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【關鍵詞】自調光;零點檢測模塊;光照強度采集模塊

1.引言

隨著能源問題越來越引起人們的重視，節(jié)能已經(jīng)成為生產(chǎn)應用中不可忽視的一方面，自調光路燈控制器主要用于安裝在道路兩旁與公共場所的路燈上，隨環(huán)境光照強度的變化而自動調節(jié)路燈亮度，在滿足人們需要的同時，達到節(jié)能的目的，具有一定的現(xiàn)實意義。

2.系統(tǒng)結構

自調光路燈控制器主要由單片機控制模塊、人機交互界面、零點檢測模塊、光強度采集模塊與脈沖觸發(fā)模塊五部分構成，圖1為自調光路燈控制器系統(tǒng)框圖。利用光強度采集模塊完成對環(huán)境光照強度的參數(shù)采集，利用零點檢測模塊完成市電220V單相電零點檢測，利用人機交互界面完成系統(tǒng)參數(shù)的設置，在單片機控制模塊中進行數(shù)據(jù)處理，通過脈沖觸發(fā)模塊實現(xiàn)路燈亮度調節(jié)。

圖1 自調光路燈控制器系統(tǒng)框圖

3.系統(tǒng)硬件設計

單片機控制模塊完成光強度信號的采集、零點檢測信號的處理，根據(jù)人機交互界面的設定完成計算，通過脈沖觸發(fā)模塊輸出控制信號?？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，內部集成高精度時鐘。光強度采集模塊采用光敏電阻與高精度電阻分壓構成，STC15F2K60S2芯片自帶8路高速10位A/D轉換功能，可滿足光強度信號的采集。

圖2 零點檢測模塊原理圖

零點檢測電路為控制模塊提供同步信號，如圖2所示，市電L/N通過同步變壓器T0.5-06與光電耦合器TLP521-2實現(xiàn)同步信號獲取，該信號通過引腳P32輸入到控制芯片，通過實際測試，該電路可有效去除強電干擾并保護控制芯片。

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給出的脈沖信號通過三極管Q1放大與脈沖變壓器T2，控制雙向晶閘管Q2的開啟，實現(xiàn)臺燈的點亮與光線調節(jié)，脈沖變壓器T2還起到了強電與弱電的隔離作用。

4.系統(tǒng)軟件設計

主程序包括初始化、中斷服務子程序、人機交互子程序、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轉換初始化等，信號采集每1秒執(zhí)行一次，根據(jù)檢測到的電信號，轉換為光強度信號，與人機交互界面設定值進行比較處理，調整導通角，發(fā)出脈沖觸發(fā)信號，通過脈沖觸發(fā)模塊實現(xiàn)路燈亮度調節(jié)。

圖4 程序流程圖

5.結論

本次設計切實考慮了路燈節(jié)能環(huán)保的需求，針對路燈照明而設計的一款自調光路燈控制器。該系統(tǒng)操作簡單、方便，經(jīng)過一定時間軟硬件實時檢測，可靠性較高。

參考文獻

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

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關鍵詞:太陽能路燈 單片機 PWM 鋰電池

中圖分類號: 文獻標識碼:A文章編號:1007-9416(2010)03-0000-00

1 引言

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

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、無記憶效應等優(yōu)點,因而得到了普遍應用。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,鋰離子電池幾乎沒有“記憶效應”以及不含有毒物質等優(yōu)點也是它廣泛應用的重要原因。但對于鋰電池的充電過程,要求是比較嚴格的。

鋰電池的充電曲線如下圖1。

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

2.1 電壓的檢測

利用一個電位器把電池的電壓降低,輸進模數(shù)轉換器(如ADC0809)的第一個通道中,然后通過單片機(如STC89C52)來計算電壓。

2.2 電流的檢測

檢測比較大的直流電流的方法不多,這里采用一個小電阻R(0.05歐姆)來檢測電流,小電阻兩端的電壓通過運放放大,經(jīng)模數(shù)轉換后輸入單片機中,測得電壓U0后除以放大倍數(shù)Auf 得到實際的電壓U, 再根據(jù)歐姆定律(U=I*R)計算出電流I的大小。

用一個小電阻來檢測電流存在的問題是:小電阻的阻值會發(fā)生變化。實際上絕對線性的電阻是不存在的。例如,絕大多數(shù)金屬導體的電阻都隨溫度的升高而升高,當電流通過金屬導體時,將電能轉化為熱能,使金屬導體的溫度升高,阻值就不是常數(shù),而是隨著電流或電壓變化。本系統(tǒng)中檢測出來的充電電流跟實際的充電電流不一樣,但存在一個規(guī)律是:電流越大檢測出來的電流跟實際電流的偏差就越大,它們成線性的關系。這是由于小電阻阻值隨溫度變化而造成的。以下是實驗采集的單片機測得電流和實際電流的一些數(shù)據(jù)如表1所示。

這兩組數(shù)存在著線性的關系,利用Matlab對第一列的數(shù)據(jù)進行處理,首先求出它的關系式,假設關系式為:

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)可以用關系式y(tǒng)1=0.01*x+0.21――――(1)來表示。采集的數(shù)據(jù)和線性擬合后的曲線如圖2。

對第二列的數(shù)據(jù)進行處理,首先求出它的關系式,也假設關系式為:

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)可以用關系式y(tǒng)2=0.0147*x+0.2109――――(2)來表示。采集的數(shù)據(jù)和線性擬合后的曲線如圖3。

結合關系式(1)和(2)便可得出兩列數(shù)據(jù)的關系式y(tǒng)1=0.680272*(y2-0.2109)+0.21,其中y1表示實際的電流,y2表示單片機檢測出來的電流,單片機檢測出來的電流y2通過上式的轉換后變成y1,便是實際的電流。

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脈沖調制控制保護技術,不僅能有效地保護蓄電池,防止過充電現(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,通過開關管的導通與閉合來控制充放電。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,單片機輸出一個相應占空比的脈沖,控制三極管(Q1)通和斷的時間,從而控制場效應管IRFZ44(Q3)的通和斷,使到充電的電流為0.24A左右,此時處于預充狀態(tài)。蓄電池的電壓高于13V時,單片機輸出一個高電平(相當

于PWM占空比為1),三極管(Q1)導通,場效應管IRFZ44(Q3)處于截斷狀態(tài),此時太陽能電池板以最大的電流為蓄電池充電--恒流充電。當蓄電池電壓接近或等于16.8V時,通過控制占空比,也使場效應管IRFZ44(Q3)實現(xiàn)通斷控制,使充電狀態(tài)處于恒壓浮充狀態(tài)。當電流小于一個值(0.24A)時,單片機就輸出一個低電平,使場效應管IRFZ44(Q3)完全導通,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,當單片機控制照明燈的控制腳輸出高電平(5V)的時候,三極管Q2就會導通,三極管Q2集電極E的電壓變低(約為0V),此時加到場效應管(Q4)柵極的電壓就會變低,場效應管就截止,流過照明燈的電流減少到0。相反,當單片機控制照明燈的控制腳輸出低電平(0V)的時候,三極管Q2就會截止,三極管Q2集電極E的電壓高,此時加到場效應管(Q4)柵極的電壓也就高,場效應管就導通,流過照明燈的電流大,照明燈打開。

