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【關(guān)鍵詞】自調(diào)光;零點(diǎn)檢測(cè)模塊;光照強(qiáng)度采集模塊

1.引言

隨著能源問(wèn)題越來(lái)越引起人們的重視，節(jié)能已經(jīng)成為生產(chǎn)應(yīng)用中不可忽視的一方面，自調(diào)光路燈控制器主要用于安裝在道路兩旁與公共場(chǎng)所的路燈上，隨環(huán)境光照強(qiáng)度的變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)路燈亮度，在滿足人們需要的同時(shí)，達(dá)到節(jié)能的目的，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自調(diào)光路燈控制器主要由單片機(jī)控制模塊、人機(jī)交互界面、零點(diǎn)檢測(cè)模塊、光強(qiáng)度采集模塊與脈沖觸發(fā)模塊五部分構(gòu)成，圖1為自調(diào)光路燈控制器系統(tǒng)框圖。利用光強(qiáng)度采集模塊完成對(duì)環(huán)境光照強(qiáng)度的參數(shù)采集，利用零點(diǎn)檢測(cè)模塊完成市電220V單相電零點(diǎn)檢測(cè)，利用人機(jī)交互界面完成系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，在單片機(jī)控制模塊中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過(guò)脈沖觸發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)路燈亮度調(diào)節(jié)。

圖1 自調(diào)光路燈控制器系統(tǒng)框圖

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制模塊完成光強(qiáng)度信號(hào)的采集、零點(diǎn)檢測(cè)信號(hào)的處理，根據(jù)人機(jī)交互界面的設(shè)定完成計(jì)算，通過(guò)脈沖觸發(fā)模塊輸出控制信號(hào)?？刂颇K采用深圳宏晶科技有限公司出產(chǎn)的STC15F2K60S2芯片，指令代碼兼容傳統(tǒng)8051，內(nèi)部集成高精度時(shí)鐘。光強(qiáng)度采集模塊采用光敏電阻與高精度電阻分壓構(gòu)成，STC15F2K60S2芯片自帶8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換功能，可滿足光強(qiáng)度信號(hào)的采集。

圖2 零點(diǎn)檢測(cè)模塊原理圖

零點(diǎn)檢測(cè)電路為控制模塊提供同步信號(hào)，如圖2所示，市電L/N通過(guò)同步變壓器T0.5-06與光電耦合器TLP521-2實(shí)現(xiàn)同步信號(hào)獲取，該信號(hào)通過(guò)引腳P32輸入到控制芯片，通過(guò)實(shí)際測(cè)試，該電路可有效去除強(qiáng)電干擾并保護(hù)控制芯片。

圖3 脈沖觸發(fā)模塊原理圖

脈沖觸發(fā)模塊原理圖如圖3所示，由控制引腳P10給出的脈沖信號(hào)通過(guò)三極管Q1放大與脈沖變壓器T2，控制雙向晶閘管Q2的開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)臺(tái)燈的點(diǎn)亮與光線調(diào)節(jié)，脈沖變壓器T2還起到了強(qiáng)電與弱電的隔離作用。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序包括初始化、中斷服務(wù)子程序、人機(jī)交互子程序、脈沖觸發(fā)子程序等，程序流程如圖2所示。

初始化程序包括外部中斷初始化、顯示初始化、AD轉(zhuǎn)換初始化等，信號(hào)采集每1秒執(zhí)行一次，根據(jù)檢測(cè)到的電信號(hào)，轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)度信號(hào)，與人機(jī)交互界面設(shè)定值進(jìn)行比較處理，調(diào)整導(dǎo)通角，發(fā)出脈沖觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)脈沖觸發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)路燈亮度調(diào)節(jié)。

圖4 程序流程圖

5.結(jié)論

本次設(shè)計(jì)切實(shí)考慮了路燈節(jié)能環(huán)保的需求，針對(duì)路燈照明而設(shè)計(jì)的一款自調(diào)光路燈控制器。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、方便，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間軟硬件實(shí)時(shí)檢測(cè)，可靠性較高。

參考文獻(xiàn)

[1]丁向榮.單片機(jī)微機(jī)原理與接口技術(shù)，電子工業(yè)出版社[M].2012.

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關(guān)鍵詞:太陽(yáng)能路燈 單片機(jī) PWM 鋰電池

中圖分類號(hào): 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1007-9416(2010)03-0000-00

1 引言

太陽(yáng)能是地球上最直接最普遍最清潔的可再生能源。隨著能源問(wèn)題的日益突出和太陽(yáng)能光伏技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步,太陽(yáng)能路燈的應(yīng)用正受到日益廣泛的重視。太陽(yáng)能路燈主要由太陽(yáng)能光電池組件、蓄電池、控制器和照明燈具組成。其中控制器是太陽(yáng)能路燈的核心部分,主要負(fù)責(zé)蓄電池的充放電控制。本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的太陽(yáng)能路燈控制器。

2 鋰蓄電池

路燈蓄電池選用鋰離子電池。鋰電池具有重量輕、容量大、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn),因而得到了普遍應(yīng)用。鋰電池的能量密度很高,它的容量是同重量的鎳氫電池的1.5~2倍,而且具有很低的自放電率。此外,鋰離子電池幾乎沒(méi)有“記憶效應(yīng)”以及不含有毒物質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)也是它廣泛應(yīng)用的重要原因。但對(duì)于鋰電池的充電過(guò)程,要求是比較嚴(yán)格的。

鋰電池的充電曲線如下圖1。

鋰電池的充電過(guò)程:1.如果開(kāi)始充電時(shí),電池電量很低(例如低于13V),那么必須用小電流(大概為0.24A)開(kāi)始充電,即涓流充電。如果電壓高于13V就不必進(jìn)行這個(gè)步驟。2.當(dāng)電池電壓大于13V可以開(kāi)始大電流充電,恒流充電。隨著充電的進(jìn)行,電池電壓逐漸升高。3. 當(dāng)電池電壓達(dá)到或接近充滿電壓(如16.8V左右)時(shí),則要開(kāi)始轉(zhuǎn)入恒壓充電;當(dāng)電流減少到大概0.25A左右,則停止充電。由此可見(jiàn),對(duì)于鋰電池充電過(guò)程的控制,電壓電流的檢測(cè)是非常關(guān)鍵的。

2.1 電壓的檢測(cè)

利用一個(gè)電位器把電池的電壓降低,輸進(jìn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(如ADC0809)的第一個(gè)通道中,然后通過(guò)單片機(jī)(如STC89C52)來(lái)計(jì)算電壓。

2.2 電流的檢測(cè)

檢測(cè)比較大的直流電流的方法不多,這里采用一個(gè)小電阻R(0.05歐姆)來(lái)檢測(cè)電流,小電阻兩端的電壓通過(guò)運(yùn)放放大,經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)中,測(cè)得電壓U0后除以放大倍數(shù)Auf 得到實(shí)際的電壓U, 再根據(jù)歐姆定律(U=I*R)計(jì)算出電流I的大小。

用一個(gè)小電阻來(lái)檢測(cè)電流存在的問(wèn)題是:小電阻的阻值會(huì)發(fā)生變化。實(shí)際上絕對(duì)線性的電阻是不存在的。例如,絕大多數(shù)金屬導(dǎo)體的電阻都隨溫度的升高而升高,當(dāng)電流通過(guò)金屬導(dǎo)體時(shí),將電能轉(zhuǎn)化為熱能,使金屬導(dǎo)體的溫度升高,阻值就不是常數(shù),而是隨著電流或電壓變化。本系統(tǒng)中檢測(cè)出來(lái)的充電電流跟實(shí)際的充電電流不一樣,但存在一個(gè)規(guī)律是:電流越大檢測(cè)出來(lái)的電流跟實(shí)際電流的偏差就越大,它們成線性的關(guān)系。這是由于小電阻阻值隨溫度變化而造成的。以下是實(shí)驗(yàn)采集的單片機(jī)測(cè)得電流和實(shí)際電流的一些數(shù)據(jù)如表1所示。

這兩組數(shù)存在著線性的關(guān)系,利用Matlab對(duì)第一列的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,首先求出它的關(guān)系式,假設(shè)關(guān)系式為:

y1=a(1)*x+a(2);

使用Matlab求出系數(shù)a(1)和a(2):

a(1)= 0.0100a(2)= 0.2100 所以這組數(shù)據(jù)可以用關(guān)系式y(tǒng)1=0.01*x+0.21――――(1)來(lái)表示。采集的數(shù)據(jù)和線性擬合后的曲線如圖2。

對(duì)第二列的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,首先求出它的關(guān)系式,也假設(shè)關(guān)系式為:

y2=a(1)*x+a(2);

使用Matlab求出系數(shù)a(1)和a(2):

a(1)= 0.0147a(2)= 0.2109 所以這組數(shù)據(jù)可以用關(guān)系式y(tǒng)2=0.0147*x+0.2109――――(2)來(lái)表示。采集的數(shù)據(jù)和線性擬合后的曲線如圖3。

結(jié)合關(guān)系式(1)和(2)便可得出兩列數(shù)據(jù)的關(guān)系式y(tǒng)1=0.680272*(y2-0.2109)+0.21,其中y1表示實(shí)際的電流,y2表示單片機(jī)檢測(cè)出來(lái)的電流,單片機(jī)檢測(cè)出來(lái)的電流y2通過(guò)上式的轉(zhuǎn)換后變成y1,便是實(shí)際的電流。

3 充放電控制電路及原理

3.1 充電控制

充放電控制電路如圖4,本方案采用PWM脈沖調(diào)制控制保護(hù)技術(shù),不僅能有效地保護(hù)蓄電池,防止過(guò)充電現(xiàn)象的發(fā)生,還能快速、平穩(wěn)地為蓄電池充電。所謂PWM控制就是控制輸出波形的占空比,周期并不改變,通過(guò)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與閉合來(lái)控制充放電。鋰電池的充電曲線圖如圖1,具體的控制電路如圖4,蓄電池的電壓低于13V時(shí),單片機(jī)輸出一個(gè)相應(yīng)占空比的脈沖,控制三極管(Q1)通和斷的時(shí)間,從而控制場(chǎng)效應(yīng)管IRFZ44(Q3)的通和斷,使到充電的電流為0.24A左右,此時(shí)處于預(yù)充狀態(tài)。蓄電池的電壓高于13V時(shí),單片機(jī)輸出一個(gè)高電平(相當(dāng)

于PWM占空比為1),三極管(Q1)導(dǎo)通,場(chǎng)效應(yīng)管IRFZ44(Q3)處于截?cái)酄顟B(tài),此時(shí)太陽(yáng)能電池板以最大的電流為蓄電池充電--恒流充電。當(dāng)蓄電池電壓接近或等于16.8V時(shí),通過(guò)控制占空比,也使場(chǎng)效應(yīng)管IRFZ44(Q3)實(shí)現(xiàn)通斷控制,使充電狀態(tài)處于恒壓浮充狀態(tài)。當(dāng)電流小于一個(gè)值(0.24A)時(shí),單片機(jī)就輸出一個(gè)低電平,使場(chǎng)效應(yīng)管IRFZ44(Q3)完全導(dǎo)通,停止給蓄電池充電。

3.2 放電照明部分的控制

照明燈亮和滅的控制原理如圖4,當(dāng)單片機(jī)控制照明燈的控制腳輸出高電平(5V)的時(shí)候,三極管Q2就會(huì)導(dǎo)通,三極管Q2集電極E的電壓變低(約為0V),此時(shí)加到場(chǎng)效應(yīng)管(Q4)柵極的電壓就會(huì)變低,場(chǎng)效應(yīng)管就截止,流過(guò)照明燈的電流減少到0。相反,當(dāng)單片機(jī)控制照明燈的控制腳輸出低電平(0V)的時(shí)候,三極管Q2就會(huì)截止,三極管Q2集電極E的電壓高,此時(shí)加到場(chǎng)效應(yīng)管(Q4)柵極的電壓也就高,場(chǎng)效應(yīng)管就導(dǎo)通,流過(guò)照明燈的電流大,照明燈打開(kāi)。

4 結(jié)語(yǔ)

充放電控制器是太陽(yáng)能路燈的核心部件,針對(duì)鋰蓄電池充電的特殊要求,本文巧妙地采用簡(jiǎn)單電路檢測(cè)充放電電壓電流、軟件補(bǔ)償用于檢測(cè)的小電阻的溫度效應(yīng),省卻硬件補(bǔ)償?shù)馁M(fèi)用,降低了成本。由單片機(jī)根據(jù)采集到的充放電電壓電流參數(shù),發(fā)出各種控制信號(hào),實(shí)現(xiàn)充放電控制,使充放電系統(tǒng)能穩(wěn)定有效地運(yùn)行,更好地保護(hù)了鋰電池,延長(zhǎng)了整個(gè)太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)的使用年限。因而,本文設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能路燈充放電控制器具有較高的實(shí)用價(jià)值,對(duì)太陽(yáng)能路燈的推廣起到了促進(jìn)作用,是有益的嘗試。

參考文獻(xiàn)

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[4] PANKANTI S, BOLLE R M, JA IN A K. Biometrics; the future of identification[J].IEEE Computer,2000.

