發布時間：2022-02-25所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：采用ZigBee技術，進行了 LED智能照明系統設計與開發。在 LED路燈上加裝傳感器模塊，檢測環境的照度、溫度的變化以及行人、車輛的活動狀況，并采用ZigBee模塊對 LED路燈進行組網和數據傳輸，進而完成了以對傳統 LED 路燈 系 統實現自動控制及節能降耗為目的的智
摘 要：采用ZigBee技術，進行了 LED智能照明系統設計與開發。在 LED路燈上加裝傳感器模塊，檢測環境的照度、溫度的變化以及行人、車輛的活動狀況，并采用ZigBee模塊對 LED路燈進行組網和數據傳輸，進而完成了以對傳統 LED 路燈 系 統實現自動控制及節能降耗為目的的智能化改造。在進行系統整體設計開發的同時，為解決實際系統中的傳感器誤報、漏 報，協調器負擔過重，數據擁堵以及節點掉網等關鍵問題，采用軟判決、節點綁定、點對點通信以及節點的掉網檢測及重新入網等方法，提高了系統的穩定性。通過該系統方案的設計開發及示范系統的搭建與驗證，實現了 LED 路燈的無線組網，依據環境照度變化自動控制系統的開啟與關閉，對 LED路燈的自動、手動控制的切換，依據行人及車輛的活動狀況進行相應 LED路燈的聯動調光，對 LED路燈狀態進行監控與管理等功能，并達到了節能降耗的目的。
關鍵詞：智能照明;LED;ZigBee;物聯網
1 引 言
智能照明是指利用計算機、無線通信數據傳輸、擴 頻電力載波通信技術、計算機智能化信息處理及節能型電器控制等技術組成的分布式無線遙測、遙控、遙訊控制系統，來實現對照明設備的智能化控制[1]。智能照明系統具有良好的節能效果，并且可以自動調光，使照明效果達到最佳，將傳統的開關控制轉變成智能控制，大大降低了人的參與。
智能照明從開始到現在經歷了以下3個 主 要 階 段。1)傳統照明控制方 式，如利用在回路中的開關元件來控制回路 的 中 斷，或者利用回路中的調節元件來改變電壓、電流等參數來調節燈光的亮暗;2)自動照明控制方式，這種控制方式是利用數字控制技術來控制照明回路 的 閉 合，達 到 控 制 照 明 的 目 的，這種方式較傳統控制具有一定的自動功能，但不具有調光功能;3)智 能 照 明控 制 方 式，這種控制方式是將計算機技術和網絡技術結 合 起 來[2]。
智能照明系統控制方式主要有總線型[3]、電力線載波型[4]、無線傳感網絡[5]等�？偩�型方案采用綜合布線的控制策略，布線繁瑣、施工困難;單一部模塊損壞可能影響系統的整體運轉，擴展移動性差[6]。電力線載波利用載波方式使數字或模擬信號在電力線中傳輸，該方式不需要重新組網，但電力線存在干擾脈沖，而且載波信號在電力線傳輸過程中會被減弱，傳輸距離會受限制[7]。無線傳感網絡(wirelesssensornetwork，WSN)是由 大 規 模、自 組 織、多跳、動態性的傳感器節點所構成的無線網絡[8]。其中 Zig-Bee技術憑借其 全 自 動 組 網、近 距 離、低 速 率、低 成 本、低功耗等獨特優勢[9]，在工業自動化、遠程控制等擁有大量終端節點的設備網絡中得到廣泛應用，并在其他相關領域也得到普及，例 如 智 能 建 筑、家 居 照 明、路燈等現代化領域。基于ZigBee的智能照明系統應用在國內外逐漸發展起來，但國內智能照明系統的研究還不夠完善，國內研究的智能照明控制系統可以對燈光進行簡單的控制和顯示，卻無法達到完全的智能化控制，并且在控制技術上也有待提高，燈光亮度調節技術也不夠成熟，而且存在無故障自檢功能、維修不便、靈活性低、可擴展性差等問題[10]。
綜合國內外智能照明發展情況，本文針對居民小區和室外廣場路燈現有狀況，設計了基于 ZigBee的 LED 智能照明系統。通過照度傳感器檢測照度值，以此控制系統的開啟與關閉，采用紅外傳感器檢測人、車活動，為照明燈具的智能調節 提 供 信 息。采 用 ZigBee模塊 對 LED 路燈 進行無線組網和數據傳輸，并采用軟判決、節點綁定、點對點通信以及節點掉網檢測和重新入網等方法，解決實際系統中傳感器的誤報、漏報、協調器負擔過重、數據擁堵及節點掉網等問題。實現了系統的聯動調光，達到了節能降耗的目的。
