ZigBee+GPRS的LED路灯监控系统

摘要：将ZigBee技术和GPRS移动通信技术相结合，设计了一种基于ZigBee+GPRS的LED路灯照明远程监控系统。系统采用两级双网组网模型和簇-链型网络拓扑结构，通过网络化、智能化控制，实现了灯具的遥测、遥控。此外，提出了一种应用于路灯照明的亮度自适应节能控制算法，该算法可根据时段、环境亮度和人员活动情况改变PWM信号的占空比，自动调节LED的亮度，充分利用LED的可控性，实现最佳照度控制，达到节能目的。
关键词：ZigBee GPRS；LED照明系统；PWM

引言
    LED作为新光源，具有光效高、寿命长、易于调光、体积小、绿色环保等优点，被人们称为是第四代光源，因此，LED照明是21世纪城市照明系统的重要组成部分。城市道路管理作为现代城市管理的重要组成，实现道路照明系统的智能化与网络化控制是现代城市照明系统的发展趋势。本系统基于LED照明的智能监控和分时调光技术，实现了智能化的监控算法；通过GPRS和ZigBee技术，实现了无线的区域化、网络化的控制；最后，结合LED可调光的高效驱动，实现了对路灯的遥控、遥信和遥测。

1 系统网络模型及工作原理
    远程智能照明网络系统结构如图1所示。采用ZigBee和GPRS两级双网组网模型，出监控中心、网关节点及GPRS移动通信网络3部分组成。上层为GPRS主干网，实现数据远程传输；下层为ZigBee二级子网，由各个路灯子节点构成，采用簇-链型网络拓扑结构完成数据路由和转发。网关节点连接ZigBee无线传感器网络与GPRS网络，实现ZigBee协议和TCP／IP协议两种协议栈之间通信协议转换。网关节点发布监控中心的控制命令，并把收集到的灯状态信息转发到外部网络上，通过GPRS网络将数据传输至监控中心，实现灯具的遥测、遥控。通过ZigBee和GPRS构成的智能监控网，城市照明监控中心一方面能及时、准确地检测出LED路灯电压、电流及工作状态等信息，实现防盗和远程故障监测；另一方面，又能根据需要对LED路灯进行开／关及亮度控制。

2 系统实现
2．1 系统总体框架
    系统由GPRS模块、ZigBee节点和网关模块、单片机、LED恒流驱动和照明模块、传感器模块组成，系统总体框图如图2所示。

2．1．1 LED恒流驱动设计
    LED恒流驱动设计采用FMD公司FT870的LED恒流驱动方案，驱动电路如图3所示。当开关管Q1导通时，主电流回路导通，此时AC给LED供电，并使电感L1储存能量；当Q1关断时，主电流回路改变，此时电感L1释放能量，保持LED的输出。由于开关管导通时，流过LED的电流同时也流过R1，所以通过检测R1上的电压来检测流过LED的电流，从而达到恒流的目的。FT870在一个固定频率下可以控制MOS管，因为是恒流驱动LED灯组，所以会输出恒定的光照，并且具有较好的稳定性。输入LED组的电流可以被外部电阻或一个PWM信号控制。

2．1．2 主控节点单片机电路设计
    主控节点采用MSP430超低功耗单片机。MSP430是TI公司的一款超低功耗16位RISC混合信号处理器，具有超低功耗、高度集成、丰富的片上外围模块等特点。MCU的P3．4、P3．5引脚设置为异步串行收发接口，与节点的ZigBee模块进行异步串行通信。单片机将采集到的数据发送给ZigBee模块，而ZigBee模块接收到的无线数据也可透明地传送给MCU。MSP430最小系统图如图4所示。
2．1．3 ZigBee通信模块设计
    ZigBee模块选用Chipcon公司推出的符合2．4 GHz IEEE 802．15．4标准的射频收发器CC2420，ZigBee模块电路如图5所示。