篇3

前言

公共照明系統(tǒng)廣泛采用高壓鈉燈（high pressure sodium lamp）或金屬鹵化物燈（metallic halide lamp），傳統(tǒng)照明系統(tǒng)經(jīng)常采用電感鎮(zhèn)流器，照明燈具采用統(tǒng)一開(kāi)關(guān)控制方案。

隨著數(shù)字技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，公共照明數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)成為一種必然趨勢(shì)。節(jié)約能源、保證燈具壽命、提高照明管理水平、美化城市夜量和保證城市夜間出行安全等，已經(jīng)成為對(duì)公共照明系統(tǒng)的一項(xiàng)基本要求。本文將介紹基于鎮(zhèn)流器的全數(shù)字公共照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程單個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)的任意監(jiān)控，并重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)的核心設(shè)備——組群控制器的作用、組成、工作原理是以及主要軟件結(jié)構(gòu)框圖。

1 數(shù)字路燈照明系統(tǒng)

圖1給出了數(shù)字路燈系統(tǒng)的系統(tǒng)組成原理圖。在該系統(tǒng)中，每個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)采用全數(shù)字化電子鎮(zhèn)流器，可以實(shí)現(xiàn)0%、50%、80%、100%功率輸出，可以隨時(shí)發(fā)送路燈的電流、電壓信息，并具有開(kāi)路、斷路和路燈老化報(bào)警功能。每一個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)內(nèi)包含一個(gè)電力載波通信（PLC）模塊，利用電力載波模塊實(shí)現(xiàn)路燈節(jié)點(diǎn)之間以及路燈節(jié)點(diǎn)與組群控制器之間信息通信。組群控制器采用雙CPU結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)日常系統(tǒng)的正常運(yùn)行控制，并可以隨時(shí)響應(yīng)上位管理計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令。組群控制器與照明管理計(jì)算機(jī)通過(guò)GSM/GPRS短信方式實(shí)現(xiàn)正常情況下的通信。在組群控制器發(fā)生故障的情況下，照明管理計(jì)算機(jī)可以通過(guò)GSM/GPRS直接實(shí)現(xiàn)路燈線路的開(kāi)關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全雙保險(xiǎn)。照明管理計(jì)算機(jī)采用地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)圖形化動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控管理。

圖2

2 組群控制器工作原是與系統(tǒng)組成

2．2 組群控制器系統(tǒng)組成

圖2給出了一種組群控制器設(shè)計(jì)方案。它包括CPU模塊、線路狀態(tài)檢測(cè)模塊、交流接觸器驅(qū)動(dòng)模塊、后備電源模塊、時(shí)鐘模塊、控制策略模塊、電能計(jì)量模塊、溫濕度檢測(cè)模塊、GSM通信模塊和電力載波通信模塊。CPU模塊采用CPU結(jié)構(gòu)。主微控制器采用高性能、8位、40引腳、具有8KBFlash、多路8位A/D的RISC單片機(jī)PIC16F877，負(fù)責(zé)與GSM通信模塊和電力載波模塊通信，與交流接觸器驅(qū)動(dòng)控制，與實(shí)時(shí)時(shí)鐘的讀取和校準(zhǔn)以及根據(jù)照明控制策略發(fā)送控制指令等功能。從微控制器采用與主微控制器同一系列的高性能8位、28引腳、多路8位A/D、具有4KB Flash的RISC單片機(jī)PIC16F873。該控制器負(fù)責(zé)管理電能計(jì)量模塊、后備電源及監(jiān)控模塊、溫濕度監(jiān)控模塊和線路狀態(tài)檢測(cè)模塊等。

圖3

    2.3 雙CPU通信方法與RS-485通信

雖然PIC16F87x系列單片機(jī)外圍通信接口豐富，但是，整個(gè)系統(tǒng)通信復(fù)雜，接口資源仍然很緊張。主從CPU的可靠通信，是組群控制器可靠工作的關(guān)鍵之一。

根據(jù)資源分配，主微控制器PIC16F877與從微控制器PIC16F873采用SPI接口，并以主從方式通信。根據(jù)系統(tǒng)端口配置需要，PIC16F873采用硬件SPI接口方式，PIC16F877采用普通I/O口RB1～RB3來(lái)模擬硬件SPI口，即軟件SPI接口。PIC16F877的SPI硬件資源分配給E2PROM 24C64使用。PIC16F873的SPI接口工作在從模式下，PIC16F877需要選用一個(gè)普通I/O口（這里是RB4）與PIC16F873的SPI通信控制端RA4/SS相連，控制SI通信的發(fā)起與結(jié)束，如圖3所示。每次通信都是由PIC16F877發(fā)起，PIC16F873響應(yīng)。

圖4

    電能計(jì)量模塊為單獨(dú)模塊，能夠測(cè)量供電線路的電壓、電流、功率、功率因數(shù)等參數(shù)，并具有標(biāo)準(zhǔn)的RS-485接口。為此，PIC16F873利用硬串口RC6/TX和RC7/RX，通過(guò)RS485接口變換，與電能計(jì)量模塊JP1相連。這里MAX485芯片作為485總線接口轉(zhuǎn)換芯片，用RC2作為RS-485總線通信輸入/輸出使能控制端，控制信號(hào)的讀入和送出。

2．4 交流接觸器控制與狀態(tài)保持

組群控制器的一項(xiàng)重要任務(wù)是通過(guò)固體繼電器SSR和交流接觸器實(shí)現(xiàn)照明線路供電控制。固體繼電器為DC3～24V輸入，AC220V輸出，其輸入由NPN型三極管9013驅(qū)動(dòng)。由于系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在各種干擾，若則相關(guān)引腳很可能會(huì)出現(xiàn)跳變信號(hào)或三態(tài)，造成交流接觸器誤動(dòng)作。因此“鎖定”復(fù)位前狀態(tài)，對(duì)保證系統(tǒng)可靠性非常重要。這里采用了由1個(gè)D觸發(fā)器、1個(gè)光耦、3個(gè)電阻和3個(gè)I/O引腳組成的采樣/保持電路，如圖4所示。D觸發(fā)器復(fù)位端R和置位端S分別接地，數(shù)據(jù)端D接CPU的數(shù)據(jù)控制端RE0，時(shí)鐘端CLK通過(guò)光耦TIP521接CPU的時(shí)鐘產(chǎn)生控制端RE1和RE2。保持電路的關(guān)鍵在于RE0、RE1、RE2單個(gè)引腳誤動(dòng)作無(wú)法產(chǎn)生有效時(shí)鐘和控制指令。即使CPU發(fā)生復(fù)位，由RC0腳讀回固態(tài)繼電器當(dāng)前工作狀態(tài)，并將RE0輸出（D觸發(fā)器輸入）置成該狀態(tài)，進(jìn)而保證SSR不產(chǎn)生誤動(dòng)作。電阻R32為上拉電阻，保證RE2出現(xiàn)三態(tài)時(shí)光耦不產(chǎn)生誤導(dǎo)通。電阻R33起限流作用。實(shí)際證明該電路是有效的。

圖5

    2．5 時(shí)鐘與控制策略

要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定時(shí)控制，系統(tǒng)時(shí)鐘和系統(tǒng)預(yù)存控制策略是關(guān)鍵。組群控制器采用DS1302時(shí)鐘芯片，為系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘。DS1302是一種帶備份電源的、8腳、具有I2C串行通信功能的高性能、低功耗時(shí)鐘芯片，提供秒、分、時(shí)、日、周、月、年日歷功能。I2C串行總線SCL和SDA分別需要一個(gè)上拉電阻。主微控制器PIC16F877采用硬件I2C接口（RC3/SCL和RC4/SDA）與DS1302通信，如圖5所示。組群控制器可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程時(shí)鐘校準(zhǔn)。

圖6

    組群控制器將每日控制策略時(shí)間表Table1、季節(jié)劃分時(shí)間表Table2、季節(jié)控制策略時(shí)間表Table3和節(jié)假日控制時(shí)間表Table4存儲(chǔ)在E2PROM 24C64中。24C64是容量為8KB、支持兩線的I2C串行通信、1000000次擦寫的E2PROM。主微控制器PIC16F877采用2個(gè)普通I/O口（RD1和RD2）模擬I2C串行總線，即實(shí)現(xiàn)軟件I2C總線接口。組群控制器根據(jù)讀得的日歷信息和時(shí)間信息，對(duì)照各種控制策略時(shí)間表，開(kāi)關(guān)燈及調(diào)光控制指令。

2．6 軟件實(shí)現(xiàn)

組群控制器軟件分為主微處理器軟件和從微處理器軟件。主微控制器一方面負(fù)責(zé)通過(guò)GSM與照明管理計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱上位機(jī)）通信，接收、解析和執(zhí)行上位機(jī)發(fā)來(lái)的各種命令，并將執(zhí)行結(jié)果發(fā)送給上位機(jī)；另一方面，主控制器在沒(méi)有GSM信息的情況下，完成其它一些任務(wù)，軟件流程圖如圖6所示。圖7給出了從微控制器軟件的簡(jiǎn)要流程圖。

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【關(guān)鍵詞】路燈管理；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；節(jié)能；數(shù)據(jù)加工

一、路燈節(jié)能設(shè)計(jì)原理

在照明節(jié)能設(shè)計(jì)過(guò)程中最應(yīng)該重視的問(wèn)題就是適度的照明。針對(duì)照明能源的利用，應(yīng)考慮到既能滿足工作生活的要求，又能達(dá)到節(jié)約能源的目的，從照明電路的更新方面實(shí)現(xiàn)節(jié)能，也只能是在前半夜控制路燈回路為全壓，在后半夜車稀人少時(shí)，適當(dāng)降低光源電壓或電流，減少在路燈系統(tǒng)能耗中占主要比例的光源能耗，以達(dá)到路燈系統(tǒng)整體節(jié)能的目的。這樣，不僅節(jié)約了電能，也不影響照度均勻度， 而且還能避免光源后半夜的過(guò)壓運(yùn)行，延長(zhǎng)了路燈壽命。由于路燈系統(tǒng)中往往外接公交站臺(tái)廣告燈箱。電話亭照明等，而這些照明因功率小，一般采用直管型熒光燈。緊湊型熒光燈，當(dāng)?shù)陀谡９ゎl電壓時(shí)，這些光源不能正常工作，所以不宜采用配電回路降壓。只能采取對(duì)每盞燈分別智能降壓或限流。本文提出一種節(jié)能控制方案，圖1示出該控制電路框圖。它包括時(shí)間預(yù)置及控制電路。降功率電感L1和時(shí)控開(kāi)關(guān)等。由時(shí)間控制電路根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時(shí)間去控制時(shí)控開(kāi)關(guān)的通斷，從而控制L1工作與否，使路燈功率下降，耗能降低，以達(dá)到節(jié)能的目的。

二 路燈節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系

本文所采用的系統(tǒng)，是運(yùn)用了高性能的32位芯片作為控制單元，并結(jié)合相應(yīng)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)微控制器來(lái)完成數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行單燈控制的目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)路燈系統(tǒng)節(jié)能控制的目的，就對(duì)控制軟件提出了要有靈活控制方式的要求。

路燈節(jié)能控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)分為服務(wù)器層、電控柜主節(jié)點(diǎn)層（中間層）和終端層三級(jí)結(jié)構(gòu)。是操作人員通過(guò)在終端計(jì)算機(jī)或其他控制設(shè)備上，將控制信息儲(chǔ)存在服務(wù)器中，并通過(guò)服務(wù)器，利用GPRS通訊技術(shù)將控制信息發(fā)送到分區(qū)的控制箱，再由控制箱通過(guò)ZigBee無(wú)線通信系統(tǒng)傳送信息到各單燈，并實(shí)現(xiàn)最終控制。