2 系統整體設計
智能照明系統結構如圖1所示。圖1 智能照明系統結構紅外傳感器、熱敏電阻、光敏電阻、溫度傳感器構成傳感器模塊，達到觸發條件時，會向主控芯片(MSP430)發送跳變沿信號，該 信 號 觸 發 MSP430單片機的外部中斷事件，并通過模擬I2C 協議查詢傳感器內的狀態信息，通過該信息的反饋進行相應的處理，其 中 STC 單片 機 是 傳 感器的控制接口芯片。M8是輔助處理單元，采用 Atmega8單片機作為 PWM(脈沖 寬 度 調 制)發生器和電量芯片控制，對 LED燈進行調控[11]，并實現電能統計功能，測量每個節點的耗電量。照明系統中，加裝了濕度傳感器，用于檢測燈罩內濕度大小，以防濕度過大，損壞整個系統。
3 傳感器模塊設計
3.1 傳感器模塊工作原理
紅外傳感器選用室外空間三鑒探測器[12]，通過3組傳感器輸出信號的組合來判斷檢測區內是否有人或車輛活動，3組傳感器邏輯關系如圖2所示。
從圖2中可以看出，3組紅外傳感器之間的關系是上兩個的輸出進行與，產生上輸出，下兩個的輸出進行與，產生下輸出，二級判別電路為硬件判決，通過跳線將上下輸出信號進行與/或，得到最后的輸出。傳感器之 間 的 與 操作可以防止誤報，或操作可以防止漏報。
3.2 傳感器模塊設計
盡管圖2中的三鑒傳感器已經具備較高的靈敏度和較低的誤報與漏報率，但在智能照明系統中使用，因接口信號不能直接識別、無法實現復用。紅外傳感器的靈敏度會隨著檢測距離的增加而逐漸減弱，當距離較大時，人和快速移動的車輛會漏報。在北方地區，四季分明，環境溫度也會影響紅外傳感器的檢測精度。夏季，由于熱氣流的運動，會增加傳感器的誤報率;冬季，室外環境溫度低，人體衣著厚，輻射的紅外線較少，會導致傳感器漏報率高。所以，根據智能照明的需求以及現實環境的影響，需對傳感器進行重新設計。改裝后三鑒傳感器結構如圖3所示。
在已有傳感 器 內 部 增 加 低 成 本 的 51 系列 微 控 制 器(單片機)，用51單片機代替二級判別電路，由原有的硬件判別改為軟件判別，并加入熱敏電阻，檢測環境溫度，用環境溫度輔助軟件判別算法，提高檢測精度。軟件判別算法根據環境溫度值動態調整判別邏輯，根據實際測量數據，設定具體溫度閥值，高于溫度閥值時使用與邏輯，降低誤報率，低于溫度閥值時使用或邏輯，提高傳感器靈敏度，減少漏報率。
同時，將光敏電阻控制電路改為照度檢測電路，用 來檢測環境光照強度，并將檢測的光照強度通過無線傳感器網絡上傳至協調器。協調器在接收到各傳感器節點上傳的光照強度數據后，采用相關算法，在剔除異常數據后(防止個別照度檢測傳感器故障)，對環境照度進行綜合檢測評估，并以此為依據進行系統的自動開啟和關閉。
51單片機通過I2C接口與路燈主控芯片通信，實現多個傳感器線路的復用�？紤]到工作電壓，外設模塊，成本等方面，最終選定STC12LE2052AD作為傳感器的控制接口芯片。STC12LE2052AD 單片機工作電壓范圍 2.4～3.8V，與主控(MSP430F5437)工作電壓(3.3V)兼容，與傳感器設計相關的片上資源包括：ADC(模數轉換)，用于光敏電阻和熱敏電阻輸出電壓采樣;EEPROM，用于存儲配置參數;定時器，用 于 模 擬I2C 中斷;外 部 中 斷，用 于 檢測傳感器輸出信號。
3.3 傳感器模塊功能
傳感器模塊功能可分為3方面：
1)檢測行人、車輛活動情況，為照明燈具的智能調節提供信息;
2)檢測環境光照強度，為燈具的開啟和熄滅提供信息;
3)提供一個數字接口，使之能夠與燈具中主控芯片通信。
1)紅外檢測
上下兩組傳感器輸出的信號接到單片機外部中斷引腳，軟件通過中斷方式來檢測紅外傳感器輸出信號的變化，并由軟件判別算法確定是否產生觸發輸出。
2)照度檢測
單片機通過 ADC模塊采集光敏電阻上電壓值，間接獲得當前環境光照度值。
3)數字接口
將傳感器與內部增加的單片機作為整體，與外部(主控芯片)通信采用標準的I2C接口，主控芯片作為I2C主機器件，傳感器內部單片機作為I2C 從機 器 件。I2C 接口 的使用，使得主控芯片僅通過兩根數據線(SDA、SCL)即可與多個傳感器通信。另外，傳感器被觸發后，能夠主動上報給主控 芯片，因此傳感器設置中斷請求引腳(INTR)，用來通知主控芯片其產生事件(紅外觸發、照度改變)需要處理。
