基于ZigBee和无线传感器设备的路灯远程控制系统

0 引 言

照明系统，特别是公共部门的照明系统仍在按照旧的可靠性标准进行设计，尚未使用最新技术，造成这一现象的原因与尚未恢复现有设施建设费用的工厂管理人员有关。然而，由于与原材料成本相关的压力越来越大以及对环境问题的社会敏感度越来越高，促使制造商开发新技术，以节约成本、保护环境。发光二极管亮度较高，比一般的灯节省约 80% 以上的电量，降低了能源费用，且耐冲击，抗震能力强，符合环保要求 [1]。发光二极管为直流工作，不会出现频闪现象，亮度和使用寿命不会受电压波动的影响。路灯灯柱采用新型技术实现智能远程控制，将路灯信息发送到后台信息中心后进行集中管理，从而简化管理和维护程序。同时尽可能采用可再生能源，减少环境污染。

随着新能源技术的发展，国内外专家学者开展了对路灯控制系统的研究。Coata 等人 [2] 基于发光二极管的特性设计了一种基于 LED 的高级街道照明系统 ；Chen 等人 [3] 利用通用分组无线业务（GPRS）电力线载波或全球移动通信系统（GSM）开发了路灯系统 ；张凌敏 [4] 采用 GPRS 通信技术、ZigBee 技术和传感器技术等设计了一套基于物联网控制的智能控制系统 ；杨扬等人 [5] 提出了一种基于 Netty 的智慧路灯管理系统，结合云平台实现智能化管理和数据回传 ；耿秋明等人 [6] 设计了基于 ZigBee 无线通信协议的路灯控制系统，基于物联网技术实现路灯的远程控制分组及对信息的采集。高红云等人 [7]设计了基于无线通信协议 ZigBee 的路灯控制系统。路灯控制方式分为微波雷达移动物体检测、环境光检测及时间设定等，能够实现路灯远程控制、自动调光、故障检测及定位等功能。

路灯照明系统可以对管辖范围内的所有路灯进行集中控制、实时数据监测、异常智能分析及故障报警等，杜绝因设备老化及丢失产生的问题，同时还可以实现路灯管网和其他设施配置的信息化管理，以满足后续用户需求升级。本文设计了一个由 LED 光源、太阳能电池板和电池供电并进行远程控制管理的智能灯柱。通过传感器网络实施控制，收集与系统管理、维护有关的信息，使用 ZigBee 协议进行无线传输。

1 路灯远程控制系统设计

路灯远程控制系统由街道上的一组观测站（每个灯柱配有一个监测站）和附近建筑物中的基站组成。这是一个模块化系统，可轻松扩展。监测站监测街道状况和阳光强度，并据此决定打开或关闭路灯。这些条件取决于该路灯所在的街道以及街道某一点的太阳辐射模式，并常常根据天气状况、季节、地理位置以及其他因素变化。每盏路灯是完全独立的照明管理系统。街道观测站检查路灯是否正常工作并通过无线网络将信息发送到基站进行数据处理。一旦检测到任何故障，将通过图形界面通知工程师及时采取纠正措施。

1.1 硬件系统装置

1.1.1 监测站

每个路灯中的监测站均由多个模块组成，即节能传感器、光传感器、故障传感器和应急开关，如图 1 所示。这些设备工作后将所有信息传送给微控制器进行数据处理，并自动设置适当的操作过程。信息传输的优先级被分配给每个传感器，例如，紧急开关优先于任何其他设备。

（1）节能传感器 ：节能传感器用于识别车辆或行人是否通过，输入信息打开一盏灯或一组灯。该功能取决于街道的模式 ：如果街道没有十字路口，则一个传感器便足够 ；如果是双向街道，则街道尽头各需一个传感器 ；对于需要更精确控制的街道来说，需要选择使用多个节能传感器的解决方案。该功能仅在需要时才开灯，避免能源浪费。传感器是否能够发挥用处的关键在于是否正确安装。传感器应放置在最佳高度，不可过低（避免小动物的干扰造成错误检测），也不能太高（避免检测不到小孩）。对传感器布局的研究可根据用户的需求决定最佳高度，并考虑系统工作的具体环境。在现场测试过程中，发现 SE-10 PIR 运动传感器性能良好，价格实惠。

（2）光传感器：光传感器可以测量阳光的亮度并提供信息。测量的目的在于按照法规要求确保街道照明的最低水平。传感器必须在可见光谱中具有高灵敏度，并为低亮度时的灯具提供足够高的光电流。因此，本系统选择光电晶体管 TEPT5700。基于测量的亮度，微控制器控制路灯以保持恒定的照度水平。白天无需这种操作，但在清晨和黄昏时，虽无需路灯完全照明，但需要对阳光进行辅助照明。这种模式可大幅节省电力，此时路灯由传感器和微控制器组合操作进行调节以确保所需的最小照度。

（3）操作控制：该传感器有助于改善故障管理和系统维护。此类传感器（如霍尔传感器）可根据实况决定是否开灯。将识别参数与存储数据进行比较（白天路灯处于关闭状态，传感器会错误地检测到故障，但由于附加的逻辑功能，微控制器不报告故障），方便系统识别是否误报。这些信息通过 ZigBee