在終端部分，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將每盞路燈都嵌入了一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)通信模塊，以此作為路燈的核心控制部分，結(jié)構(gòu)的硬件設(shè)計(jì)和傳感網(wǎng)路燈控制協(xié)議均具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。系統(tǒng)中使用的控制器模塊小，性能好、能耗低、成本低廉，且具有易于安裝的特點(diǎn)，因而在實(shí)際操作過(guò)程中，有效提高了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，特別適合老城區(qū)的舊有路燈的改造。在中間層的構(gòu)建過(guò)程中，系統(tǒng)采用了32位的先進(jìn)芯片作為控制單元，并結(jié)合MC13211芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在通信技術(shù)上，系統(tǒng)提供了3G或2.5G技術(shù)供用戶進(jìn)行選擇，使用城市可以根據(jù)自身的實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

三 路燈節(jié)能控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

1 軟件設(shè)計(jì)中的問(wèn)題

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系中，中間層和終端層的基本功能實(shí)現(xiàn)，主要依靠硬件體系進(jìn)行保障，而處于體系最頂層的服務(wù)器層，則需要Web軟件實(shí)現(xiàn)低端層與用戶進(jìn)行交互連接。為保障用戶與低端設(shè)備的連接，使下層設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的功能與其相適應(yīng)，且為用戶的使用提供更大的便捷性，這就需要系統(tǒng)能夠提供一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)站，保證系統(tǒng)具有足夠的交互能力，從而使用戶能夠獲得系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和信息，并且對(duì)故障的發(fā)生，擁有強(qiáng)大的查詢分析功能。

在這一目標(biāo)的要求下，軟件設(shè)計(jì)過(guò)程就要對(duì)以下問(wèn)題進(jìn)行考慮：第一，軟件應(yīng)該能夠提供多種控制方式，來(lái)對(duì)路燈進(jìn)行靈活控制，根據(jù)時(shí)間、天氣、經(jīng)緯度等因素進(jìn)行靈活控制，在保證地面有效光照的情況下，進(jìn)行相應(yīng)的節(jié)能，從而挖掘出城市照明潛藏著的巨大節(jié)能潛力；第二，由于智能化管理系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，要使用戶能夠有效的對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行查找比對(duì)，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，這是該軟件設(shè)計(jì)能否成功的關(guān)鍵所在；第三，該系統(tǒng)應(yīng)該具有很好的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸能力，從而保證終端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息能夠第一時(shí)間反應(yīng)到管理層；第四，系統(tǒng)要有很好的可靠性，以避免出現(xiàn)因系統(tǒng)故障造成的各種不良影響，如白天亮燈或夜間突然滅燈等意外情況。

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)

Web數(shù)據(jù)庫(kù)的系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用低廉，其更新過(guò)程不涉及用戶的使用，從而有效簡(jiǎn)化的用戶的使用與管理過(guò)程，能夠?qū)⑷到y(tǒng)的管理與維護(hù)集中到服務(wù)器上，從而有效的提高了數(shù)據(jù)庫(kù)的擴(kuò)展與可維護(hù)性，提高了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行水平。

3 軟件建設(shè)中運(yùn)用的主要技術(shù)

在路燈節(jié)能控制軟件的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員采用了Web技術(shù)中的Ajax技術(shù)，通過(guò)該技術(shù)的有效運(yùn)用，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)頁(yè)界面無(wú)閃自動(dòng)局部刷新功能，便于工作人員及時(shí)掌握系統(tǒng)運(yùn)行中的最新情況，以便及時(shí)采取相應(yīng)措施，保證路燈系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)起到節(jié)能的效果。采用了Session技術(shù)進(jìn)行會(huì)話存儲(chǔ)，以保證頁(yè)面在進(jìn)行跳轉(zhuǎn)時(shí)，不會(huì)發(fā)生信息丟失的狀況。采用Cookie技術(shù)對(duì)用戶的登錄信息進(jìn)行儲(chǔ)存，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)登錄，提高系統(tǒng)工作效率。系統(tǒng)提供了自動(dòng)刪除過(guò)期數(shù)據(jù)的功能，以保證數(shù)據(jù)庫(kù)不會(huì)因?yàn)槲募^(guò)多造成崩潰。刪除時(shí)限由用戶進(jìn)行制定。

4 軟件實(shí)現(xiàn)

軟件的實(shí)現(xiàn)主要是通過(guò)通信模塊和人機(jī)交互界面兩個(gè)部分構(gòu)成。

在通信模塊上，設(shè)計(jì)者將其分為兩個(gè)部分。第一部分是作為高低端通信接口使用，這一部分采用TCP通信技術(shù)，通過(guò)定時(shí)器對(duì)相關(guān)表進(jìn)行掃描，有信息指令則會(huì)發(fā)送至低端，并通過(guò)相關(guān)技術(shù)對(duì)TCP口進(jìn)行偵聽(tīng)，對(duì)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析分類處理。

在人機(jī)交互界面上，由于系統(tǒng)需要處理的功能較為復(fù)雜，其軟件體系選擇了Microsoft Visual Studio2005與Internet信息服務(wù)與SQL Server 2005模式進(jìn)行結(jié)合，并將界面分為登錄模塊、控制模塊和故障處理模塊。

登錄模塊負(fù)責(zé)用戶的登陸管理，在用戶登錄相關(guān)信息后，服務(wù)器將會(huì)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)用戶表進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證通過(guò)即會(huì)允許用戶登錄，并進(jìn)行相關(guān)記錄；如果不能通過(guò)，則會(huì)拒絕信息。

四 路燈節(jié)能控制系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果

針對(duì)不同的程序可以產(chǎn)生不同的節(jié)能效果，如果按照平均每天的路燈照明時(shí)間為11個(gè)小時(shí)，前5個(gè)小時(shí)處于額外功率照明狀態(tài)，而后面6個(gè)小時(shí)應(yīng)該處于節(jié)能照明狀態(tài)。通過(guò)對(duì)不同功率的光源進(jìn)行分析，得出不同的節(jié)能效果。對(duì)比如表1所示。通過(guò)對(duì)比可以看出，選擇適當(dāng)?shù)腖1，不同功率的光源節(jié)能效果幾乎沒(méi)有影響。選用大功率的電子鎮(zhèn)流器，能夠有效地提高節(jié)能效果。并且也會(huì)相應(yīng)提高功率。

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關(guān)鍵詞：HID前照燈；電子鎮(zhèn)流器；倍壓整流

引言

高強(qiáng)度氣體放電(High Intensity Discharge，HID)燈屬于新一代節(jié)能燈，已廣泛應(yīng)用于交通、市政、工廠等照明中。汽車高強(qiáng)度氣體放電前照燈具有高光效、顯色性好、長(zhǎng)壽命等諸多優(yōu)點(diǎn)，已得到各國(guó)汽車行業(yè)的高度重視。

大多數(shù)電子鎮(zhèn)流器都由一個(gè)直流變換器將額定12V的直流電壓升壓，再由逆變電路為燈提供交流電，以避免單側(cè)電極的過(guò)度燒損。前級(jí)的效率直接影響到系統(tǒng)的效率，因此，必須合理設(shè)計(jì)升壓直流環(huán)節(jié)。因?yàn)槠嚽罢諢粢罂焖賳?dòng)和熱燈的快速瞬間啟動(dòng)。冷燈啟動(dòng)所需的啟動(dòng)電壓一般大于13kV，熄滅后重新啟動(dòng)的燈所需的啟動(dòng)電壓需高達(dá)23kV。因此HID前照燈啟動(dòng)電路的輸出電壓應(yīng)有足夠的幅值和寬度，且電壓范圍要寬。

本文提出了一種新型啟動(dòng)電路，并采用了電流積分作為識(shí)別冷熱啟動(dòng)的判據(jù)，可靠地實(shí)現(xiàn)了快速點(diǎn)燈并延長(zhǎng)了燈的使用壽命。

常用高壓?jiǎn)?dòng)電路比較

啟動(dòng)期間，電子鎮(zhèn)流器要經(jīng)歷高壓擊穿、電流接續(xù)、預(yù)熱維弧3個(gè)階段。高壓?jiǎn)?dòng)電路是HID前照燈能否瞬間點(diǎn)亮的基礎(chǔ)。但輝光放電后慣性和濾波延遲使直流變換器和檢測(cè)回路很難有較快的響應(yīng)速度，所以需要如圖1所示的電流接續(xù)(take－over)電路，它可利用電容預(yù)先儲(chǔ)存的能量為燈提供一個(gè)較大的瞬間電流(約300gs)，保證輝弧可靠過(guò)渡。一般高壓發(fā)生電路有以下幾種：

單級(jí)升壓電路

此電路一般要求匝數(shù)比很高。因高壓線圈流過(guò)燈電流，所用導(dǎo)線不能太細(xì)，這樣會(huì)使高壓變壓器體積增大。采用并聯(lián)方式可將高壓側(cè)線圈導(dǎo)線做得較細(xì)，但燈需串聯(lián)另外的鎮(zhèn)流電感，這樣，鎮(zhèn)流器系統(tǒng)的體積也會(huì)很大。

雙級(jí)升壓電路

采用此電路，在產(chǎn)生高壓的同時(shí)，高壓側(cè)繞組起到鎮(zhèn)流電感的作用，可降低系統(tǒng)的體積和重量，如圖2和圖3所示。圖2和圖3的區(qū)別在于，前者采用了兩級(jí)變壓器，體積較大，圖3電路只用了一個(gè)升壓變壓器，但前級(jí)采用了倍壓整流電路，可降低變壓器的匝數(shù)比，不會(huì)增加變壓器的體積。圖4是我們采用的電路，由于只有一級(jí)變壓器，體積大大減小。

高壓?jiǎn)?dòng)電路原理分析

在倍壓整流電路中，因變壓器的副邊兩個(gè)方向的電流通路都存在，此時(shí)flyback部分電路不再是一個(gè)反激變換器。在啟動(dòng)階段，控制程序?qū)θ珮蚰孀冸娐返哪妇€電容cl的端電壓，也就是后級(jí)H橋的母線電壓進(jìn)行400V恒壓閉環(huán)。倍壓整流輸出電壓1200V通過(guò)R1和R2對(duì)電容cc充電，cc段電壓逐漸升高。如其端電壓能達(dá)到600 V，放電管擊穿，cc放電，能量耦合到副邊，產(chǎn)生高壓。如倍壓整流輸出電壓不夠高，則會(huì)因R1、R2和R3的分壓，在與cc并聯(lián)的電阻上的分壓小于600V，不能擊穿放電管。即使倍壓整流的電壓足夠高，如果R3相對(duì)于RI+R2的比例不夠大，也不能產(chǎn)生600V的擊穿電壓。

一旦Cc的端電壓使放電管擊穿，將cc中的能量轉(zhuǎn)移到高壓變壓器的副邊，在燈端產(chǎn)生高壓，其電壓值由變壓器副邊的電感和電容、燈狀態(tài)及壓敏電阻和線路電阻所構(gòu)成回路的時(shí)間常數(shù)決定。

啟動(dòng)階段的控制

為了可靠實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)，控制器通過(guò)400 V恒壓閉環(huán)控制為cc和電流接續(xù)電容快速充電，此電壓如選得太低可造成啟動(dòng)緩慢，或啟動(dòng)后電路的能量不夠，啟動(dòng)則失敗。為了避免單側(cè)電極過(guò)度燒損，必須避免每次都從單側(cè)電極打火。程序中設(shè)定了一段啟動(dòng)方向隨機(jī)選擇子程序。.