4 結語

充放電控制器是太陽能路燈的核心部件,針對鋰蓄電池充電的特殊要求,本文巧妙地采用簡單電路檢測充放電電壓電流、軟件補償用于檢測的小電阻的溫度效應,省卻硬件補償?shù)馁M用,降低了成本。由單片機根據(jù)采集到的充放電電壓電流參數(shù),發(fā)出各種控制信號,實現(xiàn)充放電控制,使充放電系統(tǒng)能穩(wěn)定有效地運行,更好地保護了鋰電池,延長了整個太陽能路燈系統(tǒng)的使用年限。因而,本文設計的太陽能路燈充放電控制器具有較高的實用價值,對太陽能路燈的推廣起到了促進作用,是有益的嘗試。

參考文獻

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

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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)一開關控制方案。

隨著數(shù)字技術和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，公共照明數(shù)字化和網(wǎng)絡化已經(jīng)成為一種必然趨勢。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)成為對公共照明系統(tǒng)的一項基本要求。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)在國內首次實現(xiàn)了遠程單個路燈節(jié)點的任意監(jiān)控，并重點介紹了系統(tǒng)的核心設備——組群控制器的作用、組成、工作原理是以及主要軟件結構框圖。

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，每個路燈節(jié)點采用全數(shù)字化電子鎮(zhèn)流器，可以實現(xiàn)0%、50%、80%、100%功率輸出，可以隨時發(fā)送路燈的電流、電壓信息，并具有開路、斷路和路燈老化報警功能。每一個路燈節(jié)點內包含一個電力載波通信（PLC）模塊，利用電力載波模塊實現(xiàn)路燈節(jié)點之間以及路燈節(jié)點與組群控制器之間信息通信。組群控制器采用雙CPU結構，負責日常系統(tǒng)的正常運行控制，并可以隨時響應上位管理計算機發(fā)出的指令。組群控制器與照明管理計算機通過GSM/GPRS短信方式實現(xiàn)正常情況下的通信。在組群控制器發(fā)生故障的情況下，照明管理計算機可以通過GSM/GPRS直接實現(xiàn)路燈線路的開關控制，實現(xiàn)系統(tǒng)安全雙保險。照明管理計算機采用地理信息系統(tǒng)（GIS）技術，實現(xiàn)圖形化動態(tài)實時監(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計方案。它包括CPU模塊、線路狀態(tài)檢測模塊、交流接觸器驅動模塊、后備電源模塊、時鐘模塊、控制策略模塊、電能計量模塊、溫濕度檢測模塊、GSM通信模塊和電力載波通信模塊。CPU模塊采用CPU結構。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PIC16F877，負責與GSM通信模塊和電力載波模塊通信，與交流接觸器驅動控制，與實時時鐘的讀取和校準以及根據(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PIC16F873。該控制器負責管理電能計量模塊、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系列單片機外圍通信接口豐富，但是，整個系統(tǒng)通信復雜，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)起與結束，如圖3所示。每次通信都是由PIC16F877發(fā)起，PIC16F873響應。

圖4

    電能計量模塊為單獨模塊，能夠測量供電線路的電壓、電流、功率、功率因數(shù)等參數(shù)，并具有標準的RS-485接口。為此，PIC16F873利用硬串口RC6/TX和RC7/RX，通過RS485接口變換，與電能計量模塊JP1相連。這里MAX485芯片作為485總線接口轉換芯片，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

組群控制器的一項重要任務是通過固體繼電器SSR和交流接觸器實現(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驅動。由于系統(tǒng)實際運行過程中存在各種干擾，若則相關引腳很可能會出現(xiàn)跳變信號或三態(tài)，造成交流接觸器誤動作。因此“鎖定”復位前狀態(tài)，對保證系統(tǒng)可靠性非常重要。這里采用了由1個D觸發(fā)器、1個光耦、3個電阻和3個I/O引腳組成的采樣/保持電路，如圖4所示。D觸發(fā)器復位端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，時鐘端CLK通過光耦TIP521接CPU的時鐘產(chǎn)生控制端RE1和RE2。保持電路的關鍵在于RE0、RE1、RE2單個引腳誤動作無法產(chǎn)生有效時鐘和控制指令。即使CPU發(fā)生復位，由RC0腳讀回固態(tài)繼電器當前工作狀態(tài)，并將RE0輸出（D觸發(fā)器輸入）置成該狀態(tài)，進而保證SSR不產(chǎn)生誤動作。電阻R32為上拉電阻，保證RE2出現(xiàn)三態(tài)時光耦不產(chǎn)生誤導通。電阻R33起限流作用。實際證明該電路是有效的。

圖5

    2．5 時鐘與控制策略

要實現(xiàn)自動定時控制，系統(tǒng)時鐘和系統(tǒng)預存控制策略是關鍵。組群控制器采用DS1302時鐘芯片，為系統(tǒng)提供實時時鐘。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、低功耗時鐘芯片，提供秒、分、時、日、周、月、年日歷功能。I2C串行總線SCL和SDA分別需要一個上拉電阻。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。組群控制器可以實現(xiàn)遠程時鐘校準。

圖6

    組群控制器將每日控制策略時間表Table1、季節(jié)劃分時間表Table2、季節(jié)控制策略時間表Table3和節(jié)假日控制時間表Table4存儲在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個普通I/O口（RD1和RD2）模擬I2C串行總線，即實現(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間信息，對照各種控制策略時間表，開關燈及調光控制指令。

2．6 軟件實現(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責通過GSM與照明管理計算機（簡稱上位機）通信，接收、解析和執(zhí)行上位機發(fā)來的各種命令，并將執(zhí)行結果發(fā)送給上位機；另一方面，主控制器在沒有GSM信息的情況下，完成其它一些任務，軟件流程圖如圖6所示。圖7給出了從微控制器軟件的簡要流程圖。

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【關鍵詞】路燈管理；系統(tǒng)設計；節(jié)能；數(shù)據(jù)加工

一、路燈節(jié)能設計原理

在照明節(jié)能設計過程中最應該重視的問題就是適度的照明。針對照明能源的利用，應考慮到既能滿足工作生活的要求，又能達到節(jié)約能源的目的，從照明電路的更新方面實現(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，適當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壓運行，延長了路燈壽命。由于路燈系統(tǒng)中往往外接公交站臺廣告燈箱。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?shù)陀谡９ゎl電壓時，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。它包括時間預置及控制電路。降功率電感L1和時控開關等。由時間控制電路根據(jù)預先設定的時間去控制時控開關的通斷，從而控制L1工作與否，使路燈功率下降，耗能降低，以達到節(jié)能的目的。

二 路燈節(jié)能控制系統(tǒng)結構體系

本文所采用的系統(tǒng)，是運用了高性能的32位芯片作為控制單元，并結合相應的無線傳感網(wǎng)絡微控制器來完成數(shù)據(jù)傳輸過程，從而實現(xiàn)了一臺計算機進行單燈控制的目標。為了實現(xiàn)路燈系統(tǒng)節(jié)能控制的目的，就對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)基本結構分為服務器層、電控柜主節(jié)點層（中間層）和終端層三級結構。是操作人員通過在終端計算機或其他控制設備上，將控制信息儲存在服務器中，并通過服務器，利用GPRS通訊技術將控制信息發(fā)送到分區(qū)的控制箱，再由控制箱通過ZigBee無線通信系統(tǒng)傳送信息到各單燈，并實現(xiàn)最終控制。