网络报告给站台控制单元，操作员得知故障灯的位置并发送技术信息处理该故障。系统电流为 1.5 A，因此需要一个适合检测该电流的传感器。一个合适的阈值检测灯的电流被设置在1 ～ 1.5 A 之间。本系统选择的传感器为 ACS756[8]，这是一种用于交流或直流电流检测的经济且精确的传感器，适用于通信系统。这款传感器可以在微控制器的存储器中存储正常工作条件下路灯中、的电流值，从而实现在线功耗测量功能。

（4）应急设备 ：该系统有一个紧急按钮，可在紧急情况下使用。该装置处在传感器系统之外，可立即打开路灯，指示灯将保持开启预设时间，之后再次按下该按钮，防止系统在必要使用结束后被意外激活。应急设备白天不工作，无需人造光源。

1.1.2 基地控制站

基地控制站是系统的枢纽，可对照明系统实现可视化。传输系统由 ZigBee 设备组成，该设备接收有关路灯的状态信息后将其发送到终端。处理单元由带有串行通用异步接收器 -发送器（UART）接口的终端组成，该接口接收由 ZigBee 设备提供的灯的状态信息。终端采用图形界面显示结果。此外，路灯的操作数据与路灯地址有关，因此，所有故障极易被识别。图形界面能够利用路灯状态和每个路灯的功耗来监视系统状态。该方案还配备有一个管理系统，用于在系统描述完成后在灯柱无通信的情况下进行通信。

1.1.3 ZigBee 网络

ZigBee 是基于 IEEE802.15.4 标准的无线通信技术，用于无线个人区域网络（WPAN）中多个设备之间的通信 [9]。就成本而言，ZigBee 比其他 WPAN（例如蓝牙）更实惠，能源消耗低。ZigBee 个人区域网络（ZBPAN）由至少一个协调器，一个（或多个）终端设备和一个（或多个）路由器组成。协调器选择通道，在开始通信时创建网络，然后路由器或终端设备加入网络。根据环境条件和传输功率，ZigBee 传输范围的典型距离从几十米变为几百米，且传输功率保持在尽可能低的水平（毫瓦级），以降低能耗 [10]。

在本文提出的系统中，网络将信息从灯柱传输到基站。消息进行逐点传送，从一个灯柱到另一个灯柱，每个灯柱在系统中有唯一的地址。且每个灯柱只能将消息发送到最近的一个灯柱，直到消息到达基站。因此，传输功率被限制在所需的低值，同时灯柱所提供的信号不会相互干扰。

如果一盏灯发生故障，灯柱之间所选的传输距离可确保信号能够到达下一个工作灯柱而不会断链。ZigBee 无线通信网络已开始使用 Digi-MaxStream 射频模块（称为 XBee 模块，包括标准版和 Pro 版）。标准 XBee 模块在室内有数十米的运行范围，室外有数百米的运行范围，而 XBee Pro 模块在室内的运行范围达数百米，户外约有 1.5 km 的扩展距离。Pro 模块虽具有较高的发射功率，但也会耗费更高的功耗（约为标准版本的三倍）。

接收器具有非常高的灵敏度和较低的接收损坏分组概率（小于 1％）。模块由 3 V 直流电源供电，在上行链路中，电流消耗约为 50 mA（对于 XBee）和 150 ～ 200 mA（对于XBeePro），在下行链路中的电流消耗约为 50 mA（对于两种版本都相同）；此外，它们支持睡眠模式，消耗电流小于 10 A。

XBee 模块分布在三个版本的天线中，带有片上天线，导线天线以及用于外部天线的集成连接器。

1.2 软件系统设计

传感器将收集到的信息传送给运行软件的控制器进行分析。图 2 所示为控制软件流程图。初始设置完成后，光传感器检测当前光照强度，只有阳光照明低于某一固定阈值时，系统才会激活微控制器对路灯进行控制。在这种情况下，系统会

读取紧急按钮的状态，当紧急按钮被启动时，路灯开启。否则，检测当前状态是否有车辆或行人通行，如果有车辆和行人通过，则开启路灯。路灯打开后，操作传感器开始监控，并在故障检测的同时将警报发送至控制中心。如果未检测到故障，则微控制器通过霍尔传感器存储当前值来测量电流。操作由定时器调节，该定时器能够使系统工作预定的时间。停止输入后，路灯关闭并重新启动循环。

2 结 语

本文介绍了一种智能路灯控制系统，该系统集成了新技术以提高效率、节约成本，通过结合太阳能电池板与高效LED 技术实现，其中能量成本与电力供应价格无关，只需通过控制系统接通灯对灯柱进行智能管理即可。只在必要时开启路灯照明，延长了路灯的使用寿命。控制系统的另一个优点是通过 ZigBee 无线通信技术将数据发送到控制中心对灯柱进行智能管理。系统维护可通过控制中心轻松、高效地规划，节省额外支出。

所提出的系统适用于交通低于特定时间范围的城市和农村地区的街道照明。电力供应网络的独立性使其能够在装置极其昂贵的偏远地区安装该系统。系统灵活，可扩展，极大地满足了用户需求。未来，系统还可监测电力系统的负载，实现对能源消耗的监控。此外，在计费和远程控制负载的智能管理以及智能电网和智能计量应用中，都会有新的发展。