在電壓閉環(huán)控制的同時(shí)，程序不斷檢測(cè)電流，一旦電流達(dá)到設(shè)定值就確認(rèn)啟動(dòng)成功，進(jìn)入維弧預(yù)熱子程序(Warm―up)階段。此階段時(shí)間為tpre，主要任務(wù)是維弧預(yù)熱，為防止直流點(diǎn)燈造成單側(cè)電極過(guò)度燒損及高頻交流下過(guò)零點(diǎn)熄弧，本文采用了一種電流積分的方式實(shí)現(xiàn)低頻交流方波。電流積分須滿足，之間，每次中斷發(fā)生后將電流取樣值加和，一旦加和達(dá)到設(shè)定值，將加和清零并翻轉(zhuǎn)逆變橋切換到下一半波。重復(fù)上述過(guò)程，直到半波結(jié)束，進(jìn)入功率遞減過(guò)渡階段。這樣控制的優(yōu)點(diǎn)是：可自動(dòng)識(shí)別點(diǎn)燈溫度，為后續(xù)控制提供初始依據(jù)。

高壓發(fā)生電路實(shí)驗(yàn)及波形

圖5采用3倍壓整流電路，放電管的額定擊穿電壓為600V，高壓包的匝數(shù)比1：50，放電管擊穿電壓為600V。實(shí)驗(yàn)波形見(jiàn)圖6。

開(kāi)關(guān)實(shí)驗(yàn)是為驗(yàn)證這套電路和控制策略的可靠性編制一套可編程控制器(PLC)程序，用于測(cè)試電子鎮(zhèn)流器的開(kāi)關(guān)可靠性。開(kāi)關(guān)實(shí)驗(yàn)3小時(shí)，共計(jì)4萬(wàn)次開(kāi)關(guān)，均可靠啟動(dòng)。

篇6

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；ZigBee；GPRS；路燈監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）06-00-02

0 引 言

路燈照明系統(tǒng)在城市化進(jìn)程中發(fā)揮著重要的作用，它是每個(gè)城市發(fā)展過(guò)程中不可或缺的重要組成部分。傳統(tǒng)的路燈系統(tǒng)控制單純依靠人工現(xiàn)場(chǎng)完成，供電情況、短路跳閘、電流電壓等路燈運(yùn)行過(guò)程中的重要參數(shù)無(wú)法實(shí)時(shí)獲悉，每個(gè)路燈定時(shí)器無(wú)法實(shí)現(xiàn)開(kāi)燈和關(guān)燈時(shí)間自動(dòng)控制，在暴雨等極端特殊天氣情況下，因控制手段單一，不能滿足路燈智能控制需求，造成監(jiān)控效率低、照明時(shí)間更新滯后、維護(hù)不及時(shí)等現(xiàn)象發(fā)生[1]。另外，我國(guó)城市路燈照明系統(tǒng)用電量巨大，約占每個(gè)城市用電量的十分之一左右。城市后半夜車輛和行人稀少，對(duì)路燈照明需求下降，由于缺乏科學(xué)有效的亮度調(diào)解手段，城市過(guò)度照明和電力資源浪費(fèi)現(xiàn)象比較普遍[2]。

綜上所述，針對(duì)日益擴(kuò)大的城市照明需求，借助發(fā)展快速的無(wú)線監(jiān)控、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等技術(shù)解決目前城市路燈監(jiān)控中存在的操作效率低、資源浪費(fèi)等問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)城市照明系統(tǒng)智能控制和自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，成為城市道路照明領(lǐng)域一個(gè)急需解決的問(wèn)題。文章提出了一種基于ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，構(gòu)建了對(duì)城市路燈實(shí)時(shí)調(diào)整的無(wú)線智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)每一桿燈的實(shí)時(shí)定位和控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，安裝在各條道路的路燈集中控制器上作為客戶端，路燈的實(shí)時(shí)控制和運(yùn)行狀況監(jiān)控由服務(wù)器負(fù)責(zé)，服務(wù)器是智能監(jiān)控系統(tǒng)的核心[3]。服務(wù)器和客戶端之間的網(wǎng)絡(luò)傳輸采用GPRS網(wǎng)絡(luò)，路燈集中控制器和監(jiān)控管理中心之間的數(shù)據(jù)通信通過(guò)GPRS模塊實(shí)現(xiàn)，單燈節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信通過(guò)ZigBee無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)搭建了ZigBee技術(shù)、GPRS技術(shù)和Internet網(wǎng)絡(luò)之間的溝通橋梁，開(kāi)發(fā)了路燈智能監(jiān)控硬件和軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了路燈運(yùn)行狀態(tài)的即時(shí)監(jiān)控和實(shí)時(shí)控制。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)由單燈控制器、路燈集中控制器和監(jiān)控中心組成。

（1）單燈控制器：該控制器是一個(gè)ZigBee的無(wú)線接入點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置與路燈編號(hào)一一對(duì)應(yīng)的唯一的物理地址。單燈控制器接收從路燈集中控制器發(fā)送的指令，完成路燈調(diào)節(jié)、運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)等動(dòng)作[4]。

（2）路燈集中控制器：該控制器是智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)的樞紐，將STM32F303控制芯片編號(hào)后使用ZigBee和GPRS網(wǎng)絡(luò)與單燈控制器和監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信。

（3）監(jiān)控中心：監(jiān)控中心是整個(gè)路燈系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，監(jiān)控中心面向城市管理人員，可保證城市道路的路燈平穩(wěn)有序的運(yùn)行[5]。

2 單燈控制器設(shè)計(jì)

單燈控制器可監(jiān)控每個(gè)路燈的電壓、電流以及運(yùn)行狀態(tài)等，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)路燈存在的問(wèn)題，并依據(jù)惡劣天氣、擁堵時(shí)段、季節(jié)交替等不同情形對(duì)每個(gè)路燈進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)照明模式的多元化和智能化，進(jìn)一步提升城市照明系統(tǒng)的運(yùn)行效率，降低維護(hù)成本。

單燈控制器硬件由數(shù)據(jù)采集模塊、路燈控制模塊、無(wú)線信號(hào)傳輸模塊、指令執(zhí)行模塊和供電模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)將現(xiàn)場(chǎng)采集的模擬信號(hào)通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并發(fā)送到路燈控制模塊；路燈控制模塊對(duì)傳送過(guò)來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的控制方案確定路燈操作策略，發(fā)送路燈亮度調(diào)解、開(kāi)關(guān)等操作指令；無(wú)線信號(hào)傳輸模塊與其它傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸和信號(hào)交換控制采用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)；供電模塊采用輕型化、大容量電池給其他硬件模塊和傳感器節(jié)點(diǎn)提供電能。

根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)和單燈控制器的功能要求，路燈控制模塊選用具有現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、支持各種復(fù)雜控制技術(shù)以及實(shí)時(shí)控制技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)的可編程邏輯器件FPGA，其語(yǔ)言支持以及高速并行運(yùn)行特性為路燈控制模塊的實(shí)現(xiàn)提供了重要支撐。ZigBee無(wú)線通信模塊選用Chipcon As公司2.4 GHz射頻芯片CC2420，滿足了低成本通信要求。

由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量較大，為了便于操作，協(xié)調(diào)器、路由和終端節(jié)點(diǎn)的識(shí)別全部交由監(jiān)控中心軟件實(shí)現(xiàn)。硬件方面除了協(xié)調(diào)器具有通用異步收發(fā)接口UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART）外，其他都是相同的。各節(jié)點(diǎn)微控制器MCU（Microcontroller Uint，MCU）均采用TI公司的2.4 G射頻芯片CC2530，該芯片支持專有802.15.4市場(chǎng)及ZigBee標(biāo)準(zhǔn)。路端單燈測(cè)控器的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 路燈集中控制器設(shè)計(jì)

路燈集中控制器處在單燈控制器和監(jiān)控中心之間，是城市照明系統(tǒng)的運(yùn)行狀況獲取、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)控制的樞紐，是城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。路燈集中控制器負(fù)責(zé)將獲取的電流、電壓等路燈運(yùn)行狀態(tài)信息傳送到監(jiān)控中心，接收監(jiān)控中心發(fā)送來(lái)的參數(shù)信息、路燈調(diào)節(jié)命令，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)對(duì)城市路燈進(jìn)行參數(shù)設(shè)定或?qū)崟r(shí)調(diào)整，保證監(jiān)控中心對(duì)智能路燈系統(tǒng)的監(jiān)控和管理。

路燈集中控制器將GPRS無(wú)線通信模塊、電參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊、調(diào)試電路以及單燈通信的ZigBee無(wú)線通信模塊等集成到嵌入式微控制器STM32F303中。路燈集中控制器的模塊框圖如圖3所示，GPRS無(wú)線通信模塊、ZigBee無(wú)線通信模塊與STM32F303之間的數(shù)據(jù)交換通過(guò)串行口電路實(shí)現(xiàn)，電參數(shù)測(cè)量模塊采用三相電能芯片通過(guò)SPI總線與STM32F303進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

4 監(jiān)控中心軟件的實(shí)現(xiàn)

監(jiān)控中心軟件對(duì)道路兩旁的路燈進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)傳輸采用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和GPRS/Internet網(wǎng)絡(luò)，一方面接收來(lái)自路燈集中控制器發(fā)送的電參數(shù)、運(yùn)行狀況等數(shù)據(jù)信息，完成對(duì)狀態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)的保存或顯示等操作；另一方面向路燈控制器發(fā)送即時(shí)的狀態(tài)調(diào)整和路燈控制命令。監(jiān)控中心和路燈集中控制器之間通過(guò)GPRS無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)相連，路燈數(shù)據(jù)采集、開(kāi)關(guān)、事故報(bào)警等功能通過(guò)監(jiān)控中心軟件對(duì)路燈集中控制器參數(shù)的設(shè)定來(lái)實(shí)現(xiàn)。

監(jiān)控中心是智能監(jiān)控系統(tǒng)和城市路燈管理人員交互的接口，是監(jiān)控系統(tǒng)管理的核心。監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)界面簡(jiǎn)潔，操作方便，管理人員使用簡(jiǎn)單的按鍵即可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)路燈系統(tǒng)的管理和維護(hù)。監(jiān)控中心主要的功能如下：

（1）保存城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)中路燈狀態(tài)配置信息，構(gòu)建保存路燈集中控制器和單燈控制器的位置信息、路燈調(diào)整措施等數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

（2）使用GPRS無(wú)線通信模塊和ZigBee無(wú)線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)城市路燈運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，有效統(tǒng)計(jì)安裝在路燈上的各類控制器的運(yùn)行狀況，并自動(dòng)生成匯總數(shù)據(jù)。

（3）根據(jù)不同條件完成對(duì)范圍內(nèi)每個(gè)或者每組路燈的亮度調(diào)節(jié)和開(kāi)關(guān)控制。

數(shù)據(jù)處理模塊后臺(tái)采用SQL Server 2014數(shù)據(jù)庫(kù)，主要存儲(chǔ)從路燈集中控制器獲取的電參數(shù)、開(kāi)關(guān)策略、錯(cuò)誤信息等數(shù)據(jù)，方便路燈管理人員把握路燈系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，快速獲取故障信息。網(wǎng)絡(luò)通信模塊通過(guò)查詢和控制命令的收發(fā)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的收集和路燈遙控功能。監(jiān)控中心軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著我國(guó)城市的擴(kuò)容和改造，城市照明實(shí)時(shí)控制和節(jié)能等問(wèn)題受到了越來(lái)越多的關(guān)注，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到城市照明監(jiān)控系統(tǒng)中可以實(shí)時(shí)檢測(cè)并控制城市照明設(shè)施狀態(tài)，使得照明設(shè)施便于維修和管理，維護(hù)照明設(shè)施所需的人力和物力成本大幅減少。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，智能控制在環(huán)境保護(hù)、交通運(yùn)輸、食品安全以及數(shù)字家居等領(lǐng)域的應(yīng)用將越來(lái)越普遍，智慧城市將變成現(xiàn)實(shí)。

參考文獻(xiàn)

[1]張立新，楊程.一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].寧夏工程技術(shù)，2014，13（3）：234-237.

[2]馬玉波，張培劍.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能城市（照明）管理系統(tǒng)[J].信息技術(shù)與信息化，2014（1）：49-52，58.

[3]左才松，鄒旭晃，鄧太平.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].湖南城市學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，22（4）：54-58.

篇7

關(guān)鍵詞：LED路燈；智能監(jiān)控；軟件設(shè)計(jì)；無(wú)線

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）34-8271-04

《“十二五”城市綠色照明規(guī)劃綱要》指出雖然全國(guó)各地都在積極推行城市綠色照明，加強(qiáng)節(jié)能管理，并取得明顯發(fā)展。但是城市綠色照明工作還處于起步階段，仍存在城市照明質(zhì)量和節(jié)能缺乏有效的監(jiān)管，無(wú)法達(dá)到國(guó)家的節(jié)能減排要求，管理方式比較粗放，大都采用人工方式，缺少精細(xì)化管理，城市綠色照明發(fā)展的體制機(jī)制還不完善，存在薄弱環(huán)節(jié)，發(fā)展不平衡等問(wèn)題[1].