在終端部分，結構設計中將每盞路燈都嵌入了一個物聯(lián)網(wǎng)通信模塊，以此作為路燈的核心控制部分，結構的硬件設計和傳感網(wǎng)路燈控制協(xié)議均具有自主知識產(chǎn)權。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，因而在實際操作過程中，有效提高了系統(tǒng)的應用范圍，特別適合老城區(qū)的舊有路燈的改造。在中間層的構建過程中，系統(tǒng)采用了32位的先進芯片作為控制單元，并結合MC13211芯片進行數(shù)據(jù)傳輸。在通信技術上，系統(tǒng)提供了3G或2.5G技術供用戶進行選擇，使用城市可以根據(jù)自身的實際情況進行選擇。

三 路燈節(jié)能控制系統(tǒng)軟件的設計

1 軟件設計中的問題

在系統(tǒng)結構體系中，中間層和終端層的基本功能實現(xiàn)，主要依靠硬件體系進行保障，而處于體系最頂層的服務器層，則需要Web軟件實現(xiàn)低端層與用戶進行交互連接。為保障用戶與低端設備的連接，使下層設備已經(jīng)實現(xiàn)的功能與其相適應，且為用戶的使用提供更大的便捷性，這就需要系統(tǒng)能夠提供一個動態(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)運行中產(chǎn)生的實時數(shù)據(jù)和信息，并且對故障的發(fā)生，擁有強大的查詢分析功能。

在這一目標的要求下，軟件設計過程就要對以下問題進行考慮：第一，軟件應該能夠提供多種控制方式，來對路燈進行靈活控制，根據(jù)時間、天氣、經(jīng)緯度等因素進行靈活控制，在保證地面有效光照的情況下，進行相應的節(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)會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，要使用戶能夠有效的對大量的數(shù)據(jù)進行查找比對，并進行相應的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，這是該軟件設計能否成功的關鍵所在；第三，該系統(tǒng)應該具有很好的實時數(shù)據(jù)傳輸能力，從而保證終端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息能夠第一時間反應到管理層；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)庫的設計

Web數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)維護費用低廉，其更新過程不涉及用戶的使用，從而有效簡化的用戶的使用與管理過程，能夠將全系統(tǒng)的管理與維護集中到服務器上，從而有效的提高了數(shù)據(jù)庫的擴展與可維護性，提高了整個系統(tǒng)的運行水平。

3 軟件建設中運用的主要技術

在路燈節(jié)能控制軟件的設計中，設計人員采用了Web技術中的Ajax技術，通過該技術的有效運用，能夠實現(xiàn)網(wǎng)頁界面無閃自動局部刷新功能，便于工作人員及時掌握系統(tǒng)運行中的最新情況，以便及時采取相應措施，保證路燈系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，同時起到節(jié)能的效果。采用了Session技術進行會話存儲，以保證頁面在進行跳轉時，不會發(fā)生信息丟失的狀況。采用Cookie技術對用戶的登錄信息進行儲存，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的自動登錄，提高系統(tǒng)工作效率。系統(tǒng)提供了自動刪除過期數(shù)據(jù)的功能，以保證數(shù)據(jù)庫不會因為文件過多造成崩潰。刪除時限由用戶進行制定。

4 軟件實現(xiàn)

軟件的實現(xiàn)主要是通過通信模塊和人機交互界面兩個部分構成。

在通信模塊上，設計者將其分為兩個部分。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，通過定時器對相關表進行掃描，有信息指令則會發(fā)送至低端，并通過相關技術對TCP口進行偵聽，對傳送過來的數(shù)據(jù)包進行解析分類處理。

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

登錄模塊負責用戶的登陸管理，在用戶登錄相關信息后，服務器將會調用數(shù)據(jù)庫用戶表進行驗證，驗證通過即會允許用戶登錄，并進行相關記錄；如果不能通過，則會拒絕信息。

四 路燈節(jié)能控制系統(tǒng)的測試結果

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

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關鍵詞：HID前照燈；電子鎮(zhèn)流器；倍壓整流

引言

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

大多數(shù)電子鎮(zhèn)流器都由一個直流變換器將額定12V的直流電壓升壓，再由逆變電路為燈提供交流電，以避免單側電極的過度燒損。前級的效率直接影響到系統(tǒng)的效率，因此，必須合理設計升壓直流環(huán)節(jié)。因為汽車前照燈要求快速啟動和熱燈的快速瞬間啟動。冷燈啟動所需的啟動電壓一般大于13kV，熄滅后重新啟動的燈所需的啟動電壓需高達23kV。因此HID前照燈啟動電路的輸出電壓應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電路，并采用了電流積分作為識別冷熱啟動的判據(jù)，可靠地實現(xiàn)了快速點燈并延長了燈的使用壽命。

常用高壓啟動電路比較

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

單級升壓電路

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

雙級升壓電路

采用此電路，在產(chǎn)生高壓的同時，高壓側繞組起到鎮(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，前者采用了兩級變壓器，體積較大，圖3電路只用了一個升壓變壓器，但前級采用了倍壓整流電路，可降低變壓器的匝數(shù)比，不會增加變壓器的體積。圖4是我們采用的電路，由于只有一級變壓器，體積大大減小。

高壓啟動電路原理分析

在倍壓整流電路中，因變壓器的副邊兩個方向的電流通路都存在，此時flyback部分電路不再是一個反激變換器。在啟動階段，控制程序對全橋逆變電路的母線電容cl的端電壓，也就是后級H橋的母線電壓進行400V恒壓閉環(huán)。倍壓整流輸出電壓1200V通過R1和R2對電容cc充電，cc段電壓逐漸升高。如其端電壓能達到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成回路的時間常數(shù)決定。

啟動階段的控制

為了可靠實現(xiàn)啟動，控制器通過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緩慢，或啟動后電路的能量不夠，啟動則失敗。為了避免單側電極過度燒損，必須避免每次都從單側電極打火。程序中設定了一段啟動方向隨機選擇子程序。.

在電壓閉環(huán)控制的同時，程序不斷檢測電流，一旦電流達到設定值就確認啟動成功，進入維弧預熱子程序(Warm―up)階段。此階段時間為tpre，主要任務是維弧預熱，為防止直流點燈造成單側電極過度燒損及高頻交流下過零點熄弧，本文采用了一種電流積分的方式實現(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，一旦加和達到設定值，將加和清零并翻轉逆變橋切換到下一半波。重復上述過程，直到半波結束，進入功率遞減過渡階段。這樣控制的優(yōu)點是：可自動識別點燈溫度，為后續(xù)控制提供初始依據(jù)。

高壓發(fā)生電路實驗及波形

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。實驗波形見圖6。

開關實驗是為驗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，用于測試電子鎮(zhèn)流器的開關可靠性。開關實驗3小時，共計4萬次開關，均可靠啟動。

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

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）06-00-02

0 引 言

路燈照明系統(tǒng)在城市化進程中發(fā)揮著重要的作用，它是每個城市發(fā)展過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)場完成，供電情況、短路跳閘、電流電壓等路燈運行過程中的重要參數(shù)無法實時獲悉，每個路燈定時器無法實現(xiàn)開燈和關燈時間自動控制，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、照明時間更新滯后、維護不及時等現(xiàn)象發(fā)生[1]。另外，我國城市路燈照明系統(tǒng)用電量巨大，約占每個城市用電量的十分之一左右。城市后半夜車輛和行人稀少，對路燈照明需求下降，由于缺乏科學有效的亮度調解手段，城市過度照明和電力資源浪費現(xiàn)象比較普遍[2]。

