基于ZigBee的道路智能照明控制系統(tǒng)設計

基于ZigBee的道路智能照明控制系統(tǒng)設計

圖1系統(tǒng)構造圖

2系統(tǒng)硬件設計

硬件局部主要包括：ZigBee模塊、傳感器模塊、GPRS模塊等。本設計中，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)檢測和采集環(huán)境光強信息。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，可以便利地實現(xiàn)自組網(wǎng)從而組建路燈傳感網(wǎng)絡。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)級的GPRS無線通信+GPS定位功能的模塊產(chǎn)品，利用SIM卡和運營商GPRS網(wǎng)絡供應無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信，通過對模塊遠程設置獵取GPS坐標信息，還可以通過串口和目標設備相連接做數(shù)據(jù)通信。該模塊內置協(xié)議棧，供應免費的云平臺和手機SDK，便利進展系統(tǒng)的設計。

2.1路燈終端節(jié)點設計

路燈終端節(jié)點是整個傳感網(wǎng)絡的末端，它們主要負責數(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關路燈和調整PWM[5]輸出從而調整路燈的亮度。每個節(jié)點由CC2530芯片、光敏電阻模塊和LED路燈（帶PWM驅動）組成。光敏電阻模塊通過推斷是否有光照推斷路燈是否正常運行，若發(fā)生故障，會發(fā)送故障信息給照明治理中心，LED通過CC2530調整PWM的占空比對亮度進展掌握。路燈終端節(jié)點硬件構造圖如圖2所示。

圖2終端節(jié)點硬件構造圖

2.2無線網(wǎng)關節(jié)點設計

無線網(wǎng)關節(jié)點是整個傳感網(wǎng)絡的中心點，每個無線網(wǎng)關節(jié)點負責一組無線傳感網(wǎng)絡，主要負責數(shù)據(jù)的交換。終端的路燈運行狀態(tài)信息通過終端發(fā)送給無線網(wǎng)關節(jié)點，無線網(wǎng)關節(jié)點發(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)送至無線網(wǎng)關節(jié)點，然后通過傳感網(wǎng)絡下發(fā)至各個路燈終端節(jié)點執(zhí)行指令調整路燈的工作狀態(tài)，每個區(qū)域的無線網(wǎng)關節(jié)點上連接著一個光照傳感器，用來采集外界環(huán)境的光照信息供照明治理中心分析進展路燈的掌握策略調整。每個無線網(wǎng)關節(jié)點由CC2530模塊、M260模塊和光照傳感器模塊組成，M260模塊和CC2530模塊通過串口相連接，實現(xiàn)ZigBee和GPRS之間協(xié)議的轉換，光照傳感器通過I2C通信協(xié)議進展驅動采集數(shù)據(jù)。無線網(wǎng)關節(jié)點硬件構造如圖3所示。

圖3無線網(wǎng)關節(jié)點硬件構造圖

3系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計包括數(shù)據(jù)通信幀的設計、無線傳感網(wǎng)絡軟件設計、照明治理中心軟件設計。要保證數(shù)據(jù)的精確收發(fā)必需有合理的數(shù)據(jù)幀，從而簡化治理中心和路燈終端節(jié)點的分析數(shù)據(jù)的過程;無線傳感網(wǎng)絡的組網(wǎng)方式、外設模塊的驅動等需要軟件編程實現(xiàn);照明治理中心需要設計合理的軟件界面，簡化操作流程，便利治理人員操作。

3.1通信數(shù)據(jù)幀設計

本文設計的照明掌握策略[6]，分別是依據(jù)車輛頂峰期分時間段掌握、單雙燈的間隔群組掌握和依據(jù)外界環(huán)境光照強度掌握。同時還有路燈故障報警信息和外界環(huán)境信息的顯示。為了進展有效的數(shù)據(jù)傳輸，設計了節(jié)點命令掌握幀、節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)幀便利軟件進展數(shù)據(jù)的分析。

1）節(jié)點命令掌握幀

照明治理中心使用掌握指令幀經(jīng)由無線網(wǎng)絡發(fā)送命令，掌握終端節(jié)點以實現(xiàn)燈的開關、亮度和群組掌握。節(jié)點命令掌握幀由4個字節(jié)組成，分別表示路燈的開關掌握指令、掌握策略指令、節(jié)點號信息、亮度指令。

