基于Zigbee的智能LED路灯监控系统方案

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城市智能LED照明系统是智能交通系统重要组成部分。利用智能物联网技术能够有效提高如何节约能源，提高路灯能源的利用率并对路灯进行自动化、智能化的管理等急需解决的问题。

ZigBee 技术以其低功耗、通信可靠、网络容量大等特点为路灯自动控制领域提供了较合适的解决方案。而基于ZigBee 自组网的LED 智能照明控制系统是将ZigBee 在短距离无线传输的优势与LED 照明寿命长和节能的优势相结合。具有安全、智能、便于控制、方便维护等特点。

本方案利用用ZigBee 技术与新型传感器、功率控制器及LED 路灯相结合，完成对城市路灯照明系统的集中监控。

系统设计方案

对路灯来说，其照明作用是最主要的，其它传感器是为了辅助路灯而设计的，用来实现更好的照明效果或减少不必要的资源浪费。因此，传感器的选择比较关键。本系统涉及的传感器有人体热释电红外传感器、tsl2561 亮度传感器。路灯节点主要由LED灯具、蓄电池、LED 稳压电路、故障检测电路、微控制器、ZigBee无线数传模块及其它外围传感器模块构成，系统的整体结构如下图1 所示。

本系统路灯的工作模式共三种：分别为白天模式、夜晚模式和午夜模式。在主控平台进行工作模式的选择，工作模式由外界环境来设定。

白天正常模式下，当环境亮度强到一定光强值时，不再需要路灯照明，此时路灯将处于关闭状态；特殊情况下，如阴雨或大雾天气时，只需在主控平台进行设置，使路灯打开，即可应对各种突发情形。

夜晚模式下，路灯会根据设定的光强值进行判断，当环境亮度小于所设定的光强时，路灯开启，并将路灯的状态通过无线数传模块发送到主控平台，在主控平台的界面上就可随时观测路灯状态。一旦此时路灯突然关闭，将会实现自检功能，将检修的信息发送到主控平台，主控平台通过对这些数据进行分析，可将有问题的路灯信息通过GSM 模块发送到路灯维修人员的手机上，以实现路灯的及时维护。

在午夜模式下，主控平台会根据电脑系统时间定时关闭路灯，以节约电能。主控平台的硬件结构如下图2 所示。

系统硬件设计

1、控制部分

主控平台用LCD12864 液晶辅助显示路灯实时状态信息。中央处理器用Arduino MEGA2560 单片机处理路灯实时数据信息。

MEGA2560 的处理器核心是ATmega2560,同时具有54 路数字输入/ 输出口（其中16 路可作为PWM 输出），还具有16 路模拟输入，4 路UART 接口，采用16MHz 的晶体振荡器，兼容Arduino UNO 设计的扩展板。片上资源可以满足单路灯节点照明的需求，并为后续在路灯上开发新应用提供了较大的选择空间。

2、无线通信（ZigBee） 模块

本系统ZigBee 模块采用的是DIGI 公司生产的XBee S2 模块，该模块是一款超小型但功能完善的ZigBee 收发器，其接口简单，易于使用，具备防水、防雷和防冲击的性能，并且可以满足室外各路灯间的距离要求。是一款把ZigBee 协议内置进Flash里的ZigBee 模块，其内部已经包含了所有外围电路和完整协议栈，能够立即投入使用。PC 上有专门的配置工具X-CTU,采用串口和用户产品进行通讯，并可以对模块进行发射功率，信道等网络拓扑参数的配置，使用起来简单快捷。本项目中XBee 模块通过UART 接口直接与MEGA 2560 控制器的串口0 相应管脚交叉相连。

XBee 模块的通信系统原理结构如下图3 所示：

3、传感器模块

路灯上采用热释电红外传感器来检测有无行人，行人检测原理如下图4 所示。热释电红外传感器具有成本低、无需发射源、灵敏度高、可流动安装等特点。实际应用中，在传感器前加菲涅尔透镜可以提高接受的灵敏度，增加检测距离和范围。实验证明，热释电红外传感器不加菲涅尔透镜时检测距离为2m ;而配上菲涅尔透镜后检测距离可达到7m 以上。

路灯上的亮度检测传感器采用TAOS 公司推出的第二代光强数字转换芯片TSL2561,其具有高速、低功耗、宽量程、可编程灵活配置等优点。并且具有直接的I2C 接口，将光照强度转换成数字信号输出。

软件设计

1、下位机软件结构

路灯节点的微控制器控制XBee 模块与主控平台保持实时信息交流结构如图5 所示。路灯开灯条件为亮度低于设定值且在路灯旁有人经过时，则会自行打开路灯。当路灯出现故障时，单片机便自行发送故障信息，及时告知路灯维护人员。

2、上位机软件结构

PC 机服务器采用QT 编写程序，采用QT 是因为其可移植性高和利于编写良好人机界面的特点。本软件结构如图6所示，以实时数据库为核心来实现功能，它要求能够实时地从协调器获取数据，进行运算、显示、故障报警等。该系统管理软件有如下一些主要功能：主界面是对路灯的实时观测，反馈路灯的状态、运行时间、环境光强、功耗等实时信息。

结论：

制作了4 个路灯节点模型，在小范围进行模拟实验，通过PC智能路灯管理软件远程操作可以完成三种模式的要求，并实时监测路灯信息，反馈给PC 软件。
方案介绍了MEGA 2560 微控制器的智能LED 路灯控制系统，利用XBee S2 自组网与GSM 移动通信相结合的通信网络来实现智能无线监测路灯的功能，并自己设计开发了路灯管理软件