綜上所述，針對日益擴大的城市照明需求，借助發(fā)展快速的無線監(jiān)控、物聯(lián)網(wǎng)應用等技術解決目前城市路燈監(jiān)控中存在的操作效率低、資源浪費等問題，以實現(xiàn)城市照明系統(tǒng)智能控制和自動調節(jié)功能，成為城市道路照明領域一個急需解決的問題。文章提出了一種基于ZigBee技術和GPRS技術的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)設計方案，構建了對城市路燈實時調整的無線智能監(jiān)控網(wǎng)絡，實現(xiàn)了對每一桿燈的實時定位和控制。

1 系統(tǒng)總體設計方案

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)采用C/S結構，安裝在各條道路的路燈集中控制器上作為客戶端，路燈的實時控制和運行狀況監(jiān)控由服務器負責，服務器是智能監(jiān)控系統(tǒng)的核心[3]。服務器和客戶端之間的網(wǎng)絡傳輸采用GPRS網(wǎng)絡，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GPRS模塊實現(xiàn)，單燈節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信通過ZigBee無線模塊實現(xiàn)。系統(tǒng)搭建了ZigBee技術、GPRS技術和Internet網(wǎng)絡之間的溝通橋梁，開發(fā)了路燈智能監(jiān)控硬件和軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了路燈運行狀態(tài)的即時監(jiān)控和實時控制。系統(tǒng)的整體架構如圖1所示。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能路燈監(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ZigBee的無線接入點，每個節(jié)點設置與路燈編號一一對應的唯一的物理地址。單燈控制器接收從路燈集中控制器發(fā)送的指令，完成路燈調節(jié)、運行狀態(tài)檢測等動作[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控制芯片編號后使用ZigBee和GPRS網(wǎng)絡與單燈控制器和監(jiān)控中心實現(xiàn)無線通信。

（3）監(jiān)控中心：監(jiān)控中心是整個路燈系統(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)有序的運行[5]。

2 單燈控制器設計

單燈控制器可監(jiān)控每個路燈的電壓、電流以及運行狀態(tài)等，可及時發(fā)現(xiàn)路燈存在的問題，并依據(jù)惡劣天氣、擁堵時段、季節(jié)交替等不同情形對每個路燈進行實時調節(jié)，實現(xiàn)照明模式的多元化和智能化，進一步提升城市照明系統(tǒng)的運行效率，降低維護成本。

單燈控制器硬件由數(shù)據(jù)采集模塊、路燈控制模塊、無線信號傳輸模塊、指令執(zhí)行模塊和供電模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊負責將現(xiàn)場采集的模擬信號通過ADC轉換為數(shù)字信號，并發(fā)送到路燈控制模塊；路燈控制模塊對傳送過來的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行存儲、分析，根據(jù)系統(tǒng)設定的控制方案確定路燈操作策略，發(fā)送路燈亮度調解、開關等操作指令；無線信號傳輸模塊與其它傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸和信號交換控制采用ZigBee技術實現(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)點提供電能。

根據(jù)傳感器節(jié)點和單燈控制器的功能要求，路燈控制模塊選用具有現(xiàn)場數(shù)據(jù)存儲量大、支持各種復雜控制技術以及實時控制技術等優(yōu)點的可編程邏輯器件FPGA，其語言支持以及高速并行運行特性為路燈控制模塊的實現(xiàn)提供了重要支撐。ZigBee無線通信模塊選用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)絡中節(jié)點數(shù)量較大，為了便于操作，協(xié)調器、路由和終端節(jié)點的識別全部交由監(jiān)控中心軟件實現(xiàn)。硬件方面除了協(xié)調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市場及ZigBee標準。路端單燈測控器的硬件結構如圖2所示。

3 路燈集中控制器設計

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)的運行狀況獲取、狀態(tài)監(jiān)測和實時控制的樞紐，是城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)功能實現(xiàn)的關鍵環(huán)節(jié)。路燈集中控制器負責將獲取的電流、電壓等路燈運行狀態(tài)信息傳送到監(jiān)控中心，接收監(jiān)控中心發(fā)送來的參數(shù)信息、路燈調節(jié)命令，結合現(xiàn)場狀態(tài)對城市路燈進行參數(shù)設定或實時調整，保證監(jiān)控中心對智能路燈系統(tǒng)的監(jiān)控和管理。

路燈集中控制器將GPRS無線通信模塊、電參數(shù)監(jiān)測模塊、調試電路以及單燈通信的ZigBee無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無線通信模塊、ZigBee無線通信模塊與STM32F303之間的數(shù)據(jù)交換通過串行口電路實現(xiàn)，電參數(shù)測量模塊采用三相電能芯片通過SPI總線與STM32F303進行數(shù)據(jù)通信。

4 監(jiān)控中心軟件的實現(xiàn)

監(jiān)控中心軟件對道路兩旁的路燈進行實時監(jiān)測，數(shù)據(jù)傳輸采用ZigBee無線網(wǎng)絡和GPRS/Internet網(wǎng)絡，一方面接收來自路燈集中控制器發(fā)送的電參數(shù)、運行狀況等數(shù)據(jù)信息，完成對狀態(tài)運行數(shù)據(jù)的保存或顯示等操作；另一方面向路燈控制器發(fā)送即時的狀態(tài)調整和路燈控制命令。監(jiān)控中心和路燈集中控制器之間通過GPRS無線通信網(wǎng)絡相連，路燈數(shù)據(jù)采集、開關、事故報警等功能通過監(jiān)控中心軟件對路燈集中控制器參數(shù)的設定來實現(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)軟件設計界面簡潔，操作方便，管理人員使用簡單的按鍵即可實現(xiàn)對整個路燈系統(tǒng)的管理和維護。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，構建保存路燈集中控制器和單燈控制器的位置信息、路燈調整措施等數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫。

（2）使用GPRS無線通信模塊和ZigBee無線傳輸模塊實現(xiàn)對城市路燈運行狀態(tài)的監(jiān)控，有效統(tǒng)計安裝在路燈上的各類控制器的運行狀況，并自動生成匯總數(shù)據(jù)。

（3）根據(jù)不同條件完成對范圍內每個或者每組路燈的亮度調節(jié)和開關控制。

數(shù)據(jù)處理模塊后臺采用SQL Server 2014數(shù)據(jù)庫，主要存儲從路燈集中控制器獲取的電參數(shù)、開關策略、錯誤信息等數(shù)據(jù)，方便路燈管理人員把握路燈系統(tǒng)的運行狀態(tài)，快速獲取故障信息。網(wǎng)絡通信模塊通過查詢和控制命令的收發(fā)實現(xiàn)運行數(shù)據(jù)的收集和路燈遙控功能。監(jiān)控中心軟件系統(tǒng)結構圖如圖4所示。

5 結 語

隨著我國城市的擴容和改造，城市照明實時控制和節(jié)能等問題受到了越來越多的關注，將物聯(lián)網(wǎng)技術運用到城市照明監(jiān)控系統(tǒng)中可以實時檢測并控制城市照明設施狀態(tài)，使得照明設施便于維修和管理，維護照明設施所需的人力和物力成本大幅減少。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術以及傳感網(wǎng)絡的發(fā)展，智能控制在環(huán)境保護、交通運輸、食品安全以及數(shù)字家居等領域的應用將越來越普遍，智慧城市將變成現(xiàn)實。

參考文獻

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[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)技術的智能照明控制系統(tǒng)設計[J].湖南城市學院學報，2013，22（4）：54-58.

篇7

關鍵詞：LED路燈；智能監(jiān)控；軟件設計；無線

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）34-8271-04

《“十二五”城市綠色照明規(guī)劃綱要》指出雖然全國各地都在積極推行城市綠色照明，加強節(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，仍存在城市照明質量和節(jié)能缺乏有效的監(jiān)管，無法達到國家的節(jié)能減排要求，管理方式比較粗放，大都采用人工方式，缺少精細化管理，城市綠色照明發(fā)展的體制機制還不完善，存在薄弱環(huán)節(jié)，發(fā)展不平衡等問題[1].