4)參數存儲
傳感器中的 可 變 參 數(照 度 閥 值、溫 度 閥 值、工 作 方式)需要非易失性存儲器存儲，這些參數使用單片機內部EEPROM 來存儲，每次上電時，程序將 EEPROM 中參數加載到 單 片 機 RAM(randomaccessmemory，隨 機 存 儲器)，當 RAM 中 參數改變時程序將變化的參數寫回到EEPROM。
4 ZigBee模塊設計
4.1 ZigBee標準技術
無線通信平臺 采 用 ZigBee標準 技 術，應 用 體 系 結 構如圖4所示。
其中，硬件實體層主要有處理器模塊、無線通 信 模 塊(ZigBee)構成，本設計處理器模塊采用 MSP430，無線通信模 塊 采 用 CC2520;OSAL 軟件功能模塊作為 TI公 司Z-Stack協議棧中的 操 作 系 統 抽 象 層，統一管理協議棧的運行以及各種任務事件的響應;ZigBee協議運行于 OSAL抽象 系 統 之 上，該協議是由層來量化表示其整個協議標準，每一層負責完成所規定的任務，并且向上層提供相應的數據接口及服務[13]。
ZigBee技術體系 結 構 主 要 由 物 理 層(PHY)、媒體 訪問控制 層 (MAC)、ZigBee 網 絡 層 (NWK)以 及 應 用 層(APL)構 成，其 中 物 理 層 與 媒 體 訪 問 控 制 層 的 協 議 為IEEE802.15.4 協議 標 準，網 絡 層 由 ZigBee技術 聯 盟 制定[14]，而應用層是根據用戶自己的應用需求進行開發利用。
4.2 網絡拓撲結構
由于ZigBee是一種低速率、低功耗、低復雜度的近距離無線傳輸技術[15]，應用到室內或室外的環境下，都會受到距離、阻擋等諸多環境因素的限制，影響到其正常通信。因此，對網絡拓撲結構設計時，將各節點全部設置為“路由”，這樣可以使得距離網關較遠無法傳送信息的節點能夠通過“路由”節點將信息跳轉到協調器，如圖5所示為數據傳輸方式。
4.3 ZigBee模塊工作流程
整體的ZigBee模塊工作流程如圖6所示。
1)協調器啟動后開始組建網絡，待網絡組建完成后，各節點可以申請加入網絡，并由協調器統一隨機分配網絡地址;
2)在每個節點加入協調器所創建的網絡后，協調器發送請求，要求各節點上報自己的物理地址和網絡地址，協調器將它們存儲下來。此外，各節點需要廣播獲得與它相鄰節點的網絡地址，以實現各節點間的彼此通信;
3)網絡組建完成后，協調器定期向每個節點發送數據要求進行反饋，若節點沒及時進行信息反饋則認為掉網;對于節點來說，若超過限定時間沒收到任何信息，則默認為自身已經掉網，此時通過看門狗程序實現軟復位;對于協調器來說，若超過限定時間未收到任何信息，也默認為自身已經掉網，此時通過看門狗程序實現軟復位。
4)若ZigBee模塊有事件被觸發，則轉去處理該事件，待事件處理結束后繼續執行相應程序。
4.4 節點入網與綁定
因為居民小區或者廣場內，路燈固定，每個節 點 的 信號變化不大，為減少協調器的負荷，提高系統效率，減少數據擁塞的概率，采用節點綁定。如圖7所示，為節點入網綁定的流程。
協調器建立網絡完畢后，等待一段時間后發送廣播，要求已經入網的各節點上報自身物理地址和網絡地址，協調器接收到上報的信息后進行存儲記錄。
在協調器以及各個節點內設有一個映射表格，協調器中的表格反映的是所有節點所對應的物理地址和網絡地址;各個節點中的表格反映的是與其相鄰節點的網絡地址。
4.5 掉網與重加入網絡
通過更改協調器中的相應設置，使得掉網的 節 點，通過看門狗實現軟復位后，能夠重新加入之前建立的網絡，這樣使得原有的系統可以繼續正常運行。對于重新加入的節點，需要重新廣播自身地址以實現與協調器以及相鄰節點的地址更新。4.6 點對點通信的核心設計本文的設計優點在于能夠實現節點與節點之間的通信，不需要使用廣播，也不需要通過協調器進行中轉。大大提高了系統運行效率，減少了數據擁塞情況的發生，減輕協調器負荷。
為了保證點對點通信的正常實現，設計采用了如下算法以保證其穩定運行，如圖8所示。
