基于ZigBee的道路照明智能控制系统的设计

时间：2021-12-23 19:31:38

关键字：道路照明风光互补 Zigbee 智能控制

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[导读]摘要：针对传统独立式风光互补路灯难以进行有效监控管理的问题，设计一种基于ZigBee无线传感网络的道路照明智能控制系统。系统通过在每一盏路灯的控制器安装ZigBee节点从而构建无线传感网络实现路灯工作状态的数据采集，并在管理机构搭建智能监控管理平台实现状态数据的接收、分析，最终依据辅助决策系统实现对每一盏路灯的工作状况全方位的分布式自动'人工监视和控制。实验结果表明，系统能够有效实现风光互补路灯的智能监控和管理。

引言

城市照明的迅速发展在改善城市环境、完善城市功能、提高市民的生活素质发挥重要作用的同时也加大了对能源的需求和消耗，加剧了城市供用电紧张。据中国照明学会统计，由于线路损耗、夜间超负荷运行等原因，城市道路照明的电能利用率不到65%,耗电总量占中国发电总量的2%左右，节能潜力巨大叫除此之外普通城市照明还存在监控管理方式落后,安全性能较低等问题。

我国提出的建设资源节约型社会的目标和发展循环经济的任务为上述问题的解决提供了很多思路。其中风力与太阳能互补路灯采用风能与太阳能为能源，无需开沟埋线，具有不受供电影响，不消耗常规电网能源，安装简便，绿色环保，无安全隐患等优点，是解决上述问题的一种重要解决方案，具有极高的社会效益、经济效益和环境效益。

为了保证路灯的正常使用，使路灯始终工作在最优状态,管理机构需要对路灯的实时工作状态进行监控管理。但是在目前通常风光互补路灯的设计中，为了简化布线，每个路灯均为一个独立的光伏系统。图1所示，每套路灯均由太阳能电池板、风力发电机、路灯控制器、蓄电池组、路灯灯头以及架杆组成，各灯之间相互独立，没有线路连接，无法以传统布线的方式对风光互补路灯的进行监控和管理。

针对上述问题，论文引入物联网技术构建了一种基于ZigBee无线传感网络的风光互补路灯照明智能控制系统，通过在每一盏路灯的控制器安装ZigBee节点构建ZigBee无线传感网络，并在管理机构搭建路灯智能监控管理平台，将管理机构与每一杆路灯连接起来，最终实现管理机构(监管平台)对每一盏路灯的工作状况全方位的分布式自动/人工监视和控制，进而实现风光互补路灯照明工作状态的最优化管理。

图1传统风光互补路灯系统结构

1系统总体方案设计

基于ZigBee的道路照明智能控制系统主要由道路照明设施、ZigBee无线监控网络、数据通信网络、辅助决策系统、远程数据监控中心等几部分组成，其总体结构如图2所示。其中道路照明设施与ZigBee无线监控网络为一体化装置，其ZigBee无线监控网络由众多接入相应风光互补路灯智能控制器的无线传感节点自组网形成，因此ZigBee无线监控网络可以完成对网络内所有风光互补道路照明设施工作状态数据的实时采集，进而通过数据通信网络发送至数据监控中心，完成对路灯的无线远程状态监视；无线监控网络也可以向道路照明设施控制器发送从数据通信网络接收到的监控中心相关控制命令，从而完成对路灯的无线远程控制。

图2道路照明智能控制系统组成结构

辅助决策系统主要由光照度采集传感器、GPS模块、温湿度传感器、风速风向传感器、雨雪传感器和网络摄像机组成,主要用作对相应区域内道路照明设施控制的决策依据。该系统可以实时的通过数据通信网络将辅助决策数据发送至数据监控中心，数据监控中心根据当前的气象状态数据向相应区域内的ZigBee无线监控网络发送控制命令，从而完成对路灯工作状态的控制。

2智能控制系统硬件设计

2.1智能路灯控制器

智能路灯控制器作完成了照明系统的发电控制、蓄电池供放电控制、路灯照明开闭及亮度控制等，是道路照明智能控制系统的核心部件，对道路照明系统的工作效率和稳定性起到决定性作用。考虑到论文设计的道路照明智能控制系统的光伏及风力发电的原理、蓄电池充放电工作原理、ZigBee无线传感网络工作方式和道路照明的实际需求，论文设计了如图3所示的风光互补路灯控制系统，包括了微处理器模块、发电设备发电/充电控制管理模块、蓄电池状态数据采集模块、电源控制管理模块、负载状态采集模块和负载输出驱动控制模块等，除此之外风力发电机、太阳能电池板、蓄电池组、LED路灯灯头和无线通信模块与控制器相连，最终与灯杆、灯架等设备组装后安装于道路两侧实现道路照明功能。