在城市照明用電中，路燈占有相當?shù)姆蓊~。由于路燈工作時間長，耗能非常大，因此同樣需要開展綠色照明工作。與《城市道路照明設計標準》CJJ45-2006規(guī)定的高壓鈉燈、金屬鹵化物燈、緊湊型或細管徑熒光燈等傳統(tǒng)路燈相比，作為本世紀新型光源的LED燈具有節(jié)能、環(huán)保、長壽等優(yōu)點，可選用作為道路照明用光源，已開始在道路上獲得應用，是未來路燈發(fā)展的趨勢[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內公司紛紛致力于該領域，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)能的一個重要方面，它可以實時控制LED路燈的開關狀態(tài)，收集LED路燈各個具體參數(shù)，定量描述路燈運行的狀況（如故障率、溫度、開關狀況等），是路燈節(jié)能工作的重要基礎[3]。目前國內應用比較多的節(jié)能設備當屬高壓鈉燈的電壓調節(jié)設備。由于高壓鈉燈消耗的電能和電壓可以用方程式來表示，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、關控制仍由變壓器分散控制，統(tǒng)一性差，故障率高，且由于沒有遠程數(shù)據(jù)采集和通訊功能，無法實現(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)，存在以下問題：系統(tǒng)復雜，難以統(tǒng)一管理；燈光系統(tǒng)覆蓋面廣，維護困難，維護力量嚴重不足，疲于應付；開關控制效率低，用電浪費現(xiàn)象嚴重；存在安全隱患，無法快速掌握運行狀態(tài)，安全無保障，統(tǒng)計困難。因此，利用無線方式來采集信息的思想越來越受到人們的關注。目前國外大多采用的是WLAN、 CDMA/GSM等網(wǎng)絡，但其組網(wǎng)受限制、運行成本相當高。隨著無線傳感網(wǎng)技術的發(fā)展，應用該技術進行LED路燈監(jiān)控成為新的課題[4]。因此結合無線傳感網(wǎng)和LED路燈，研究基于無線傳感網(wǎng)的無線LED路燈監(jiān)控系統(tǒng)，設計監(jiān)控中心上的智能監(jiān)控軟件，實現(xiàn)對路燈的實時監(jiān)控和管理，確保高效穩(wěn)定，全天候運行，監(jiān)控不必要的“全夜燈照明”，有效節(jié)約電能消耗。對于城市公共照明系統(tǒng)來說，采用智能化的管理系統(tǒng)是實現(xiàn)能源節(jié)約、減少資源浪費、滿足人們生活要求、顯示現(xiàn)代化城市靚麗風景的科學解決方案。

1 路燈監(jiān)控系統(tǒng)結構

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)控中心三個部分組成[4]。

Zigbee路燈控制器控制路燈開關（最多可單獨控制9路燈）、亮度調節(jié)、電流采集、溫度采集、開關狀態(tài)采集、電壓采集等。Zigbee路燈控制器分為模塊式（內置燈具中）和外掛式（可內置燈桿中），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)內的所有路燈控制信號、數(shù)據(jù)記錄、報警處理等。它負責監(jiān)控子網(wǎng)內的Zigbee路燈控制器運行，將監(jiān)控中心的命令下達給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Zigbee路燈控制器的中間，向上通過485、RS232等方式同系統(tǒng)中心通信。向下則是通過ZigBee通訊協(xié)議方式，同各個路燈控制器通信，無需通訊費用。

監(jiān)控中心主要實現(xiàn)對不同子網(wǎng)下的Zigbee路燈控制器進行遠程數(shù)據(jù)訪問和監(jiān)控，包括參數(shù)配置，監(jiān)控命令發(fā)送、現(xiàn)場燈具狀態(tài)收集等。當該路段路燈監(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）及時進行反饋報警，特別是各路段亮燈率、白天亮燈報警、電流高限報警，不用派人巡查也能及時清楚該路段的工作情況，及時安排人手維護，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定路燈的照明時間和開關，在滿足基本照明的前提下節(jié)約能耗。

2 智能監(jiān)控軟件設計

在無線LED路燈監(jiān)控系統(tǒng)中，智能監(jiān)控軟件是系統(tǒng)的一個重要組成部分，實現(xiàn)系統(tǒng)的各個數(shù)據(jù)存儲和管理，提供人機交互界面。因此以下介紹智能監(jiān)控軟件的設計。

2.1 功能需求

1） 自動巡測功能：監(jiān)控中心可以自動巡測每路路燈的開關狀態(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)控中心可以隨意開關任何一路路燈或開關自定義群組的路燈。

4） 自動控制功能：現(xiàn)場按預先設計好的時間計劃自動調節(jié)路燈開關時間。

5） 報警功能：將過去的巡邏式維護報警改為預防式等待報警，這樣監(jiān)控中心可以得到第一手資料從而進行調度協(xié)調。故障出現(xiàn)后，監(jiān)控中心可以準確獲取故障燈的位置信息，工作人員可以在最短時間內趕到現(xiàn)場行維護。通過采集電力線的電流、電壓值，通知系統(tǒng)中心，從而進行防盜處理。

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

7） 數(shù)據(jù)存儲功能：可對路燈安裝和時間、地點、運行參數(shù)等用戶關心的信息進行記錄存儲。

8） 數(shù)據(jù)查詢功能：監(jiān)控中心可以通過互聯(lián)網(wǎng)查詢任意時間段每路路燈數(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、開關時間的分析曲線。

10） 拓展功能：如調光監(jiān)控，配合LED調節(jié)燈光亮度，在不影響照明前提下，達到最大節(jié)能效果。系統(tǒng)可自由增減路燈控制器的數(shù)量；路燈控制器可以擴展其它功能，配合其他節(jié)電監(jiān)控技術進一步降低路燈能耗。

2.2 軟件整體框圖

如圖1所示，軟件采用Qt的圖形界面平臺和C++語言[5，6]分別編寫數(shù)據(jù)管理模塊、主界面模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、用戶管理模塊、通信管理模塊五個模塊，最終實現(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)管理模塊負責完成軟件中控制器模塊相關部署運行數(shù)據(jù)（區(qū)域數(shù)據(jù)、街道數(shù)據(jù)、部署配置數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)數(shù)據(jù)兩種控制模塊數(shù)據(jù)）、用戶賬戶相關數(shù)據(jù)和通信配置相關數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)的管理，并對其它模塊提供數(shù)據(jù)支付服務[7]。

如圖3所示，軟件采用繼承機制，設計DataItemBase抽象基類，并實現(xiàn)類型、部署信息、父對象等信息的申明，重新定義了獲取/設置類型函數(shù)，獲取/設置部署信息函數(shù)等函數(shù)。在抽象基類DataItemBase的基礎上，利用C++的多態(tài)性設計了區(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）。定義了各個對象和虛接口函數(shù)，實現(xiàn)控制模塊相關數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接口。

如圖4所示，軟件設計了用戶名、密碼、權限等用戶賬戶參數(shù)，并提供了用戶驗證函數(shù)、權限驗證函數(shù)、各個參數(shù)設置等多個函數(shù)，實現(xiàn)了對系統(tǒng)中各個用戶賬戶的管理。

通信配置相關數(shù)據(jù)主要考慮串口的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗位和流控制等參數(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。