    CC2420的31、32、33、34引脚与单片机对应的SPI通信接口相连，即CC2420的CSn、SCLK、SI、SO、引脚与MSP430的SET0、SMCLK、SIMO 0、SOMI0引脚相连。这样，CC2420发射芯片就能与MCU进行全双工的通信。27引脚(SFD帖开始定界符)与MCU的Time Capture引脚相连。28引脚(CCA空闲信道估计)与MCU其中的一个引脚相连。MCU可以通过对该引脚状态的读取，判断是否有空闲信道。

2．1．4 GPRS模块设计
    GPRS模块选用明基的M23方案。M23采用半双工方式的串口通信，即采用的是TXD、RXD、GND这3条线通信。模块电路图如图6所示。模块的TXD、RXD引脚经74LVC14AD和榴应MSP430的RXD、TXD交叉连接。LEDA引脚控制一个外接LED的闪烁，当LED闪烁时，表示该模块连接上了网络，否则没有连上网络。当SIM卡接入移动网中，该指示灯就会不停地闪烁，用来提示和检测该M23模块是否正常工作。引脚11、12、13和23为M23模块和SIM卡之间的通信接口。

2．1．5 监控软件
    路灯管理系统监控软件采用面向对象的编程技术，在Visual C++6．0集成开发环境下完成开发。采用模块化设计，分别由系统管理模块、灯具测量模块、灯具控制模块和异常处理模块4部分组成，主要实现系统管理及灯具的遥测、遥控、防盗和远程故障监测等功能。

3 亮度自适应节能控制算法
3．1 LED亮度控制
    采用PWM法进行调光，即在恒流和恒定频率的情况下，通过调节MOS开关管的导通时间来调节平均亮度。这种方法不但可以使通过LED的电流恒定，保证了LED色彩的一致性，而且还有助于LED的散热。通过设定MSP430单片机内部的定时嚣A(或B)工作在比较模式，可提供多路PWM控制信号，仅需改变相关寄存器的设定值即可。通过ZigBee网络传递监测信息和控制指令。一方面，通过网络将路灯节点温度、电压及电流信息传送到监控中心，判断节点工作是否正常以及是否被盗；另一方面，网关节点根据环境亮度和时段，通过ZigBee网络给LED灯具下达统一的亮度调节指令，这样就根据不同情况完成了LED亮度控制。
3．2 LED亮度自适应节能算法
    LED亮度自适应节能算法流程图如图7所示。系统首先进行初始化，然后开始扫描亮度传感器传来的环境亮度信息，根据亮度信息判断是否是白天。若是白天，LED停止工作，返回亮度检测，循环等待；若是夜晚，则进入LED供电程序，根据时钟芯片判断此时处于哪个时段。
若处于由白天到黑夜或由黑夜到白天的过渡阶段，则根据亮度传感器检测的亮度等级进行亮度自适应控制；若处于前半夜，则进行全功率照明，若处于后半夜，则关掉2路LED，进行半功率照明，同时打开智能传感器，检测人员活动情况。当检测到人车时，全功率照明，人车离开后，延时30 s恢复节电方式工作。通过亮度自适应节能控制，充分利用LED的可控性，可最大程度节省能源，相同情况下节电10％～15％。

结语
    本文设计的基于ZigBee+GPRS的LED路灯远程监控系统采用两级双网组网模型和簇-链型网络拓扑结构，通过网络化、智能化控制，实现了灯具的遥测和遥控。提出一种应用于路灯照明的亮度自适应节能控制算法，可降低照明能耗，达到节能目的。该系统建设和运营成本低、组网灵活，可以节约人力成本，提高生产效率，提高路灯管理自动化水平，适用于道路照明，也可推广应用于桥梁、隧道等其他公共照明场合。本系统采用先迸的ZigBee技术、GPRS技术、PWM技术、传感器技术、无线组网技术，并将这些技术有机融合、实现了高可靠性、智能化、低成本、高效、节能环保的智能控制LED路灯系统。