在城市照明用電中，路燈占有相當(dāng)?shù)姆蓊~。由于路燈工作時(shí)間長(zhǎng)，耗能非常大，因此同樣需要開(kāi)展綠色照明工作。與《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》CJJ45-2006規(guī)定的高壓鈉燈、金屬鹵化物燈、緊湊型或細(xì)管徑熒光燈等傳統(tǒng)路燈相比，作為本世紀(jì)新型光源的LED燈具有節(jié)能、環(huán)保、長(zhǎng)壽等優(yōu)點(diǎn)，可選用作為道路照明用光源，已開(kāi)始在道路上獲得應(yīng)用，是未來(lái)路燈發(fā)展的趨勢(shì)[2]。目前，勤上光電股份有限公司、四川新力光源有限公司、孝感市捷能特種光源照明器等眾多國(guó)內(nèi)公司紛紛致力于該領(lǐng)域，從事LED燈的研發(fā)和推廣。

如何建立有效的LED路燈監(jiān)控系統(tǒng)是路燈節(jié)能的一個(gè)重要方面，它可以實(shí)時(shí)控制LED路燈的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，收集LED路燈各個(gè)具體參數(shù)，定量描述路燈運(yùn)行的狀況（如故障率、溫度、開(kāi)關(guān)狀況等），是路燈節(jié)能工作的重要基礎(chǔ)[3]。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較多的節(jié)能設(shè)備當(dāng)屬高壓鈉燈的電壓調(diào)節(jié)設(shè)備。由于高壓鈉燈消耗的電能和電壓可以用方程式來(lái)表示，因此降低高壓鈉燈的電壓可以降低消耗的電能，但是高壓鈉燈的能耗仍然較高。

總之，我國(guó)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展還處于發(fā)展階段，大部分城市路燈的開(kāi)、關(guān)控制仍由變壓器分散控制，統(tǒng)一性差，故障率高，且由于沒(méi)有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和通訊功能，無(wú)法實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控，且大部分城市仍是延用傳統(tǒng)的以鐘控、人工控制為主的管理系統(tǒng)，存在以下問(wèn)題：系統(tǒng)復(fù)雜，難以統(tǒng)一管理；燈光系統(tǒng)覆蓋面廣，維護(hù)困難，維護(hù)力量嚴(yán)重不足，疲于應(yīng)付；開(kāi)關(guān)控制效率低，用電浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重；存在安全隱患，無(wú)法快速掌握運(yùn)行狀態(tài)，安全無(wú)保障，統(tǒng)計(jì)困難。因此，利用無(wú)線方式來(lái)采集信息的思想越來(lái)越受到人們的關(guān)注。目前國(guó)外大多采用的是WLAN、 CDMA/GSM等網(wǎng)絡(luò)，但其組網(wǎng)受限制、運(yùn)行成本相當(dāng)高。隨著無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行LED路燈監(jiān)控成為新的課題[4]。因此結(jié)合無(wú)線傳感網(wǎng)和LED路燈，研究基于無(wú)線傳感網(wǎng)的無(wú)線LED路燈監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)監(jiān)控中心上的智能監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理，確保高效穩(wěn)定，全天候運(yùn)行，監(jiān)控不必要的“全夜燈照明”，有效節(jié)約電能消耗。對(duì)于城市公共照明系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，采用智能化的管理系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約、減少資源浪費(fèi)、滿足人們生活要求、顯示現(xiàn)代化城市靚麗風(fēng)景的科學(xué)解決方案。

1 路燈監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

LED路燈監(jiān)控系統(tǒng)包括Zigbee路燈控制器、子網(wǎng)控制器和監(jiān)控中心三個(gè)部分組成[4]。

Zigbee路燈控制器控制路燈開(kāi)關(guān)（最多可單獨(dú)控制9路燈）、亮度調(diào)節(jié)、電流采集、溫度采集、開(kāi)關(guān)狀態(tài)采集、電壓采集等。Zigbee路燈控制器分為模塊式（內(nèi)置燈具中）和外掛式（可內(nèi)置燈桿中），可分別滿足路燈企業(yè)和工程企業(yè)的使用需求。

子網(wǎng)管理器接收和發(fā)送子網(wǎng)內(nèi)的所有路燈控制信號(hào)、數(shù)據(jù)記錄、報(bào)警處理等。它負(fù)責(zé)監(jiān)控子網(wǎng)內(nèi)的Zigbee路燈控制器運(yùn)行，將監(jiān)控中心的命令下達(dá)給Zigbee路燈控制器，將Zigbee路燈控制器及線路信息反饋監(jiān)控中心。子網(wǎng)控制器處于監(jiān)控中心和各子網(wǎng)內(nèi)Zigbee路燈控制器的中間，向上通過(guò)485、RS232等方式同系統(tǒng)中心通信。向下則是通過(guò)ZigBee通訊協(xié)議方式，同各個(gè)路燈控制器通信，無(wú)需通訊費(fèi)用。

監(jiān)控中心主要實(shí)現(xiàn)對(duì)不同子網(wǎng)下的Zigbee路燈控制器進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問(wèn)和監(jiān)控，包括參數(shù)配置，監(jiān)控命令發(fā)送、現(xiàn)場(chǎng)燈具狀態(tài)收集等。當(dāng)該路段路燈監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生故障（包括：跳閘、電壓低限、電壓高限、電流低限、電流高限、白天亮燈、亮燈率低限、損壞、被盜）及時(shí)進(jìn)行反饋報(bào)警，特別是各路段亮燈率、白天亮燈報(bào)警、電流高限報(bào)警，不用派人巡查也能及時(shí)清楚該路段的工作情況，及時(shí)安排人手維護(hù)，既保證亮燈率和行車安全，還能夠根據(jù)路段日照和人車流量的變化設(shè)定路燈的照明時(shí)間和開(kāi)關(guān)，在滿足基本照明的前提下節(jié)約能耗。

2 智能監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

在無(wú)線LED路燈監(jiān)控系統(tǒng)中，智能監(jiān)控軟件是系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理，提供人機(jī)交互界面。因此以下介紹智能監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)。

2.1 功能需求

1） 自動(dòng)巡測(cè)功能：監(jiān)控中心可以自動(dòng)巡測(cè)每路路燈的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

2） 數(shù)據(jù)采集功能：采集電流電壓、電量、溫度等數(shù)據(jù)。

3） 控制功能：監(jiān)控中心可以隨意開(kāi)關(guān)任何一路路燈或開(kāi)關(guān)自定義群組的路燈。

4） 自動(dòng)控制功能：現(xiàn)場(chǎng)按預(yù)先設(shè)計(jì)好的時(shí)間計(jì)劃自動(dòng)調(diào)節(jié)路燈開(kāi)關(guān)時(shí)間。

5） 報(bào)警功能：將過(guò)去的巡邏式維護(hù)報(bào)警改為預(yù)防式等待報(bào)警，這樣監(jiān)控中心可以得到第一手資料從而進(jìn)行調(diào)度協(xié)調(diào)。故障出現(xiàn)后，監(jiān)控中心可以準(zhǔn)確獲取故障燈的位置信息，工作人員可以在最短時(shí)間內(nèi)趕到現(xiàn)場(chǎng)行維護(hù)。通過(guò)采集電力線的電流、電壓值，通知系統(tǒng)中心，從而進(jìn)行防盜處理。

6） 顯示功能：可以根據(jù)電子地圖上顯示每路路燈的開(kāi)關(guān)狀態(tài)及其它重要信息。

7） 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能：可對(duì)路燈安裝和時(shí)間、地點(diǎn)、運(yùn)行參數(shù)等用戶關(guān)心的信息進(jìn)行記錄存儲(chǔ)。

8） 數(shù)據(jù)查詢功能：監(jiān)控中心可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)查詢?nèi)我鈺r(shí)間段每路路燈數(shù)據(jù)信息。

9） 曲線功能：可以生成電流、電壓、功率因素、亮燈率、開(kāi)關(guān)時(shí)間的分析曲線。

10） 拓展功能：如調(diào)光監(jiān)控，配合LED調(diào)節(jié)燈光亮度，在不影響照明前提下，達(dá)到最大節(jié)能效果。系統(tǒng)可自由增減路燈控制器的數(shù)量；路燈控制器可以擴(kuò)展其它功能，配合其他節(jié)電監(jiān)控技術(shù)進(jìn)一步降低路燈能耗。

2.2 軟件整體框圖

如圖1所示，軟件采用Qt的圖形界面平臺(tái)和C++語(yǔ)言[5，6]分別編寫數(shù)據(jù)管理模塊、主界面模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、用戶管理模塊、通信管理模塊五個(gè)模塊，最終實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控軟件[7]。

2.2 軟件模塊功能

2.2.1 數(shù)據(jù)管理模塊

如圖2所示，數(shù)據(jù)管理模塊負(fù)責(zé)完成軟件中控制器模塊相關(guān)部署運(yùn)行數(shù)據(jù)（區(qū)域數(shù)據(jù)、街道數(shù)據(jù)、部署配置數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)兩種控制模塊數(shù)據(jù)）、用戶賬戶相關(guān)數(shù)據(jù)和通信配置相關(guān)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)的管理，并對(duì)其它模塊提供數(shù)據(jù)支付服務(wù)[7]。

如圖3所示，軟件采用繼承機(jī)制，設(shè)計(jì)DataItemBase抽象基類，并實(shí)現(xiàn)類型、部署信息、父對(duì)象等信息的申明，重新定義了獲取/設(shè)置類型函數(shù)，獲取/設(shè)置部署信息函數(shù)等函數(shù)。在抽象基類DataItemBase的基礎(chǔ)上，利用C++的多態(tài)性設(shè)計(jì)了區(qū)域數(shù)據(jù)類（Zone）、街道數(shù)據(jù)類（Street）和控制模塊數(shù)據(jù)類（Controller）。定義了各個(gè)對(duì)象和虛接口函數(shù)，實(shí)現(xiàn)控制模塊相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接口。

如圖4所示，軟件設(shè)計(jì)了用戶名、密碼、權(quán)限等用戶賬戶參數(shù)，并提供了用戶驗(yàn)證函數(shù)、權(quán)限驗(yàn)證函數(shù)、各個(gè)參數(shù)設(shè)置等多個(gè)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)用戶賬戶的管理。

通信配置相關(guān)數(shù)據(jù)主要考慮串口的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位和流控制等參數(shù)，提供串口數(shù)據(jù)發(fā)送和接收函數(shù)，能完成數(shù)據(jù)的通信任務(wù)。

整個(gè)數(shù)據(jù)管理模塊的數(shù)據(jù)在軟件開(kāi)始運(yùn)行時(shí)創(chuàng)建并初始化，具體數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊提供。在軟件運(yùn)行過(guò)程中，數(shù)據(jù)的任何改動(dòng)都將及時(shí)反饋給數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊。數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊尋找對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)項(xiàng)，并執(zhí)行數(shù)據(jù)的更新和添加等操作。

2.2.2 主界面模塊

主界面模塊負(fù)責(zé)與用戶的交互和界面維護(hù)的工作，其功能主要集中在運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示和處理用戶圖形化界面輸入兩個(gè)方面。按照系統(tǒng)需求，如圖5所示，主界面部分主要包括以下幾個(gè)組件：

街道與控制模塊管理組件主要提供用戶管理和查詢街道和控制模塊的圖形化接口。該組件從數(shù)據(jù)管理模塊獲取相關(guān)街道及控制模塊的部署信息，并按控制模塊的街道部署順序以樹(shù)形結(jié)構(gòu)顯示，同時(shí)提供指定街道與指定控制模塊的快速搜索功能。

地圖管理組件主要負(fù)責(zé)管理和顯示地圖信息、顯示部署在地圖指定位置的街道和控制模塊的圖形化數(shù)據(jù)信息，并負(fù)責(zé)用戶對(duì)顯示的圖形化數(shù)據(jù)信息進(jìn)行的交互工作。該組件同時(shí)還和街道與控制模塊管理組件進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)指定街道或控制模塊在地圖上的快速定位。

監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)區(qū)組件采用表格顯示方法，從數(shù)據(jù)管理模塊中獲取和顯示節(jié)點(diǎn)編碼、節(jié)點(diǎn)地址、電控箱編號(hào)、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、亮度、當(dāng)前電壓、當(dāng)前電流、當(dāng)前溫度等路燈控制器的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，方便用戶及時(shí)查看系統(tǒng)運(yùn)行狀況。

控制面板組件是用戶控制Zigbee路燈控制器的人機(jī)交互界面，針對(duì)于用戶選擇的不同（是否為控制模塊），進(jìn)行相關(guān)路燈控制選項(xiàng)的顯示。在用戶完成相關(guān)運(yùn)行選項(xiàng)配置后，控制面板組件將根據(jù)配置信息生成相應(yīng)的控制命令信息通過(guò)通信管理模塊發(fā)送給底層硬件，完成用戶對(duì)底層硬件的圖形化控制。