整個數(shù)據(jù)管理模塊的數(shù)據(jù)在軟件開始運行時創(chuàng)建并初始化，具體數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)庫管理模塊提供。在軟件運行過程中，數(shù)據(jù)的任何改動都將及時反饋給數(shù)據(jù)庫管理模塊。數(shù)據(jù)庫管理模塊尋找對應的數(shù)據(jù)項，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

主界面模塊負責與用戶的交互和界面維護的工作，其功能主要集中在運行數(shù)據(jù)顯示和處理用戶圖形化界面輸入兩個方面。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形結構顯示，同時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責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，并負責用戶對顯示的圖形化數(shù)據(jù)信息進行的交互工作。該組件同時還和街道與控制模塊管理組件進行協(xié)調工作，實現(xiàn)指定街道或控制模塊在地圖上的快速定位。

監(jiān)控數(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)點編碼、節(jié)點地址、電控箱編號、開關狀態(tài)、亮度、當前電壓、當前電流、當前溫度等路燈控制器的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，方便用戶及時查看系統(tǒng)運行狀況。

控制面板組件是用戶控制Zigbee路燈控制器的人機交互界面，針對于用戶選擇的不同（是否為控制模塊），進行相關路燈控制選項的顯示。在用戶完成相關運行選項配置后，控制面板組件將根據(jù)配置信息生成相應的控制命令信息通過通信管理模塊發(fā)送給底層硬件，完成用戶對底層硬件的圖形化控制。

2.2.3 數(shù)據(jù)庫模塊

為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理和存儲，數(shù)據(jù)管理模塊和數(shù)據(jù)庫模塊互相協(xié)調運行。如圖6所示，數(shù)據(jù)庫模塊在提供對數(shù)據(jù)庫操作的同時，還提供對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的顯示和簡單分析功能。數(shù)據(jù)庫管理部分主要實現(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)、控制模塊的歷史運行數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)的表創(chuàng)建、出庫、入庫、更新和添加等操作，并提供了各個操作接口，實現(xiàn)與數(shù)據(jù)管理模塊的互動。數(shù)據(jù)曲線顯示和數(shù)據(jù)分析是使用戶對系統(tǒng)運行狀態(tài)有一個直觀的認識，具有實時數(shù)據(jù)的曲線顯示功能，同時提供給用戶簡單的數(shù)據(jù)分析功能。曲線顯示和分析的數(shù)據(jù)來源就是軟件在運行過程中存入數(shù)據(jù)庫的運行數(shù)據(jù)。軟件系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)庫為無服務免配置的Sqlite數(shù)據(jù)庫，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人機交互界面――用戶的登入界面和管理員用戶設置界面，實現(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，即主要實現(xiàn)用戶賬戶的創(chuàng)建、登入、修改和用戶賬戶權限范圍的設置、修改和管理。并防止未授權的用戶修改系統(tǒng)軟件，威脅系統(tǒng)的運行[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，實現(xiàn)與系統(tǒng)底層各個設備的數(shù)據(jù)通信，從而實現(xiàn)用戶對底層硬件的控制。控制管理模塊主要負責對多種通信接口（如串口、以太網(wǎng)接口等）進行配置和管理，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)用戶設置生成的命令字就是通過本通信管理模塊發(fā)送給底層硬件設備的。

通信控制管理模塊還負責接收底層設備發(fā)送的各種控制器狀態(tài)反饋信息數(shù)據(jù)，其還設有數(shù)據(jù)解析模塊對接收的數(shù)據(jù)進行解析，并通過與數(shù)據(jù)管理模塊的接口完成相應數(shù)據(jù)的更新工作。

4 設計效果圖

如圖8所示，軟件按照路燈的部署信息以街道à控制模塊的順序進行樹形結構的顯示。

如圖9所示，軟件為了方便用戶對特定控制器模塊或街道的定位，提供對兩個對象的快速查找功能和界面。

如圖10所示，軟件同時設置地圖定位功能，用戶查詢指定街道或控制模塊的同時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，設置有地圖導航工具欄，包括實現(xiàn)地圖縮放（zoom）、導航（navigation）等功能。

如圖12所示，軟件將收集的信息根據(jù)表格型結構顯示。

如圖13所示，控制面板組件根據(jù)當前選擇的控制對象進行相應的控制選項的顯示。對于控制模塊對象，主要選項包括開啟時間段設置、亮度設置，而對于街道對象，則包括節(jié)能控制策略的設置。

如圖14所示，左上角的系統(tǒng)配置菜單欄主要用來配置串口和波特率。左邊一欄是控制箱，允許存在多個控制器，單個控制器代表一個Zigbee路燈控制器。右邊的控制面板上對路燈控制器進行控制，只要選擇當前的亮度值再執(zhí)行即可。圖下面的監(jiān)控欄上顯示當前路燈控制器的各個信息如節(jié)點編號、節(jié)點地址、開關狀態(tài)、幅度、亮度、電壓、電流和溫度等狀態(tài)?？刂泼姘迳线€預留了點亮時間段、街道查詢、控制模塊查詢等其它功能。

5 總結

針對無線LED路燈的智能控制系統(tǒng)，設計了由數(shù)據(jù)管理模塊、主界面模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、用戶管理模塊和通信管理模塊五個模塊組成的無線LED路燈的智能監(jiān)控軟件。該軟件基于Qt圖形界面平臺，采用C++語言編寫完成。設計過程中充分考慮了各個模塊間的依賴性關系，進行了模塊化的解耦設計。軟件平臺對現(xiàn)場設備和數(shù)據(jù)通信依賴很小，對于不同的路燈監(jiān)測應用，經(jīng)過適當?shù)呐渲煤驼{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。

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[5] 譚浩強.C++面向對象程序設計[M].北京： 清華大學出版社，2006.

篇8

關鍵詞 道路；照明；控制

1 道路照明常用的控制方法

1）定時控制：人工控制；定時鐘控制；微型計算機控制（路燈控制儀）；2）光電控制：光電控制器控制；3）光電控制與定時控制的結合：光電控制器+定時針，即微機光控路燈控制儀。

道路照明設備控制的運行方式有：（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）無線控制。

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

選用控制器件應滿足：（1）抗電磁干擾能力強：如電源電壓有較大幅度的波動或外界有電磁干擾時，能正常運行；（2）能適應運行環(huán)境的溫差范圍大；（3）合理的控制道路照明的全年總燃點小時數(shù)，達到合理控制年耗電量；（4）盡量避免在運行中進行調試，并盡可能使安裝與操作簡便。

在選用控制的運行方式時，應盡可能達到：（1）控制范圍大，能通過控制線路執(zhí)行控制器件的多個指令；（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，應盡量縮小故障范圍；（3）控制系統(tǒng)的運行方式，盡量不受電源電壓波動的影響；（4）投資合理，運行維護量小。

2 控制用器件

2.1 SDK-2型石英電力定時控制器(簡稱定時鐘)

SDK-2型定時鐘適用于常年不變啟閉時刻的路燈控制，如半夜燈的啟閉。其技術數(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）最小控制時段：1.5h。

2.2 光電控制器

光電檢測元件(硅光電池)將光強弱的變化轉變?yōu)殡娦盘柕淖兓Ｈ缫鼓唤蹬R時，天慢慢的黑下來，光電檢測元件所檢測到數(shù)毫伏的電信號，經(jīng)放大器和比較器輸出開燈信號，并經(jīng)抗干擾延時，再作用到輸出繼電器，點燃路燈。