2）節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)幀

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

3.2路燈終端節(jié)點程序設計

路燈終端節(jié)點負責監(jiān)測路燈運行狀態(tài)并通過傳感網(wǎng)絡發(fā)送給無線網(wǎng)關節(jié)點，當接收照明治理中心由無線網(wǎng)關節(jié)點下發(fā)的掌握命令數(shù)據(jù)時，依據(jù)解析出來的命令掌握燈的開關，輸出相應的PWM掌握路燈的亮度，詳細流程如圖4所示。

圖4路燈終端節(jié)點軟件流程圖

3.3無線網(wǎng)關節(jié)點程序設計

無線網(wǎng)關節(jié)點首先上電初始化，選擇適宜的信道，勝利建立網(wǎng)絡之后進入監(jiān)控狀態(tài)，治理終端節(jié)點的參加，同時傳感網(wǎng)絡的協(xié)調器連接光照強度傳感器對外界光照環(huán)境進展采集，采集完成后通過串口發(fā)送給GPRS模塊，GPRS再將數(shù)據(jù)上傳至效勞器，終端節(jié)點傳回的路燈狀態(tài)信息先由協(xié)調器接收，通過串口將數(shù)據(jù)轉發(fā)。當GPRS模塊接收到照明治理中心發(fā)來的掌握命令時，通過串口發(fā)送給協(xié)調器，協(xié)調器通過播送向網(wǎng)絡內的全部終端節(jié)點發(fā)送掌握指令進展掌握，軟件流程圖見圖5。

圖5無線網(wǎng)關節(jié)點軟件流程圖

3.4照明治理中心程序設計

照明治理中心軟件基于消息隊列遙測傳輸平臺（MessageQueuingTelemetryTransport，MQTT），此平臺是IBM開發(fā)的一個即時通信協(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，幾乎可以把全部聯(lián)網(wǎng)物品和外部連接起來，被用來作為傳感器和制動器的通信協(xié)議。照明治理中心軟件可以在IOS、Android、.NET、微信、Linux、網(wǎng)頁等平臺上設計實現(xiàn)。本設計中采納Google公司的AndroidStudio平臺編程設計了智能手機端的照明治理軟件，治理軟件對數(shù)據(jù)進展采集、分析并將采集數(shù)據(jù)實時顯示于交互界面。軟件構造見圖6。

圖6照明治理中心軟件構造圖

治理人員可以通過治理中心軟件界面查看路燈終端節(jié)點上傳的實時數(shù)據(jù)，依據(jù)對數(shù)據(jù)的分析可以手動或者自動對路燈的運行狀態(tài)進展設定。同時可以看到當前路燈的實際運行狀態(tài)，當路燈發(fā)生故障時，治理中心軟件會發(fā)出報警，同時照明治理中心調用高德地圖的接口依據(jù)得到的GPS信息在地圖中標出不同區(qū)域路燈的詳細位置，能夠在地圖上查看到報警路燈的定位信息，便利維護人員精確到達路燈損壞位置。

4系統(tǒng)測試與分析

智能照明掌握系統(tǒng)硬件實物圖如圖7所示。左端4組為智能照明終端節(jié)點，右端為無線網(wǎng)關節(jié)點。利用亮度可調整的LED模擬路燈，組建網(wǎng)絡后通過照明治理中心對比明進展掌握。試驗室中測試整個網(wǎng)絡通信正常，考慮到在實際應用中路燈之間的通信距離，在外界環(huán)境下將4個路燈終端節(jié)點間隔50m放置，經(jīng)測試整個網(wǎng)絡通信正常，間隔70m以上時，傳感網(wǎng)絡有時會消失數(shù)據(jù)無法正常傳輸?shù)臓顩r，存在丟包現(xiàn)象。在實際的應用中，可以參加功率放大芯片增大信號的放射功率，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)實物圖

5結論

本文系統(tǒng)將ZigBee網(wǎng)絡和GPRS網(wǎng)絡相連接，同時將效勞器與遠程照明治理中心相結合，構建了道路智能照明掌握系統(tǒng)。經(jīng)過試驗測試，該系統(tǒng)響應快速，報障精確，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互通便利了使用不同設備的治理人員進展監(jiān)管。在“互聯(lián)網(wǎng)+”的