一種智能LED路燈監(jiān)控系統(tǒng)的設計

0 引言

城市智能LED照明系統(tǒng)是智能交通系統(tǒng)重要組成部分。利用智能物聯(lián)網技術能夠有效提高如何節(jié)約能源，提高路燈能源的利用率并對路燈進行自動化、智能化的管理等急需解決的問題。

ZigBee 技術以其低功耗、通信可靠、網絡容量大等特點為路燈自動控制領域提供了較合適的解決方案。而基于ZigBee 自組網的LED 智能照明控制系統(tǒng)是將ZigBee 在短距離無線傳輸的優(yōu)勢與LED 照明壽命長和節(jié)能的優(yōu)勢相結合。具有安全、智能、便于控制、方便維護等特點。

本文提出了一種基于物聯(lián)網技術的交通照明控制系統(tǒng)。利用用ZigBee 技術與新型傳感器、功率控制器及LED 路燈相結合，完成對城市路燈照明系統(tǒng)的集中監(jiān)控。

1 系統(tǒng)設計方案

對路燈來說，其照明作用是最主要的，其它傳感器是為了輔助路燈而設計的，用來實現更好的照明效果或減少不必要的資源浪費。因此，傳感器的選擇比較關鍵。本系統(tǒng)涉及的傳感器有人體熱釋電紅外傳感器、tsl2561 亮度傳感器。路燈節(jié)點主要由LED燈具、蓄電池、LED 穩(wěn)壓電路、故障檢測電路、微控制器、ZigBee無線數傳模塊及其它外圍傳感器模塊構成，系統(tǒng)的整體結構如下圖1 所示。

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本系統(tǒng)路燈的工作模式共三種：分別為白天模式、夜晚模式和午夜模式。在主控平臺進行工作模式的選擇，工作模式由外界環(huán)境來設定。

白天正常模式下，當環(huán)境亮度強到一定光強值時，不再需要路燈照明，此時路燈將處于關閉狀態(tài);特殊情況下，如陰雨或大霧天氣時，只需在主控平臺進行設置，使路燈打開，即可應對各種突發(fā)情形。

夜晚模式下，路燈會根據設定的光強值進行判斷，當環(huán)境亮度小于所設定的光強時，路燈開啟，并將路燈的狀態(tài)通過無線數傳模塊發(fā)送到主控平臺，在主控平臺的界面上就可隨時觀測路燈狀態(tài)。一旦此時路燈突然關閉，將會實現自檢功能，將檢修的信息發(fā)送到主控平臺，主控平臺通過對這些數據進行分析，可將有問題的路燈信息通過GSM 模塊發(fā)送到路燈維修人員的手機上，以實現路燈的及時維護。

在午夜模式下，主控平臺會根據電腦系統(tǒng)時間定時關閉路燈，以節(jié)約電能。主控平臺的硬件結構如下圖2 所示。

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2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 控制部分

2.1.1 主控制器單元

主控平臺用LCD12864 液晶輔助顯示路燈實時狀態(tài)信息。中央處理器用Arduino MEGA2560 單片機處理路燈實時數據信息。

MEGA2560 的處理器核心是ATmega2560,同時具有54 路數字輸入/ 輸出口(其中16 路可作為PWM 輸出)，還具有16 路模擬輸入，4 路UART 接口，采用16MHz 的晶體振蕩器，兼容Arduino UNO 設計的擴展板。片上資源可以滿足單路燈節(jié)點照明的需求，并為后續(xù)在路燈上開發(fā)新應用提供了較大的選擇空間。

2.1.2 故障監(jiān)測

本系統(tǒng)是通過路燈外部傳感器配合微控制器來控制路燈的狀態(tài)，因此路燈故障的監(jiān)測也更為復雜。要實現遠程故障監(jiān)測，需要可正常工作的無線模塊，若不能監(jiān)測到無線模塊傳回的數據，則問題可能出現在供電或模塊損壞上。

計算公式為：checkDATA = 0xFF - (type) - (DATA)

路燈出現故障時會向主控平臺發(fā)送類似數據：

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主控平臺對收到的數據進行計算，將收到幀數據的后三個字節(jié)的值求和，并進行判斷，若為0xFF,則該幀數據有效;反之，該幀數據無效。通過簡單的計算和判斷就可知道信息來源與信息數據以及信息的正確性。這樣便可大大的提高數據的可靠性與穩(wěn)定性。

2.1.3 故障報修

本系統(tǒng)采用華為公司的GTM900C 無線通信模塊來反饋故障信息，這是一款兩頻段GSM/GPRS 無線模塊，支持標準AT 命令及增強的AT 命令，可提供豐富的語音和數據業(yè)務等，支持Text 和PDU 格式的SMS(Short Message Service,短消息)，可通過UART接口與單片機通信。

路燈管理人員通過液晶顯示屏可知道當前路燈狀態(tài)。若路燈出現故障，微控制器將分析反饋回來的信息，將有故障的路燈信息顯示在液晶顯示屏上，并向指定的手機號碼發(fā)送短信，告知故障路燈信息。路燈維護人員通過短信即可知道路燈故障的原因，這將減少維修時間，提高維修效率。

2.2 無線通信(ZigBee) 模塊

本系統(tǒng)ZigBee 模塊采用的是DIGI 公司生產的XBee S2 模塊，該模塊是一款超小型但功能完善的ZigBee 收發(fā)器，其接口簡單，易于使用，具備防水、防雷和防沖擊的性能，并且可以滿足室外各路燈間的距離要求。是一款把ZigBee 協(xié)議內置進Flash里的ZigBee 模塊，其內部已經包含了所有外圍電路和完整協(xié)議棧，能夠立即投入使用。PC 上有專門的配置工具X-CTU,采用串口和用戶產品進行通訊，并可以對模塊進行發(fā)射功率，信道等網絡拓撲參數的配置，使用起來簡單快捷。本項目中XBee 模塊通過UART 接口直接與MEGA 2560 控制器的串口0 相應管腳交叉相連。