次日拂曉，光電信號逐漸增強，當達到大于關燈給定值時，比較器就輸出關燈信號，經(jīng)抗干擾延時，作用到輸出繼電器，熄滅路燈。

光電控制器的技術數(shù)據(jù)：

1）可調光控范圍：0.4～2LX；

2）控制容量：AC220V，3A；

3）開關燈延時：約30s，開關燈給定切換延時大于15min；

4）工作電源：AC220V，50Hz；

5）工作環(huán)境溫度：15℃～+45℃。

3 開關設備

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合體HRD。既可裝在道路照明的電源控制箱內，也可裝在線路上作分支保險使用。為保證HRD。路燈刀閘在室外使用的壽命，各部螺絲、螺母均應用銅材或不銹鋼材料制成。

安裝時，電源接在刀閘側，負荷接在熔斷器的出口側。更換熔絲時，應遵守低壓帶電操作法，但仍需斷開刀閘。

3.2 開關

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，即電源側全天有電，道路照明電源的啟或閉，一般由自動空氣開關、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，所以要求開關有足夠的額定電流。

4 控制電路

在設計控制電路、控制運行方式及選擇控制器件等一系列問題時，必須從本地區(qū)的實際情況出發(fā)，并征詢供電部門的意見。道路照明控制電路的選擇，必須與其供電方式、控制運行方式相結合。如北京、天津采用高壓供電方式，則選用計算機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，如一個控制點能控制千盞燈左右的，宜用計算機光控路燈控制儀；如一個控制點僅能控制幾十盞燈左右(即一個控制器件控制一個電源點)，宜用分式型路燈控制儀。選擇控制器件時應考慮接線方便，盡量防止誤動作及在控制器件失靈下便于改換成人工控制。

5 供電和控制的運行方式

道路照明與美化城市和保證市民安全密切相關，因此為道路照明提供不問斷電源，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)點是：不受限電影響，供電可靠性好。白天線路無電，可減少變壓器空載損失。道路照明負荷較穩(wěn)定，故電壓波動幅度小。在變壓器的二次出線沒有電度表箱等附屬設施時，大片滅燈的機率少。

高壓供電的缺點：三相供電負荷不能平衡，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架設時易發(fā)生混線，并通過混線點將民用低壓電源經(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)點是：不用架設專用10kV線路，因此工程小，投資省。其主要缺點是：（1）在不設專用變壓器并采用串聯(lián)控制時，往往照明低壓線路過長，線路末端電壓過于偏低；（2）附屬設施多和受限電的影響，大片滅燈次數(shù)較多；（3）電壓波動范圍較大；（4）在專設變壓器時，空載損失過大。

篇9

關鍵詞：路燈 節(jié)能 模糊控制

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：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

路燈是我國經(jīng)濟發(fā)展和國家建設中必需的用電設備，它在我國的整體用電量中所占比例巨大。據(jù)統(tǒng)計，2009年全國用電總量為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于簡單，存在路燈運行狀態(tài)、信息難以反饋和難以進行合理控制等問題，造成了區(qū)域不平衡供電和過度供電的現(xiàn)象（電壓過高或“全夜燈”現(xiàn)象），每年將造成幾百億度的電能浪費，還極大地影響用電設備和燈具的使用壽命，造成了巨大的經(jīng)濟損失[1]。尤其吉林省路燈過度供電的現(xiàn)象尤為嚴重，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)濟造成了極大的浪費。本項目所開發(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)，能對區(qū)域內的路燈進行自動狀態(tài)監(jiān)測、照明控制及管理，自動調整路燈在不同時間、不同交通流量下的耗電量，可解決路燈區(qū)域不平衡供電和過度供電造成的電能極大浪費和燒毀燈具的難題。

1 總體方案設計

本文所構建的基于無線傳感器網(wǎng)絡的路燈節(jié)能控制系統(tǒng)由路燈管理中心平臺、路燈區(qū)域控制器、傳感器節(jié)點組成[2]。路燈管理中心平臺負責所有信息的匯總、統(tǒng)計、分析和處理，實現(xiàn)對區(qū)域控制器節(jié)點的控制；路燈區(qū)域控制器（即分簇結構中的簇頭節(jié)點）負責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、上報運行數(shù)據(jù)。傳感器節(jié)點負責某段區(qū)域路燈的控制和狀態(tài)檢測。傳感器節(jié)點、路燈區(qū)域控制器和路燈管理中心之間采用Zigbee協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，傳感器節(jié)點與所轄區(qū)域內各路燈之間采用電力線載波通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸。其系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 傳感器節(jié)點

傳感器節(jié)點由四個部分組成：數(shù)據(jù)采集模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊[3]。如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集模塊由光敏、聲音傳感器進行所轄區(qū)域內光照、聲音信息的采集，并將采集的信號通過信號調理電路變?yōu)槠渥優(yōu)檫m合傳輸?shù)臄?shù)字信號，傳送給微處理器模塊[4]；微處理器模塊負責控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)；無線通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信，實現(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)點提供運行所需的能量，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通過輸入智能控制器，實現(xiàn)所轄路段路燈的開啟和關閉[6]。道路上的人車流量通過聲音傳感器輸入智能控制器，通過模糊控制算法進行實時處理后，利用晶閘管的移相控制原理，根據(jù)時間和車流量對三相交流調壓電路中晶閘管的導通角進行控制，進而改變照明電路的輸出電壓，達到平衡供電，實現(xiàn)節(jié)能控制的目的[7]。控制原理[8]如圖3所示。

同步信號采樣電路是按照三相交流調壓電路的控制規(guī)律要求，為晶閘管的移相觸發(fā)電路提供同步信號；移相觸發(fā)脈沖電路根據(jù)觸發(fā)角指令的要求，結合同步信號，來控制三相交流調壓電路中晶閘管的導通角來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，采集的光信號與聲音信號通過放大、轉換后輸入到控制器的微處理器中，通過模糊控制的方式將采集的數(shù)據(jù)進行處理比對，選取最優(yōu)化的控制信號加以輸出?？勺冸娍蛊魇怯脕砀綦x高壓和低壓，將電抗器的高壓側與路燈相連，在電抗器中增加二次繞組作為低壓側，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。當晶閘管控制角的發(fā)生變化時，電抗器低壓側和高壓側的電壓大小也隨之改變，進而使得路燈的端電壓發(fā)生變化，改變路燈的照明亮度，以實現(xiàn)路燈的軟起動和調壓節(jié)能。路燈區(qū)域控制器還對三相電流的不平衡情況進行監(jiān)視，實現(xiàn)三相不平衡保護和缺相保護，通過對負載端電壓的反饋、比較，實現(xiàn)電壓檢測。

3 實驗結果

本測試工作的重點是圍繞利用無線傳感器網(wǎng)絡，對溫濕度、光照強度、電壓信號等參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集和分析。

3.1 組建網(wǎng)絡

首先，根據(jù)設備在網(wǎng)絡中的功能，預先對裝置編制好程序。網(wǎng)絡協(xié)調器通過串口與PC機相連，可以在串口調試助手上觀察網(wǎng)絡組建時的實驗數(shù)據(jù)結果。協(xié)調器的功能是通過掃描搜索，以發(fā)現(xiàn)一個未用的信道來啟動一個網(wǎng)絡。

