基于ZigBee组网的自适应道路照明系统

2022年5月21日11:56:40基于ZigBee组网的自适应道路照明系统已关闭评论
摘要

牛萍娟 罗德智 刘雷 郭云雷 李舒舒

关键词: ZigBee组网; 数据采集; 路灯控制; 智能化管理; 节能; 安全视距
中图分类号: TN926+.23?34; TP212 ? ? ? ? ? ? ? ?

牛萍娟 罗德智 刘雷 郭云雷 李舒舒



关键词: ZigBee组网; 数据采集; 路灯控制; 智能化管理; 节能; 安全视距
中图分类号: TN926+.23?34; TP212 ? ? ? ? ? ? ? ?文献标识码: A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章编号: 1004?373X(2019)04?0121?04
Self?adaption road lighting system based on ZigBee networking technology
NIU Pingjuan1, LUO Dezhi1, LIU Lei1, GUO Yunlei2, LI Shushu2
(1. School of Electrical Engineering & Automation, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China;
2. School of Electronics & Information Engineering, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)
Abstract: In order to solve the problem of lack of intelligent management of road lighting system, the intelligent networking technology of ZigBee is studied, and the networking technology is applied to the design of the road lighting management system. The efficient integrated networking of the related equipments for a whole street is carried out to construct an efficient adaptive road lighting system and improve the intelligentization level of road facilities. The system can detect conditions of vehicles and pedestrians on the street and adjust the status of street lamps automatically according to the environment brightness, and determine how many street lamps should be turned on according the speed of vehicles on the street to keep the safety lighting range in front of cars to be completely covered in the safe sight distance of drivers and achieve adaptive lighting of street lamps.
Keywords: ZigBee networking; data acquisition; street light control; intelligent management; energy saving; safe sight distance
道路照明系统作为城市公共基础设施的重要组成部分,在不断推进城镇化建设的过程中,道路照明系统安装的路灯数量持续增加,能源的消耗也越来越多。而且大部分系统仍然采用传统的人工控制或定时控制,出现了需要照明的地方灯却不亮,不需要照明的地方灯却很亮的情况,这样的设计规划操作不变、维修实时性差、控制线路成本高[1?2]、浪费能源。从以上道路照明系统发展现状来看,有必要设计出管理效率更高和节能效果更好的自适应道路照明系统,使其变得更加智能化和绿色节能。本文基于ZigBee智能组网技术设计了一套智能化程度高、节能效果显著、设备布置灵活[3]、维护方便的自适应道路照明系统。从道路照明系統的成本、智能化、应用前景等多方面衡量,采用ZigBee智能组网技术设计的道路照明管理系统,充分利用了ZigBee智能组网、自恢复技术建立无线网络和功耗低、复杂度低、时延短、网络总容量大等优势,使照明管理系统越来越智能化和节能。1 ?系统总体方案