智能路灯控制器能够完成的具体功能包括：外界气象条件达到设备发电需求时，控制发电设备发电，在经过整流、恒压或升压后控制向蓄电池组充电或向LED灯头负载供电；对电池板和风机的电压、电流进行检测，通过MPPT算法追踪其最大输出功率点，使发电设备以最大输出功率为蓄电池充电;对蓄电池组进行监测控制，并控制完成过放电保护、过充电保护、短路保护、反接保护、极性保护和风机失速刹车等;控制节点自动接入路灯ZigBee无线监控网络，并通过网络发送当前节点的路灯系统工作状态数据，接收远程监控中心的控制命令，完成LED灯头的开灯、关灯及亮度调节控制，太阳能电池板的朝向角度控制；对蓄电池剩余电量智能检测，并根据风机与太阳能板的预期发电效率调整放电时间及光源亮度，尽可能延长照明时间；在发电设备发电量无法满足LED负载照明时，控制蓄电池放电，驱动照明。

图3道路照明智能控制系统功能结构

其中控制器微处理器采用德州仪器推出的ZigBee新一代SOC芯片CC2530,支持IEEE802.15.4标准/ZigBee/ZigBeeRF4CE和能源的应用，芯片内集成了ZigBee无线模块，结合了一个完全集成的，高性能的RF收发器与一个业界标准增强型8051MCU，8KB的RAM，32/64/128/256KB闪存［3］。主要控制完成各个检测数据的采集、太阳跟踪算法的实现、步进电机的驱动以及相应的状态数据的发送和控制命令的接收等路灯控制器功能。

电力拖动模块采用的步进电机控制电池板在高度角和方位角上进行变化，并通过限位传感器判断电机的转动停止位置。并配置合适的蜗轮蜗杆减速机，由于蜗杆轴向力较大,机构具有自锁性，可实现反向自锁，即只能由蜗杆带动蜗轮,而不能由蜗轮带动蜗杆，防止电池板在大风天气下反向拖动步进电机。

2.2ZigBee/GPRS网关

ZigBee/GPRS网关集成了ZigBee汇聚节点与GPRS网关模块（或直接接入有线Internet网络），主要作为ZigBee无线监控网络与远程监控中心的通信枢纽完成监控中心控制命令的下传和各路灯状态数据的上传等工作，其结构如图4所示。

图4ZigBee/GPRS网关结构设计框图

ZigBee/GPRS网关主要是通过ZigBee无线网络接收太阳能板的旋转角度、发电电压和蓄电池充放电状态等数据,并通过GPRS网络将相关数据上传到远程监控中心，完成实时监控功能；或者通过ZigBee网络将远程控制数据广播到各路灯控制器节点，以完成相应的控制功能。

其中MCU+ZigBee模块同样采用新一代SOC芯片CC2530,E2PROM采用EEPROM24C系列存储芯片，按键与显示模块完成人机交互。GPRS模块采用HC-GPRS/232/T,该模块是GPRS透明传输终端，内置工业级GPRS模块，具有RS232接口的工业设备无需更改任何软件即可通过GPRS无线联网，支持点对点、点对多通信。

3智能控制系统功能设计

3.1太阳自动追踪策略

由于地球自转和公转的影响，太阳的高度角和方位角会在一年四季内按照固定的规律发生变化，而太阳光在与太阳能电池板成垂直角度照射时，电池板接收光照强度最高，发电效率最好，因此论文以路灯套件中的电力拖动模块为基础设计了电池板的太阳追踪策略，构建太阳追踪系统，保证太阳能板工作时始终处于较高的发电效率状态［4］。考虑到实际应用需求，论文将太阳追踪策略分为如流程图3种工作状态：

自动回位

在日落时，风光互补路灯主要依靠风机发电，若风机发电不足则依靠蓄电池组供电照明。此时需要太阳能电池板以限位传感器为基准旋转到初始垂直位置，等待次日的继续运转。

自动控制模式

当远程监控中心通过布置于某区域的辅助决策系统监测到该区域当前的气象条件适合电池板正常发电时，通过ZigBee无线传感网络向该区域各路灯控制器控制器发送控制命令，使其切换至自动控制模式。

在自动控制模式下，各路灯控制器定时通过固化于其存储器中的自动控制策略根据当地的纬度、当前的日期时间和太阳运行规律公式计算出任意时刻的太阳高度方位角，然后通过二维极轴电力拖动模块，控制电池板旋转至相应的角度，实现高度角-方位角的全称追踪。

(3)远程控制模式

当远程监控中心通过某区域的辅助决策系统监测到该区域当前的气象条件(如阴雨天气等)无需电池板进行视日追踪时，通过ZigBee无线传感网络向该区域各路灯控制器控制器发送控制命令，使其切换至远程控制模式。

此时路灯控制器根据远程监控中心管理系统或管理人员发出的控制命令，使电池板旋转至相应的位置，并在气象条件无法满足电池板发电条件时使其开路停止发电。

3.2ZigBee/GPRS网关的软件设计

ZigBee/GPRS网关的软件设计主要完成路灯ZigBee无线监控网络与公共网络之间的数据转换，在采用GPRS网络传输路灯状态数据时，为了减少GPRS数据流量，在路灯状态数据在一定范围内处于稳定状态时则不再实时上传数据，而改为查询方式，即只需要在上位机远程监控中心需要查看当时数据时，上传相关数据叫其软件流程如图5所示。