2.2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊

為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理和存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)管理模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)模塊互相協(xié)調(diào)運(yùn)行。如圖6所示，數(shù)據(jù)庫(kù)模塊在提供對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)操作的同時(shí)，還提供對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的顯示和簡(jiǎn)單分析功能。數(shù)據(jù)庫(kù)管理部分主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理模塊中街道、控制模塊的部署信息數(shù)據(jù)、系統(tǒng)運(yùn)行配置數(shù)據(jù)，如通信配置數(shù)據(jù)、用戶賬戶數(shù)據(jù)、控制模塊的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)的表創(chuàng)建、出庫(kù)、入庫(kù)、更新和添加等操作，并提供了各個(gè)操作接口，實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)管理模塊的互動(dòng)。數(shù)據(jù)曲線顯示和數(shù)據(jù)分析是使用戶對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的曲線顯示功能，同時(shí)提供給用戶簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)分析功能。曲線顯示和分析的數(shù)據(jù)來(lái)源就是軟件在運(yùn)行過(guò)程中存入數(shù)據(jù)庫(kù)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。軟件系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)庫(kù)為無(wú)服務(wù)免配置的Sqlite數(shù)據(jù)庫(kù)，以方便軟件的部署。

2.3.4 用戶管理模塊

用戶管理模塊提供了兩個(gè)人機(jī)交互界面――用戶的登入界面和管理員用戶設(shè)置界面，實(shí)現(xiàn)了用戶的圖形化操作。該模塊主要管理系統(tǒng)中的用戶賬戶，即主要實(shí)現(xiàn)用戶賬戶的創(chuàng)建、登入、修改和用戶賬戶權(quán)限范圍的設(shè)置、修改和管理。并防止未授權(quán)的用戶修改系統(tǒng)軟件，威脅系統(tǒng)的運(yùn)行[7]。

2.3.5 通信管理模塊

如圖7所示，通信管理模塊是軟件利用電腦的通信接口，實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)底層各個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)通信，從而實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)底層硬件的控制?？刂乒芾砟K主要負(fù)責(zé)對(duì)多種通信接口（如串口、以太網(wǎng)接口等）進(jìn)行配置和管理，以完成數(shù)據(jù)的正確通信。主界面中控制面板模塊根據(jù)用戶設(shè)置生成的命令字就是通過(guò)本通信管理模塊發(fā)送給底層硬件設(shè)備的。

通信控制管理模塊還負(fù)責(zé)接收底層設(shè)備發(fā)送的各種控制器狀態(tài)反饋信息數(shù)據(jù)，其還設(shè)有數(shù)據(jù)解析模塊對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并通過(guò)與數(shù)據(jù)管理模塊的接口完成相應(yīng)數(shù)據(jù)的更新工作。

4 設(shè)計(jì)效果圖

如圖8所示，軟件按照路燈的部署信息以街道à控制模塊的順序進(jìn)行樹(shù)形結(jié)構(gòu)的顯示。

如圖9所示，軟件為了方便用戶對(duì)特定控制器模塊或街道的定位，提供對(duì)兩個(gè)對(duì)象的快速查找功能和界面。

如圖10所示，軟件同時(shí)設(shè)置地圖定位功能，用戶查詢指定街道或控制模塊的同時(shí)在地圖管理模塊中定位該街道或控制模塊的位置。

如圖11所示，軟件為了便于較大地圖信息的瀏覽，設(shè)置有地圖導(dǎo)航工具欄，包括實(shí)現(xiàn)地圖縮放（zoom）、導(dǎo)航（navigation）等功能。

如圖12所示，軟件將收集的信息根據(jù)表格型結(jié)構(gòu)顯示。

如圖13所示，控制面板組件根據(jù)當(dāng)前選擇的控制對(duì)象進(jìn)行相應(yīng)的控制選項(xiàng)的顯示。對(duì)于控制模塊對(duì)象，主要選項(xiàng)包括開(kāi)啟時(shí)間段設(shè)置、亮度設(shè)置，而對(duì)于街道對(duì)象，則包括節(jié)能控制策略的設(shè)置。

如圖14所示，左上角的系統(tǒng)配置菜單欄主要用來(lái)配置串口和波特率。左邊一欄是控制箱，允許存在多個(gè)控制器，單個(gè)控制器代表一個(gè)Zigbee路燈控制器。右邊的控制面板上對(duì)路燈控制器進(jìn)行控制，只要選擇當(dāng)前的亮度值再執(zhí)行即可。圖下面的監(jiān)控欄上顯示當(dāng)前路燈控制器的各個(gè)信息如節(jié)點(diǎn)編號(hào)、節(jié)點(diǎn)地址、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、幅度、亮度、電壓、電流和溫度等狀態(tài)?？刂泼姘迳线€預(yù)留了點(diǎn)亮?xí)r間段、街道查詢、控制模塊查詢等其它功能。

5 總結(jié)

針對(duì)無(wú)線LED路燈的智能控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了由數(shù)據(jù)管理模塊、主界面模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、用戶管理模塊和通信管理模塊五個(gè)模塊組成的無(wú)線LED路燈的智能監(jiān)控軟件。該軟件基于Qt圖形界面平臺(tái)，采用C++語(yǔ)言編寫完成。設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮了各個(gè)模塊間的依賴性關(guān)系，進(jìn)行了模塊化的解耦設(shè)計(jì)。軟件平臺(tái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和數(shù)據(jù)通信依賴很小，對(duì)于不同的路燈監(jiān)測(cè)應(yīng)用，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)呐渲煤驼{(diào)整即可投入使用，且具有較好的圖形化界面，通用性和可靠性。

參考文獻(xiàn)：

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篇8

關(guān)鍵詞 道路；照明；控制

1 道路照明常用的控制方法

1）定時(shí)控制：人工控制；定時(shí)鐘控制；微型計(jì)算機(jī)控制（路燈控制儀）；2）光電控制：光電控制器控制；3）光電控制與定時(shí)控制的結(jié)合：光電控制器+定時(shí)針，即微機(jī)光控路燈控制儀。

道路照明設(shè)備控制的運(yùn)行方式有：（1）并聯(lián)控制(又稱控制線控制)；（2）串聯(lián)控制(又稱串頂或末端頂控制)；（3）單電源控制；（4）無(wú)線控制。

上述4種控制的運(yùn)行方式中都可以選用人工控制、定時(shí)鐘控制、光電控制器控制及微型計(jì)算機(jī)控制中的任何一種控制器件或組合使用。

選用控制器件應(yīng)滿足：（1）抗電磁干擾能力強(qiáng)：如電源電壓有較大幅度的波動(dòng)或外界有電磁干擾時(shí)，能正常運(yùn)行；（2）能適應(yīng)運(yùn)行環(huán)境的溫差范圍大；（3）合理的控制道路照明的全年總?cè)键c(diǎn)小時(shí)數(shù)，達(dá)到合理控制年耗電量；（4）盡量避免在運(yùn)行中進(jìn)行調(diào)試，并盡可能使安裝與操作簡(jiǎn)便。

在選用控制的運(yùn)行方式時(shí)，應(yīng)盡可能達(dá)到：（1）控制范圍大，能通過(guò)控制線路執(zhí)行控制器件的多個(gè)指令；（2）除控制器件本身發(fā)生故障外，在局部控制線路發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)盡量縮小故障范圍；（3）控制系統(tǒng)的運(yùn)行方式，盡量不受電源電壓波動(dòng)的影響；（4）投資合理，運(yùn)行維護(hù)量小。

2 控制用器件

2.1 SDK-2型石英電力定時(shí)控制器(簡(jiǎn)稱定時(shí)鐘)

SDK-2型定時(shí)鐘適用于常年不變啟閉時(shí)刻的路燈控制，如半夜燈的啟閉。其技術(shù)數(shù)據(jù)：

1）控制電流：0.5A或5A；

2）工作電源：DC1.5V（5A的還需用AC220V）；

3）極限工作溫度：一10℃～+50℃；

4）最小控制時(shí)段：1.5h。

2.2 光電控制器

光電檢測(cè)元件(硅光電池)將光強(qiáng)弱的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的變化。如夜幕降臨時(shí)，天慢慢的黑下來(lái)，光電檢測(cè)元件所檢測(cè)到數(shù)毫伏的電信號(hào)，經(jīng)放大器和比較器輸出開(kāi)燈信號(hào)，并經(jīng)抗干擾延時(shí)，再作用到輸出繼電器，點(diǎn)燃路燈。

次日拂曉，光電信號(hào)逐漸增強(qiáng)，當(dāng)達(dá)到大于關(guān)燈給定值時(shí)，比較器就輸出關(guān)燈信號(hào)，經(jīng)抗干擾延時(shí)，作用到輸出繼電器，熄滅路燈。

光電控制器的技術(shù)數(shù)據(jù)：

1）可調(diào)光控范圍：0.4～2LX；

2）控制容量：AC220V，3A；

3）開(kāi)關(guān)燈延時(shí)：約30s，開(kāi)關(guān)燈給定切換延時(shí)大于15min；

4）工作電源：AC220V，50Hz；

5）工作環(huán)境溫度：15℃～+45℃。

3 開(kāi)關(guān)設(shè)備

3.1 HRD型路燈刀閘

HRD是單刀路燈刀閘，它是刀閘與熔斷器的結(jié)合體HRD。既可裝在道路照明的電源控制箱內(nèi)，也可裝在線路上作分支保險(xiǎn)使用。為保證HRD。路燈刀閘在室外使用的壽命，各部螺絲、螺母均應(yīng)用銅材或不銹鋼材料制成。

安裝時(shí)，電源接在刀閘側(cè)，負(fù)荷接在熔斷器的出口側(cè)。更換熔絲時(shí)，應(yīng)遵守低壓帶電操作法，但仍需斷開(kāi)刀閘。

3.2 開(kāi)關(guān)

城市道路照明或廠區(qū)道路、碼頭、港口的照明一般均是低壓供電，即電源側(cè)全天有電，道路照明電源的啟或閉，一般由自動(dòng)空氣開(kāi)關(guān)、交流接觸器、真空接觸器中的任選一種電器執(zhí)行。高壓供電一般采用斷路器。道路照明用電光源，正逐步由白熾燈向熒光高壓汞燈和高壓鈉燈過(guò)渡，燈泡功率向大瓦數(shù)發(fā)展，但汞燈、鈉燈的功率因數(shù)偏低，工作電流偏大，所以要求開(kāi)關(guān)有足夠的額定電流。

4 控制電路

在設(shè)計(jì)控制電路、控制運(yùn)行方式及選擇控制器件等一系列問(wèn)題時(shí)，必須從本地區(qū)的實(shí)際情況出發(fā)，并征詢供電部門的意見(jiàn)。道路照明控制電路的選擇，必須與其供電方式、控制運(yùn)行方式相結(jié)合。如北京、天津采用高壓供電方式，則選用計(jì)算機(jī)路燈控制儀控制電源的啟，閉為宜。低壓供電方式的控制器件的選用，如一個(gè)控制點(diǎn)能控制千盞燈左右的，宜用計(jì)算機(jī)光控路燈控制儀；如一個(gè)控制點(diǎn)僅能控制幾十盞燈左右(即一個(gè)控制器件控制一個(gè)電源點(diǎn))，宜用分式型路燈控制儀。選擇控制器件時(shí)應(yīng)考慮接線方便，盡量防止誤動(dòng)作及在控制器件失靈下便于改換成人工控制。

5 供電和控制的運(yùn)行方式

道路照明與美化城市和保證市民安全密切相關(guān)，因此為道路照明提供不問(wèn)斷電源，選擇可靠的供電方式和控制方式十分重要。

5.1 供電方式

我國(guó)的道路照明供電方式，一般有以下3種：

1）高壓供電

由變電所送出10kV線路專供道路照明用電源，如北京、天津、福州等城市。其主要優(yōu)點(diǎn)是：不受限電影響，供電可靠性好。白天線路無(wú)電，可減少變壓器空載損失。道路照明負(fù)荷較穩(wěn)定，故電壓波動(dòng)幅度小。在變壓器的二次出線沒(méi)有電度表箱等附屬設(shè)施時(shí)，大片滅燈的機(jī)率少。

高壓供電的缺點(diǎn)：三相供電負(fù)荷不能平衡，占用主變壓器的容量大。道路照明供電的10kV電纜線路是單相供電，由于電容電流影響，10kV母線電壓很難平衡。高壓供電的低壓照明線路在與民用低壓線路同桿同擔(dān)架設(shè)時(shí)易發(fā)生混線，并通過(guò)混線點(diǎn)將民用低壓電源經(jīng)低壓照明線路、照明專用變壓器，送至10kV路燈高壓線上，造成大面積著燈。新建工程一次性投資多。

2）低壓供電

由民用10kV線路帶的公用變壓器或照明專用變壓器作為道路照明用電源。這一供電方式是目前道路照明普遍采用的主要供電方式，其優(yōu)點(diǎn)是：不用架設(shè)專用10kV線路，因此工程小，投資省。其主要缺點(diǎn)是：（1）在不設(shè)專用變壓器并采用串聯(lián)控制時(shí)，往往照明低壓線路過(guò)長(zhǎng)，線路末端電壓過(guò)于偏低；（2）附屬設(shè)施多和受限電的影響，大片滅燈次數(shù)較多；（3）電壓波動(dòng)范圍較大；（4）在專設(shè)變壓器時(shí)，空載損失過(guò)大。

篇9

關(guān)鍵詞：路燈 節(jié)能 模糊控制

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）06（b）-0005-02

An Energy-saving Control System to Street Lamp Based on Sensor Networks

Li Xiaoguang Xiao Pingping

（Information College of Guanghua College of Changchun University，Jilin Changchun，130033）

Abstract：For the problems that the street running state and information was difficult to feedback and reasonable control，we apply the topology model to the street lighting management system，and complete the optimization control in this paper.Using the fuzzy control theory to handle the road signals，the intelligent lighting region controller integrates the thyristor chopper with the autotransformer technology，carries out the soft start and slow slope control to the street light，and realizes automatic voltage and energy saving.At finally，the system can realize the energy-saving control and intelligent，networked management of city street lamp.