1.1 ?ZigBee组网技术
ZigBee网络是一种自组织网络,网络内部是通过16位短地址或者64位IEEE地址通信,与其他网络不能直接通信[4]。ZigBee能够组建3种网络拓扑结构,其中网状网络拓扑结构拥有更为灵活的信息路由方式,在允许的情形下,路由器相互能够直接通信,通过路由节点的路由表来完成消息的网状路由功能。上述路由机制让信息的通信效率变得更高,且设备间可以对等通信;一旦某个路由路径在传输过程发生错误,信息就会自动地寻找别的路由路径进行传输。ZigBee执行的是基于AODV (Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing)专用网络的路由协议。该协议有助于网络处理连接失败和数据包丢失等问题。因此,该拓扑结构可以组成极为复杂的网络,将整个道路的有关设备进行高效集成组网;且其具有自组织、自修复能力,鲁棒性强,适合应用在工业控制和检测、分布范围广的环境[5]。基于此,本系统采用网状网络拓扑结构进行组网,如图1所示。
1.2 ?系统整体结构
照明系统结构如图2所示。其包含PC机、ZigBee无线通信模块、光照强度传感器、人体红外传感器和车辆探测器; ZigBee节点间使用无线网络连接,采用ZStack协议进行通信;PC机与ZigBee协调器使用RS 232串口进行通信,并在PC机上显示环境数据和路灯状态。由于ZigBee无线通信模块处理ZigBee协议的芯片内部集成了微控制器[6],故各终端节点均可直接作为控制器。终端节点连接传感器及路灯驱动功率开关,进行数据采集和路灯自适应控制。
本系统通过分析传感器采集到的信息,并依据程序预设的条件值,来控制路灯的自动开启或关闭;并且可以在不同光照强度下调节灯光的亮度,实现路灯的自适应控制与节能管理。以路灯作为主要控制对象,利用传感器技术、网络通信技术、自动控制技术、软件技术[7],以及ZigBee智能自组网和自恢复技术将道路有关设施进行高效集成组网,构建高效的自适应道路照明系统,提升道路设施的智能化、安全、便利、舒适度;并实现环保节能的综合道路网络管理系统控制平台。当路灯附近有车或人经过时,路灯能够自动开启并调节合适的亮度;并可以根据检测到的车速确定需要开启路灯的数量,保持汽车前方的路灯照明范围能够完全覆盖驾驶员的安全视距,满足驾驶员及行人的照明需求。当汽车和行人经过后路灯能够自动关闭相应路灯,减少不必要的能源消耗。2 ?ZigBee组网与硬件设计
2.1 ?ZigBee组网
ZigBee网络是由协调器建立的,构建过程包含网络的初始化和节点加入网络,其他节点申请加入网络需要通过协调器或已有父节点连接入网。当节点监测到附近有网络时,能够自动向最近的协调器或父路由申请加入网络。节点加入网络之后,将获取本身的网络地址信息,发送给协调器。入网申请时路由节点和终端节点都需要进行相应的配置。
协调器作为整个ZigBee网络的核心部分,主要的功能是组建网络、传输网络信标和管理整个网络的所有节点,以及将网络各节点的信息进行存储,而且还能够提供网络中有关联节点间的路由信息。将协调器放置在整个管理系统的中心与PC机连接通信,可以将整个道路照明系统的信息在PC机上显示,方便管理人员进行监控和管理。
路由器节点的主要作用是协助其他设备申请入网、进行数据跳转和协助子终端节点进行通信。根据实际设计需求可以在ZigBee网络中分配多个路由器连接足够数量的终端,满足照明系统的组网需求。在无线传感网络中,减少节点的传输能量、延迟全网的使用周期是关键问题之一,采用邻节点寻找目的节点的路由选择算法,能够减少从源节点到目的节点的传输跳数,节约传输能量[8],从而能够降低整个网络的能耗。终端模块主要是接收中央控制器通过ZigBee模块发来的命令,同时解析命令,并进行相应操作[9]。它是具体执行数据采集和控制路灯的设备,根据需求可以在终端节点连接传感器或路灯驱动功率开关,进行环境信息采集和路灯的自适应控制。终端在大部分时间都会被设置为低功耗休眠模式。
2.2 ?亮度采集模块电路设计
