(jīng)由效勞器發(fā)送至無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，然后通過(guò)傳感網(wǎng)絡(luò)下發(fā)至各個(gè)路燈終端節(jié)點(diǎn)執(zhí)行指令調(diào)整路燈的工作狀態(tài)，每個(gè)區(qū)域的無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上連接著一個(gè)光照傳感器，用來(lái)采集外界環(huán)境的光照信息供照明治理中心分析進(jìn)展路燈的掌握策略調(diào)整。每個(gè)無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)由CC2530模塊、M260模塊和光照傳感器模塊組成，M260模塊和CC2530模塊通過(guò)串口相連接，實(shí)現(xiàn)ZigBee和GPRS之間協(xié)議的轉(zhuǎn)換，光照傳感器通過(guò)I2C通信協(xié)議進(jìn)展驅(qū)動(dòng)采集數(shù)據(jù)。無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件構(gòu)造如圖3所示。

圖3無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件構(gòu)造圖

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)通信幀的設(shè)計(jì)、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)、照明治理中心軟件設(shè)計(jì)。要保證數(shù)據(jù)的精確收發(fā)必需有合理的數(shù)據(jù)幀，從而簡(jiǎn)化治理中心和路燈終端節(jié)點(diǎn)的分析數(shù)據(jù)的過(guò)程;無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式、外設(shè)模塊的驅(qū)動(dòng)等需要軟件編程實(shí)現(xiàn);照明治理中心需要設(shè)計(jì)合理的軟件界面，簡(jiǎn)化操作流程，便利治理人員操作。

3.1通信數(shù)據(jù)幀設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的照明掌握策略[6]，分別是依據(jù)車(chē)輛頂峰期分時(shí)間段掌握、單雙燈的間隔群組掌握和依據(jù)外界環(huán)境光照強(qiáng)度掌握。同時(shí)還有路燈故障報(bào)警信息和外界環(huán)境信息的顯示。為了進(jìn)展有效的數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計(jì)了節(jié)點(diǎn)命令掌握幀、節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)幀便利軟件進(jìn)展數(shù)據(jù)的分析。

1）節(jié)點(diǎn)命令掌握幀

照明治理中心使用掌握指令幀經(jīng)由無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送命令，掌握終端節(jié)點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)燈的開(kāi)關(guān)、亮度和群組掌握。節(jié)點(diǎn)命令掌握幀由4個(gè)字節(jié)組成，分別表示路燈的開(kāi)關(guān)掌握指令、掌握策略指令、節(jié)點(diǎn)號(hào)信息、亮度指令。

2）節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)幀

上傳的數(shù)據(jù)中包含光照強(qiáng)度的信息和路燈故障信息，因此采納“#”符號(hào)連接兩種數(shù)據(jù)，治理中心接收到數(shù)據(jù)之后進(jìn)展字符串的拆解，將數(shù)據(jù)分類(lèi)出來(lái)分別進(jìn)展顯示和推斷處理。

3.2路燈終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

路燈終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)路燈運(yùn)行狀態(tài)并通過(guò)傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)接收照明治理中心由無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)下發(fā)的掌握命令數(shù)據(jù)時(shí)，依據(jù)解析出來(lái)的命令掌握燈的開(kāi)關(guān)，輸出相應(yīng)的PWM掌握路燈的亮度，詳細(xì)流程如圖4所示。

圖4路燈終端節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

3.3無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)首先上電初始化，選擇適宜的信道，勝利建立網(wǎng)絡(luò)之后進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)，治理終端節(jié)點(diǎn)的參加，同時(shí)傳感網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器連接光照強(qiáng)度傳感器對(duì)外界光照環(huán)境進(jìn)展采集，采集完成后通過(guò)串口發(fā)送給GPRS模塊，GPRS再將數(shù)據(jù)上傳至效勞器，終端節(jié)點(diǎn)傳回的路燈狀態(tài)信息先由協(xié)調(diào)器接收，通過(guò)串口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)GPRS模塊接收到照明治理中心發(fā)來(lái)的掌握命令時(shí)，通過(guò)串口發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過(guò)播送向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的全部終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送掌握指令進(jìn)展掌握，軟件流程圖見(jiàn)圖5。

圖5無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

3.4照明治理中心程序設(shè)計(jì)

照明治理中心軟件基于消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸平臺(tái)（MessageQueuingTelemetryTransport，MQTT），此平臺(tái)是IBM開(kāi)發(fā)的一個(gè)即時(shí)通信協(xié)議，是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成局部。該協(xié)議支持全部平臺(tái)，幾乎可以把全部聯(lián)網(wǎng)物品和外部連接起來(lái)，被用來(lái)作為傳感器和制動(dòng)器的通信協(xié)議。照明治理中心軟件可以在IOS、Android、.NET、微信、Linux、網(wǎng)頁(yè)等平臺(tái)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)中采納Google公司的AndroidStudio平臺(tái)編程設(shè)計(jì)了智能手機(jī)端的照明治理軟件，治理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)展采集、分析并將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示于交互界面。軟件構(gòu)造見(jiàn)圖6。

圖6照明治理中心軟件構(gòu)造圖

治理人員可以通過(guò)治理中心軟件界面查看路燈終端節(jié)點(diǎn)上傳的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，依據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)的分析可以手動(dòng)或者自動(dòng)對(duì)路燈的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)展設(shè)定。同時(shí)可以看到當(dāng)前路燈的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)路燈發(fā)生故障時(shí)，治理中心軟件會(huì)發(fā)出報(bào)警，同時(shí)照明治理中心調(diào)用高德地圖的接口依據(jù)得到的GPS信息在地圖中標(biāo)出不同區(qū)域路燈的詳細(xì)位置，能夠在地圖上查看到報(bào)警路燈的定位信息，便利維護(hù)人員精確到達(dá)路燈損壞位置。

4系統(tǒng)測(cè)試與分析

智能照明掌握系統(tǒng)硬件實(shí)物圖如圖7所示。左端4組為智能照明終端節(jié)點(diǎn)，右端為無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。利用亮度可調(diào)整的LED模擬路燈，組建網(wǎng)絡(luò)后通過(guò)照明治理中心對(duì)比明進(jìn)展掌握。試驗(yàn)室中測(cè)試整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信正常，考慮到在實(shí)際應(yīng)用中路燈之間的通信距離，在外界環(huán)境下將4個(gè)路燈終端節(jié)點(diǎn)間隔50m放置，經(jīng)測(cè)試整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信正常，間隔70m以上時(shí)，傳感網(wǎng)絡(luò)有時(shí)會(huì)消失數(shù)據(jù)無(wú)法正常傳輸?shù)臓顩r，存在丟包現(xiàn)象。在實(shí)際的應(yīng)用中，可以參加功率放大芯片增大信號(hào)的放射功率，從而削減丟包率，提高通信的牢靠性。

圖7智能照明掌握系統(tǒng)實(shí)物圖

5結(jié)論

本文系統(tǒng)將ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)相連接，同時(shí)將效勞器與遠(yuǎn)程照明治理中心相結(jié)合，構(gòu)建了道路智能照明掌握系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)響應(yīng)快速，報(bào)障精確，且通信性能牢靠，提高了道路照明的智能化。照明治理中心的多平臺(tái)互通便利了使用不同設(shè)備的治理人員進(jìn)展監(jiān)管。在“互聯(lián)網(wǎng)+”的