Key Words：Lamp；Energy saving；Fuzzy control

路燈是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家建設(shè)中必需的用電設(shè)備，它在我國(guó)的整體用電量中所占比例巨大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2009年全國(guó)用電總量為36430億kW·h。而城市公共照明（主要是道路照明）大約占總用電量的10%左右，約為3643億kW·h。

由于道路照明控制過(guò)于簡(jiǎn)單，存在路燈運(yùn)行狀態(tài)、信息難以反饋和難以進(jìn)行合理控制等問(wèn)題，造成了區(qū)域不平衡供電和過(guò)度供電的現(xiàn)象（電壓過(guò)高或“全夜燈”現(xiàn)象），每年將造成幾百億度的電能浪費(fèi)，還極大地影響用電設(shè)備和燈具的使用壽命，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。尤其吉林省路燈過(guò)度供電的現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，路燈供電電壓平均在230～240 V之間，而且均為“全夜燈”，給吉林省能源和經(jīng)濟(jì)造成了極大的浪費(fèi)。本項(xiàng)目所開(kāi)發(fā)的基于傳感網(wǎng)的智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)是具有節(jié)能控制功能的道路照明管理系統(tǒng)，能對(duì)區(qū)域內(nèi)的路燈進(jìn)行自動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、照明控制及管理，自動(dòng)調(diào)整路燈在不同時(shí)間、不同交通流量下的耗電量，可解決路燈區(qū)域不平衡供電和過(guò)度供電造成的電能極大浪費(fèi)和燒毀燈具的難題。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本文所構(gòu)建的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路燈節(jié)能控制系統(tǒng)由路燈管理中心平臺(tái)、路燈區(qū)域控制器、傳感器節(jié)點(diǎn)組成[2]。路燈管理中心平臺(tái)負(fù)責(zé)所有信息的匯總、統(tǒng)計(jì)、分析和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域控制器節(jié)點(diǎn)的控制；路燈區(qū)域控制器（即分簇結(jié)構(gòu)中的簇頭節(jié)點(diǎn)）負(fù)責(zé)所轄路段路燈亮度的節(jié)能控制、解析執(zhí)行管理中心指令和采集、上報(bào)運(yùn)行數(shù)據(jù)。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)某段區(qū)域路燈的控制和狀態(tài)檢測(cè)。傳感器節(jié)點(diǎn)、路燈區(qū)域控制器和路燈管理中心之間采用Zigbee協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，傳感器節(jié)點(diǎn)與所轄區(qū)域內(nèi)各路燈之間采用電力線載波通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)由四個(gè)部分組成：數(shù)據(jù)采集模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊和能量供應(yīng)模塊[3]。如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集模塊由光敏、聲音傳感器進(jìn)行所轄區(qū)域內(nèi)光照、聲音信息的采集，并將采集的信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路變?yōu)槠渥優(yōu)檫m合傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)，傳送給微處理器模塊[4]；微處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)；無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，實(shí)現(xiàn)信息交換控制和數(shù)據(jù)收發(fā)[5]；電源模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，采用微型化、高容量的電池。

2.2 路燈區(qū)域控制器

路燈區(qū)域控制器的工作原理是光敏傳感器采集到所轄區(qū)域道路上的光照信號(hào)通過(guò)輸入智能控制器，實(shí)現(xiàn)所轄路段路燈的開(kāi)啟和關(guān)閉[6]。道路上的人車流量通過(guò)聲音傳感器輸入智能控制器，通過(guò)模糊控制算法進(jìn)行實(shí)時(shí)處理后，利用晶閘管的移相控制原理，根據(jù)時(shí)間和車流量對(duì)三相交流調(diào)壓電路中晶閘管的導(dǎo)通角進(jìn)行控制，進(jìn)而改變照明電路的輸出電壓，達(dá)到平衡供電，實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制的目的[7]?？刂圃韀8]如圖3所示。

同步信號(hào)采樣電路是按照三相交流調(diào)壓電路的控制規(guī)律要求，為晶閘管的移相觸發(fā)電路提供同步信號(hào)；移相觸發(fā)脈沖電路根據(jù)觸發(fā)角指令的要求，結(jié)合同步信號(hào)，來(lái)控制三相交流調(diào)壓電路中晶閘管的導(dǎo)通角來(lái)決定路燈輸出電壓的大?。恢悄芸刂破髯鳛檎紫到y(tǒng)的核心部分，其控制方式選取的為模糊控制算法，采集的光信號(hào)與聲音信號(hào)通過(guò)放大、轉(zhuǎn)換后輸入到控制器的微處理器中，通過(guò)模糊控制的方式將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理比對(duì)，選取最優(yōu)化的控制信號(hào)加以輸出?？勺冸娍蛊魇怯脕?lái)隔離高壓和低壓，將電抗器的高壓側(cè)與路燈相連，在電抗器中增加二次繞組作為低壓側(cè)，將二次繞組與晶閘管和具有模糊控制算法的控制系統(tǒng)相連。當(dāng)晶閘管控制角的發(fā)生變化時(shí)，電抗器低壓側(cè)和高壓側(cè)的電壓大小也隨之改變，進(jìn)而使得路燈的端電壓發(fā)生變化，改變路燈的照明亮度，以實(shí)現(xiàn)路燈的軟起動(dòng)和調(diào)壓節(jié)能。路燈區(qū)域控制器還對(duì)三相電流的不平衡情況進(jìn)行監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)三相不平衡保護(hù)和缺相保護(hù)，通過(guò)對(duì)負(fù)載端電壓的反饋、比較，實(shí)現(xiàn)電壓檢測(cè)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本測(cè)試工作的重點(diǎn)是圍繞利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，對(duì)溫濕度、光照強(qiáng)度、電壓信號(hào)等參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。

3.1 組建網(wǎng)絡(luò)

首先，根據(jù)設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的功能，預(yù)先對(duì)裝置編制好程序。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通過(guò)串口與PC機(jī)相連，可以在串口調(diào)試助手上觀察網(wǎng)絡(luò)組建時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果。協(xié)調(diào)器的功能是通過(guò)掃描搜索，以發(fā)現(xiàn)一個(gè)未用的信道來(lái)啟動(dòng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器上電后建立起ZigBee網(wǎng)絡(luò)，路燈節(jié)能控制系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)各節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，各節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)指示燈均亮起，表明組網(wǎng)成功。在采集管理界面中將傳感器節(jié)點(diǎn)逐漸加入到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)中，并在信息顯示窗口中顯示建網(wǎng)完成后，采集網(wǎng)絡(luò)建立完成，各采集器數(shù)據(jù)信息最終傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。

3.2 上位機(jī)顯示界面

為了系統(tǒng)調(diào)試的方便和水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可視化人機(jī)界面的可操作性，本系統(tǒng)在Microsoft Visual C++6.0環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)串口通信程序，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)上的實(shí)時(shí)顯示。

從圖4中可以看出，上位機(jī)界面主要由操作區(qū)、曲線顯示區(qū)、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)區(qū)三部分組成。

操作區(qū)：主要顯示當(dāng)前所使用的串口以及相應(yīng)的狀態(tài)，服務(wù)器狀態(tài)、工作情況、登陸網(wǎng)址等信息。

曲線顯示區(qū)：在曲線顯示區(qū)可查看所選用的傳感器模擬量變化的波形。

節(jié)點(diǎn)狀態(tài)區(qū)：實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中各傳感器所采集到的溫度、光強(qiáng)、氣體、路燈的數(shù)據(jù)信息。

4 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目構(gòu)建的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)，能對(duì)區(qū)域內(nèi)的路燈進(jìn)行自動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、照明控制及管理，自動(dòng)調(diào)整路燈在不同時(shí)間、不同交通流量下的耗電量，可解決路燈區(qū)域不平衡供電和過(guò)度供電造成的電能極大浪費(fèi)和燒毀燈具的難題。

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篇10

關(guān)鍵詞： ZigBee； 路燈； 微波雷達(dá)； 光照控制； 時(shí)間控制

中圖分類號(hào)： TN911?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）19?0029?04

0 引 言

隨著中國(guó)城市和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市路燈照明已經(jīng)成為展示城市魅力的名片和窗口，但是照明在帶來(lái)絢麗和方便的同時(shí)，也遇到了諸多問(wèn)題。據(jù)調(diào)查，我國(guó)小型城市在夜晚9點(diǎn)后，大中城市在午夜12點(diǎn)后，道路上行人非常稀少，即便是北京、上海、廣州這樣的繁華都市，凌晨2點(diǎn)以后，道路上也罕見(jiàn)行人、車輛。這時(shí)如果保持“恒照度”會(huì)造成資源的大量浪費(fèi)；另外后半夜是用電的低谷期，電力系統(tǒng)的電壓升高，路燈反而會(huì)更亮，而我國(guó)現(xiàn)行70%的道路照明使用的高壓鈉燈，此類電網(wǎng)電壓的波動(dòng)致使燈泡的實(shí)際使用壽命不超過(guò)1年，帶來(lái)了高額的維修費(fèi)和材料費(fèi)，并且系統(tǒng)難以及時(shí)反饋路燈運(yùn)行的故障信息，無(wú)法進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和處理，只能采取人工巡查方式。路燈控制系統(tǒng)從最初的開(kāi)關(guān)控制功能，逐漸演化到監(jiān)控節(jié)能控制功能，各種新技術(shù)被用于路燈監(jiān)控系統(tǒng)中。路燈控制方法有PLC控制，電力載波控制和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制等 [1?4]。從路燈控制系統(tǒng)的成本、可靠性、信息化、應(yīng)用前景等方面考慮，本設(shè)計(jì)采用ZigBee無(wú)線自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)LED路燈節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