高度采集模块图如图3所示。亮度采集模块中R8,R16和R17为保护电阻,可以防止电流太大导致LM324的引脚烧坏。R1和R5,R2和R6,R3和R7分别为光敏电阻RL1,RL2,RL3的分压电阻;在不同的光照强度下GM1,GM2和GM3采集到光敏电阻的电压值不同。用户可以根据实际需求,通过调节电位器RP1,RP2和RP3的阻值改变它们的电压; LM324通过内部比较器将电位器电压与采集到的光敏电阻电压值做比较后,分别输出三路不同的高电平给控制器,从而控制器可以将系统的照明方式划分为:A为关灯;B为可调照明;C为全功率照明。当处于A模式时,照明系统会自动将所有路灯和传感器关闭(光照强度传感器除外,其是决定整个系统是否工作的触发条件,需要一直保持工作状态),起到节约能源的作用;当处于B模式时,照明系统会自动开启相应的路灯和传感器,并根据环境的光照强度调节路灯的亮度;当处于C模式时,照明系统会自动开启相应的路灯和传感器,并将路灯的亮度调节到最大值。3 ?系統软件设计与开发
3.1 ?ZigBee软件设计与开发
协议栈是协议的实现,是ZigBee程序开发和设计的主要部分。程序设计工程根据系统的实际应用,确定数据传输路径、存储和处理的方式,以及系统设备之间的通信顺序。当某个节点需要发送数据时,该节点程序就会调用数据发送函数,完成数据的无线传输。当某个节点需要接收数据时,该节点就会调用数据接收函数,实现数据无线接收。当设备不需要进行数据传输时,就会调用睡眠函数让设备处于休眠状态;当设备需要进行数据传输时就会调用相应函数。ZigBee无线通信的所有任务函数和路灯控制程序都在OSAL操作系统上运行, OSAL可以根据各个任务的事件触发条件来实现任务调度。
ZigBee无线通信模块启动后需要先进行程序初始化工作,具体有芯片程序初始化、协议栈程序初始化、串口程序初始化和硬件程序初始化等。其中芯片、协议栈和串口程序的初始化工作都能够调用协议栈程序中的初始化函数来实现,硬件程序初始化函数则需要根据实际应用电路的设计进行适当裁剪,使其符合实际的需求。协议栈程序执行的整个过程是由OS(Operating System)贯穿的,所有程序初始化工作结束后,就会通过osal_strar_system()函数进入到OS。在程序执行所有任务的过程中,该函数作为主循环函数,会执行检查全部任务事件的工作,并调用相应任务事件的处理函数来处理该任务事件。
3.2 ?数据采集软件设计与开发
由于整个管理系统对路灯的控制方式都是由环境的光照强度决定,所以需要光照强度传感器始终处于工作状态。当路口的人体红外传感器和车辆探测器检测到汽车或行人时,系统才会开启其他需要开启的传感器;平时则将它们设置为睡眠模式,降低整个网络的能耗。因此,各个路口的汽车探测器和人体红外传感器,也需要始终保持工作状态,因为这是其他路灯进入工作状态的触发条件,而其他传感器在没有被触发前保持睡眠模式。连接有传感器的终端节点申请加入网络成功后,协调器通过RS 232串口给PC机发送成功入网节点的IEEE地址,并更新其在PC机显示道路示图中的标识颜色。当想要获得道路某个区域的路灯状态时,只需要点击PC机显示道路标识上的相应节点。上位机程序会调用已存储相应节点的物理地址,经串口和ZigBee网络向该节点发送获取状态的指令,并等待接收节点传回的状态信息,协调器接收到传回的状态信息后,通过RS 232串口发送给PC机进行显示。
3.3 ?路灯控制软件设计与开发如图3所示,当系统处于A模式时,除光照强度始终保持工作状态外,控制器会关掉其他传感器,并关闭所有路灯,节约能耗。当系统处于B模式时,控制器会开启每个路口的车辆探测器和人体红外传感器,其他位置的同类传感器均设置为休眠状态。当相应路口的传感器检测到有车辆驶来或有行人时才会打开前方的传感器,并根据检测到的车速确定需要开启的路灯数量和环境光照强度调节它们的亮度;汽车移动过程前方的路灯会陆续开启,保持汽车前方的路灯照明范围能够完全覆盖驾驶员的安全视距。当汽车和行人通过后,如果后方传感器没有检测到有汽车或行人,则后方的路灯会自动关闭。控制策略为:当车速低于10 km/h时,开启汽车前方3盏路灯;当车速高于10 km/h且低于30 km/h时,开启汽车前方5盏路灯;当车速高于30 km/h时,开启汽车前方8盏路灯;当检测到只有行人时,开启行人附近3盏路灯;当同时检测到有汽车和行人时,执行有汽车时的控制策略。当系统处于C模式时,控制方式和B模式相同,但不进行PWM 调光,而是将路灯的功率调到最大[10],使路灯亮度达到最大。4 ?结 ?语
本文通过深入研究ZigBee智能组网技术,并将该技术应用到自适应道路照明系统的设计中,将整个道路的有关设备进行高效集成组网,构建高效的路灯智能化节能管理系统。根据实际需求研究了协调器、路由器和终端的合理布局,设计亮度采集模块电路;并开发了相关控制程序,使得该系统能够综合不同的光照强度、不同的车速、不同的交通流量和有无行人等情况,可以实时地自动调节路灯的状态,实现路灯的自适应照明;并通过实时监控的方式来实现智能化管理,使城市道路照明系统实现真正的现代化、科学化和智能化。
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