在點對點通信的情況下，假 設 節 點 A 與 節 點 B 是 相互綁定的相鄰節點：
1)節點 A 發送信息給節點B，節點B需要發送確認收到信息反饋給 A;
2)若 A 沒有接收到 由 B 發送來的確認信息，則 此 時可能有兩種情況：①節點 B的網絡地址信息發生更新;② 節點 B已經不在這個網絡中;
3)為確認是上述哪種情況發生，節 點 A 需 要 發 送 廣播要求查詢與其綁定的各節點的地址信息;
4)若節點 B向 A 反饋 了 地 址 信 息，A 點 需 要 更 新 自身的綁定地址信息;若 B節點依然沒有反應，則 A 點默認B點已經掉網，并向網關報告掉網信息。圖9 ZigBee模塊和調光控制模塊
5 實驗結果
基于以上設計方案，進行了系統的軟硬件開發(包括上位機軟件)，并完成了實驗系統的搭建、調試與驗證。
首先對某廣場的15盞 LED路燈進行了智能化改造，如圖9和圖10所示，在路燈內部集成了 ZigBee模塊及調光控制模塊，ZigBee模塊的天線安裝在路燈頂端，便于信號的發送和接收，將傳感器模塊安裝在路燈的燈桿上，便于信號的采集。在此基礎上，進行了系統的無線組網、自動開啟/關閉、手動/自動控制、節點的掉網及重新加入、點對點通信以及聯動調光等功能測試。聯動調光的主要目的是當行人或車輛經過時，調高其所在區域及前方路燈的照度，并在行人或車輛經過后，降低路燈的照度或關閉該路燈，以達到節能降耗的目的。為避免路燈在調光過程中照度的突變驚擾行人或駕駛員，出于人性化考慮，在無行 人或車輛經過時，將路燈的照度設置為微亮狀態(微亮的照度可依據實際場景通過參數進行設置)而非關閉路燈，并在有行人或車輛經過時逐步調高照度至全亮。聯動調光的實驗結果如圖11所示。
當無行人經過時，圖11中的1-4號燈狀態為微亮;當行人行至1號燈附近，1號燈的紅外傳感器觸發，1號燈調光至全亮，同時2號燈進行聯動調光至全亮，為行人提前照亮前方道路，如圖11(a)所示;當行人行至2號 燈 附近，2號燈紅外傳感器觸發(此時2號燈已為全亮狀態)，3號燈進行聯動調光至全亮;當行人行至3號燈附近，4號燈進行聯動調光至全亮，此時1號燈因其紅外傳感器在一段時間內無觸發且無聯動調光事件發生，調光至微亮，如圖11(b)、(c)所示。
另外，為方便系統的監控、管理及維護，通過上位機軟件開發，實現了以下功能：
1)系 統 參 數 設 置。包括系統的自動開啟(傍 晚)/關閉(凌晨)時 的 照 度 閥 值;微 亮 的 照 度 值;行 人 或 車 輛 經過 后 且 后 續 無 觸 發 事 件 時，路 燈 維 持 全 亮 狀 態 的 延 時時 間(路燈經延時后切換為微亮狀態);以 及 為 避 免 驚擾 行 人 或 車 輛，路燈調光時的照度漸變值以及調光時間 等。
2)手動/自動模式切換。
3)系統狀態監控。在監控主畫面的地圖上實時顯示各路燈的狀態，包括路燈調光(全亮或微亮)狀態;入網/掉網狀態(掉網時閃爍)，并在輔助窗口中實時顯示各路燈的具體狀態及參數。
4)故障報警。當路燈節點掉網且無法重新入網，或節點狀態正常而路燈照度值等參數異常時顯示相應報警。
5)節點設備檢測。為方便系統的維護與維修，節點設備檢測可以對單燈設備進行檢測，也可以對整個系統進行檢測。
6)耗電量統計。提供單燈及整個系統耗電量的實時曲線及日志。
7)調試接口。
6 結 論
本文針對居民小區和廣場路燈現有情況，設計出基于ZigBee技術的 LED智能照明系統，采用 ZigBee技術進行系統方案設計，依靠傳感技術感知周圍環境變化，應用智能網絡將相鄰燈具的測量數據通過傳感器網絡納入到智能控制當中，自動控制路燈的開啟/關閉與聯動調光，并完成了系統狀態實時監控、手動/自動模式切換、節點掉網檢測及恢復、故障報警、耗電量檢測及統計等功能，同時提高了傳感器的檢測精度，減少了數據擁塞情況的發生，減輕了協調器的負荷。實現了單燈智能化和網絡控制的智能化。實際系統的測試表明，在不同場景和不同的參數設置下可節約電能30%～70%，達到了節能降耗的目的。——論文作者：金基宇 王虹元 金桂月 李 鵬 牟 俊 王智森
參 考 文 獻
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