按照系統(tǒng)要求，本設(shè)計(jì)主要完成支路控制器和路燈及二者之間的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，其中支路控制器完成時(shí)間、光照信息的測(cè)量，路燈終端完成故障診斷和移動(dòng)物體的檢測(cè)，利用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)支路控制器和路燈終端之間的通信。因此系統(tǒng)主要包括以下分系統(tǒng)：電源穩(wěn)壓系統(tǒng)、支路控制系統(tǒng)、ZigBee協(xié)調(diào)器系統(tǒng)、ZigBee路由和終端系統(tǒng)。其中電源穩(wěn)壓包括5 V穩(wěn)壓和3.3 V穩(wěn)壓；支路控制系統(tǒng)包括時(shí)間模塊、鍵盤模塊、顯示模塊和光照采集模塊；ZigBee協(xié)調(diào)器包括顯示模塊和鍵盤模塊；ZigBee路由和終端包括微波雷達(dá)檢測(cè)模塊、故障檢測(cè)模塊和路燈控制模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離無(wú)線通信技術(shù)，在近距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。ZigBee技術(shù)采用自組網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錂C(jī)構(gòu)可以隨意變動(dòng)，這一特點(diǎn)對(duì)實(shí)現(xiàn)路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)的智能化、高可靠性、低成本起到很好的作用 [5?7]。ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為：網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、星型結(jié)構(gòu)和樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，考慮到樹(shù)狀結(jié)構(gòu)能夠提高通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性，因此本設(shè)計(jì)中無(wú)線系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎脴?shù)狀結(jié)構(gòu)，使用路由功能傳輸。無(wú)線系統(tǒng)由一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器、若干個(gè)路由控制器和若干個(gè)路燈終端所組成，網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖2所示。根據(jù)ZigBee通信組網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)，將ZigBee技術(shù)與傳統(tǒng)的路燈控制模式相結(jié)合，根據(jù)不同路段及時(shí)間，對(duì)協(xié)調(diào)器設(shè)置不同的檢測(cè)與控制方式，能及時(shí)對(duì)路燈進(jìn)行相應(yīng)的控制并發(fā)現(xiàn)路燈損壞情況和它的具置，方便維修管理，實(shí)現(xiàn)按需節(jié)能、智能化管理，達(dá)到城市照明系統(tǒng)節(jié)能減排的目標(biāo)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 支路控制器設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能，支路控制器主要包括時(shí)空電路、光控電路、鍵盤及顯示等，電路如圖3所示。時(shí)間控制芯片采用的是DS12887芯片，其內(nèi)部自帶鋰電池，外部掉電時(shí)，還可準(zhǔn)確走10年之久，有12小時(shí)制和24小時(shí)制，數(shù)據(jù)可分二進(jìn)制或BCD碼傳送，使用非常方便。環(huán)境光檢測(cè)部分采用的是光敏電阻加LM339電壓比較器的測(cè)量方案[8]。電阻[RV2，][R5，][R9]及光敏電阻共同構(gòu)成了惠斯頓電橋的兩個(gè)橋臂。在光線相對(duì)較強(qiáng)時(shí)，電路輸出端輸出低電平；當(dāng)光線強(qiáng)度相對(duì)較暗時(shí)，電路輸出端輸出高電平。統(tǒng)共設(shè)置5個(gè)按鍵，采用獨(dú)立式鍵盤，包括時(shí)間調(diào)節(jié)鍵，模式選擇鍵及季節(jié)設(shè)置鍵。時(shí)間調(diào)節(jié)鍵三個(gè)，設(shè)置鍵、上調(diào)鍵和下調(diào)鍵，按下設(shè)置鍵開(kāi)光標(biāo)，上下調(diào)節(jié)鍵用來(lái)調(diào)節(jié)時(shí)間。模式選擇鍵，采用自鎖式按鍵，進(jìn)行繁華和偏僻模式轉(zhuǎn)換。季節(jié)設(shè)置鍵，也采用自鎖式按鍵，進(jìn)行夏季和冬季轉(zhuǎn)換。

2.2 ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)

ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)與信息的收發(fā)處理工作。協(xié)調(diào)器不斷采集主機(jī)發(fā)來(lái)的開(kāi)關(guān)路燈與開(kāi)關(guān)雷達(dá)指令，通過(guò)發(fā)送不同的字符給終端使其作相應(yīng)的操作。同時(shí)能夠顯示故障地址，并能對(duì)故障信息進(jìn)行清除。當(dāng)接收到終端和路由發(fā)來(lái)的故障地址時(shí)，將地址顯示在LCD上。由于CC2530的IO口資源較為緊缺，所以設(shè)計(jì)時(shí)選擇串口驅(qū)動(dòng)方式。故障維修人員記錄檢查故障信息，維修員維修之后，需要將原有的故障信息清除，此時(shí)只要按下故障清除按鍵即可。ZigBee協(xié)調(diào)器接口電路如圖4所示。

2.3 ZigBee路由和終端系統(tǒng)

ZigBee路由和終端系統(tǒng)接收來(lái)至協(xié)調(diào)器開(kāi)關(guān)燈與開(kāi)關(guān)雷達(dá)的指令，某個(gè)路燈出現(xiàn)故障時(shí)發(fā)送本路燈的地址給協(xié)調(diào)器。因此ZigBee路由和終端系統(tǒng)由微波雷達(dá)檢測(cè)模塊、故障檢測(cè)模塊及LED路燈控制模塊組成。

2.3.1 微波雷達(dá)檢測(cè)模塊

微波雷達(dá)傳感器受氣流、溫度、塵埃的影響較小，因此設(shè)計(jì)中選用標(biāo)準(zhǔn)的10.525 GHz微波多普勒雷達(dá)探測(cè)器HB100進(jìn)行移動(dòng)物體檢測(cè)。在人與車稀少的區(qū)段開(kāi)啟移動(dòng)物體檢測(cè)模塊，當(dāng)有移動(dòng)物體在路燈所檢測(cè)的范圍內(nèi)活動(dòng)時(shí)開(kāi)啟路燈；當(dāng)移動(dòng)物體離開(kāi)后保持路燈處于低亮狀態(tài)一段時(shí)間，STC15F104單片機(jī)提供延時(shí)，并由P3.1口輸出控制信號(hào)。電路如圖5所示。其中CC2530的P2.1口控制三極管的通斷決定單片機(jī)與雷達(dá)模塊是否上電工作。三極管的發(fā)射極與基極電阻[R4]使三極管更有效截止與導(dǎo)通。

2.3.2 故障檢測(cè)模塊

故障檢測(cè)電路如圖6所示。夜晚開(kāi)啟路燈的同時(shí)開(kāi)啟故障檢測(cè)模塊，路燈正常工作時(shí)光線強(qiáng)，比較器輸出低電平；路燈故障時(shí)，光線較暗，比較器輸出高電平。由于比較器輸出的只是高低電平，出現(xiàn)故障變?yōu)楦唠娖剑藭r(shí)如若直接連接到ZigBee模塊上它會(huì)不斷的發(fā)送故障信息，造成系統(tǒng)資源的浪費(fèi)。設(shè)計(jì)中用STC15F104單片機(jī)不斷的檢測(cè)比較器的輸出端，出現(xiàn)故障時(shí)由P3.3端向ZigBee模塊輸出一個(gè)負(fù)脈沖。單片機(jī)的工作電源由ZigBee模塊的LED端控制，保證系統(tǒng)在高亮?xí)r段實(shí)時(shí)檢測(cè)故障從而節(jié)約了系統(tǒng)資源。

2.3.3 LED路燈控制模塊

LED路燈控制電路如圖7所示，路燈由兩部分控制。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到時(shí)開(kāi)啟路燈，開(kāi)啟模式為全亮；進(jìn)入雷達(dá)檢測(cè)模式后，有移動(dòng)物體出現(xiàn)在檢測(cè)范圍內(nèi)，開(kāi)啟全亮模式；兩種控制用與門連接，有一個(gè)輸出為低電平就開(kāi)啟路燈。沒(méi)有移動(dòng)物體在雷達(dá)檢測(cè)范圍之內(nèi)時(shí)路燈處于半亮模式，接入的電壓為全亮模式的一半用 [9]。為了使其控制端間互不影響，在各控制末端加入光電耦合器進(jìn)行隔離。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化，檢測(cè)系統(tǒng)是否正常工作，如果正常則按照路燈控制界面進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)并對(duì)路燈進(jìn)行輸出控制，使路燈按照既定程序?qū)崿F(xiàn)開(kāi)/關(guān)狀態(tài)。主機(jī)系統(tǒng)顯示相應(yīng)的控制信息；協(xié)調(diào)器不斷檢測(cè)主機(jī)數(shù)據(jù)輸出口狀態(tài)判斷發(fā)送數(shù)據(jù)與否；終端等待協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括主機(jī)軟件設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)、路由器和終端軟件設(shè)計(jì)等三大部分。其中在協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)、路由器和終端軟件設(shè)計(jì)上協(xié)議棧尤為重要，不同廠家出品的不同產(chǎn)品有不同協(xié)議棧。本文使用的芯片為TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片，使用的協(xié)議棧是由TI公司出品的Z?Stack協(xié)議棧。

3.1 主機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)智能路燈系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的需要，主機(jī)系統(tǒng)軟件劃分為以下幾個(gè)部分：監(jiān)控主程序、日歷時(shí)鐘子程序、LCD顯示子程序、鍵盤掃描子程序、光線明暗檢測(cè)子程序。監(jiān)控主程序通過(guò)對(duì)時(shí)間、鍵盤、光線情況的循環(huán)判斷，決定是否執(zhí)行相應(yīng)的功能程序。主機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。主機(jī)根據(jù)時(shí)間與外界光線狀態(tài)發(fā)出控制命令如表1所示。

3.2 協(xié)調(diào)器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)協(xié)議棧對(duì)協(xié)調(diào)器系統(tǒng)進(jìn)行軟件編程。實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)目要求只需修改協(xié)議棧的應(yīng)用層和硬件層。應(yīng)用層執(zhí)行查詢?nèi)蝿?wù)工作，修改硬件層使整個(gè)系統(tǒng)與所擴(kuò)展的硬件匹配[10]。

3.2.1 硬件層的修改

定義協(xié)調(diào)器的P2.0、P2.1為數(shù)據(jù)的輸入端口。協(xié)調(diào)器上有顯示故障信息的12864顯示模塊，首先建立一個(gè)lcd.h文件，在內(nèi)部定義所應(yīng)用的管腳定義及相應(yīng)的宏定義。之后按照12864的時(shí)序編寫12864的讀寫程序lcd.c，建立出數(shù)據(jù)與寫數(shù)據(jù)位置的接口函數(shù)。在協(xié)議棧中ZigBee聯(lián)盟已經(jīng)將LCD的顯示程序封裝在硬件層，如果應(yīng)用另外的顯示硬件只需將原有的lcd.h文件覆蓋即可。

3.2.2 應(yīng)用層修改

系統(tǒng)不斷的采集主機(jī)數(shù)據(jù)輸出端口發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的不同而執(zhí)行相應(yīng)的操作。首先將讀取主機(jī)數(shù)據(jù)任務(wù)ID號(hào)加入到任務(wù)中，這樣在任務(wù)循環(huán)執(zhí)行時(shí)方可執(zhí)行到，否則永遠(yuǎn)執(zhí)行不到這個(gè)任務(wù)。協(xié)調(diào)器讀取任務(wù)流程如圖9所示。

3.3 路由器和終端節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)協(xié)議棧對(duì)路由器和終端節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行軟件編程。同樣只需修改協(xié)議棧的應(yīng)用層和硬件層。應(yīng)用層執(zhí)行查詢?nèi)蝿?wù)工作，修改硬件層使整個(gè)系統(tǒng)與所擴(kuò)展的硬件匹配。路由器和終端節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中開(kāi)關(guān)燈、開(kāi)關(guān)雷達(dá)端口用協(xié)議棧內(nèi)部定義好的兩個(gè)LED燈端口。用控制兩個(gè)LED燈的開(kāi)/關(guān)分別控制路燈開(kāi)/關(guān)、雷達(dá)控制開(kāi)/關(guān)。路由器和終端節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)接收來(lái)自協(xié)調(diào)器的字符控制信號(hào)，不同字符執(zhí)行不同操作。利用中斷查詢方式采集亮燈狀態(tài)下燈泡的光照強(qiáng)度進(jìn)而判斷是否出現(xiàn)故障，出現(xiàn)故障進(jìn)入故障處理函數(shù)，編輯路燈地址并發(fā)送到協(xié)調(diào)器。

4 總 結(jié)

本文從應(yīng)用方面著手對(duì)ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，采用TI公司的Z?Stask協(xié)議棧和IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境，以CC2530芯片為核心構(gòu)建了一個(gè)基于ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的路燈控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的大小，取決于實(shí)際控制路燈的多少。終端控制器的定時(shí)時(shí)間，可以根據(jù)不同地區(qū)、不同季節(jié)由主控制機(jī)統(tǒng)一設(shè)定。該路燈控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的路燈控制系統(tǒng)相比，一方面減少了“全夜燈”、“后夜燈”，有效的節(jié)約了電能資源，并且還保護(hù)了電燈，延長(zhǎng)了其使用壽命；另一方面智能路燈控制系統(tǒng)可對(duì)全部路燈進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理，集中控制、監(jiān)視、檢查，大大減少了后期人力、物力、財(cái)力的投入，同時(shí)提高了巡查設(shè)備和路燈的工作效率。

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