網(wǎng)絡協(xié)調器上電后建立起ZigBee網(wǎng)絡，路燈節(jié)能控制系統(tǒng)傳感器節(jié)點自動加入網(wǎng)絡。當各節(jié)點加入網(wǎng)絡時，各節(jié)點網(wǎng)絡指示燈均亮起，表明組網(wǎng)成功。在采集管理界面中將傳感器節(jié)點逐漸加入到網(wǎng)絡協(xié)調器建立的網(wǎng)絡中，并在信息顯示窗口中顯示建網(wǎng)完成后，采集網(wǎng)絡建立完成，各采集器數(shù)據(jù)信息最終傳輸?shù)骄W(wǎng)絡協(xié)調器。

3.2 上位機顯示界面

為了系統(tǒng)調試的方便和水質監(jiān)測系統(tǒng)可視化人機界面的可操作性，本系統(tǒng)在Microsoft Visual C++6.0環(huán)境下實現(xiàn)了系統(tǒng)串口通信程序，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)在計算機上的實時顯示。

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

操作區(qū)：主要顯示當前所使用的串口以及相應的狀態(tài)，服務器狀態(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)點狀態(tài)區(qū)：實時顯示當前網(wǎng)絡中各傳感器所采集到的溫度、光強、氣體、路燈的數(shù)據(jù)信息。

4 結語

本項目構建的基于無線傳感器網(wǎng)絡的智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)，能對區(qū)域內的路燈進行自動狀態(tài)監(jiān)測、照明控制及管理，自動調整路燈在不同時間、不同交通流量下的耗電量，可解決路燈區(qū)域不平衡供電和過度供電造成的電能極大浪費和燒毀燈具的難題。

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篇10

關鍵詞： ZigBee； 路燈； 微波雷達； 光照控制； 時間控制

中圖分類號： TN911?34； TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）19?0029?04

0 引 言

隨著中國城市和經(jīng)濟的迅速發(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，但是照明在帶來絢麗和方便的同時，也遇到了諸多問題。據(jù)調查，我國小型城市在夜晚9點后，大中城市在午夜12點后，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點以后，道路上也罕見行人、車輛。這時如果保持“恒照度”會造成資源的大量浪費；另外后半夜是用電的低谷期，電力系統(tǒng)的電壓升高，路燈反而會更亮，而我國現(xiàn)行70%的道路照明使用的高壓鈉燈，此類電網(wǎng)電壓的波動致使燈泡的實際使用壽命不超過1年，帶來了高額的維修費和材料費，并且系統(tǒng)難以及時反饋路燈運行的故障信息，無法進行遠程控制和處理，只能采取人工巡查方式。路燈控制系統(tǒng)從最初的開關控制功能，逐漸演化到監(jiān)控節(jié)能控制功能，各種新技術被用于路燈監(jiān)控系統(tǒng)中。路燈控制方法有PLC控制，電力載波控制和無線網(wǎng)絡控制等 [1?4]。從路燈控制系統(tǒng)的成本、可靠性、信息化、應用前景等方面考慮，本設計采用ZigBee無線自組網(wǎng)網(wǎng)絡技術實現(xiàn)LED路燈節(jié)能控制系統(tǒng)的設計。

1 系統(tǒng)實現(xiàn)方案

按照系統(tǒng)要求，本設計主要完成支路控制器和路燈及二者之間的通信網(wǎng)絡設計，其中支路控制器完成時間、光照信息的測量，路燈終端完成故障診斷和移動物體的檢測，利用ZigBee無線網(wǎng)絡技術實現(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)包括時間模塊、鍵盤模塊、顯示模塊和光照采集模塊；ZigBee協(xié)調器包括顯示模塊和鍵盤模塊；ZigBee路由和終端包括微波雷達檢測模塊、故障檢測模塊和路燈控制模塊。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

ZigBee技術是一種新興的短距離無線通信技術，在近距離無線網(wǎng)絡領域得到廣泛應用。ZigBee技術采用自組網(wǎng)絡，其網(wǎng)絡拓撲機構可以隨意變動，這一特點對實現(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)絡拓撲結構可分為：網(wǎng)狀結構、星型結構和樹狀結構，考慮到樹狀結構能夠提高通信網(wǎng)絡的可靠性，因此本設計中無線系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲采用樹狀結構，使用路由功能傳輸。無線系統(tǒng)由一個ZigBee協(xié)調器、若干個路由控制器和若干個路燈終端所組成，網(wǎng)絡示意圖如圖2所示。根據(jù)ZigBee通信組網(wǎng)技術的特點，將ZigBee技術與傳統(tǒng)的路燈控制模式相結合，根據(jù)不同路段及時間，對協(xié)調器設置不同的檢測與控制方式，能及時對路燈進行相應的控制并發(fā)現(xiàn)路燈損壞情況和它的具置，方便維修管理，實現(xiàn)按需節(jié)能、智能化管理，達到城市照明系統(tǒng)節(jié)能減排的目標。

2 硬件設計

2.1 支路控制器設計

根據(jù)系統(tǒng)功能，支路控制器主要包括時空電路、光控電路、鍵盤及顯示等，電路如圖3所示。時間控制芯片采用的是DS12887芯片，其內部自帶鋰電池，外部掉電時，還可準確走10年之久，有12小時制和24小時制，數(shù)據(jù)可分二進制或BCD碼傳送，使用非常方便。環(huán)境光檢測部分采用的是光敏電阻加LM339電壓比較器的測量方案[8]。電阻[RV2，][R5，][R9]及光敏電阻共同構成了惠斯頓電橋的兩個橋臂。在光線相對較強時，電路輸出端輸出低電平；當光線強度相對較暗時，電路輸出端輸出高電平。統(tǒng)共設置5個按鍵，采用獨立式鍵盤，包括時間調節(jié)鍵，模式選擇鍵及季節(jié)設置鍵。時間調節(jié)鍵三個，設置鍵、上調鍵和下調鍵，按下設置鍵開光標，上下調節(jié)鍵用來調節(jié)時間。模式選擇鍵，采用自鎖式按鍵，進行繁華和偏僻模式轉換。季節(jié)設置鍵，也采用自鎖式按鍵，進行夏季和冬季轉換。

2.2 ZigBee協(xié)調器設計

ZigBee協(xié)調器負責組建網(wǎng)絡與信息的收發(fā)處理工作。協(xié)調器不斷采集主機發(fā)來的開關路燈與開關雷達指令，通過發(fā)送不同的字符給終端使其作相應的操作。同時能夠顯示故障地址，并能對故障信息進行清除。當接收到終端和路由發(fā)來的故障地址時，將地址顯示在LCD上。由于CC2530的IO口資源較為緊缺，所以設計時選擇串口驅動方式。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，此時只要按下故障清除按鍵即可。ZigBee協(xié)調器接口電路如圖4所示。

2.3 ZigBee路由和終端系統(tǒng)

ZigBee路由和終端系統(tǒng)接收來至協(xié)調器開關燈與開關雷達的指令，某個路燈出現(xiàn)故障時發(fā)送本路燈的地址給協(xié)調器。因此ZigBee路由和終端系統(tǒng)由微波雷達檢測模塊、故障檢測模塊及LED路燈控制模塊組成。

2.3.1 微波雷達檢測模塊

微波雷達傳感器受氣流、溫度、塵埃的影響較小，因此設計中選用標準的10.525 GHz微波多普勒雷達探測器HB100進行移動物體檢測。在人與車稀少的區(qū)段開啟移動物體檢測模塊，當有移動物體在路燈所檢測的范圍內活動時開啟路燈；當移動物體離開后保持路燈處于低亮狀態(tài)一段時間，STC15F104單片機提供延時，并由P3.1口輸出控制信號。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與雷達模塊是否上電工作。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通。

2.3.2 故障檢測模塊

故障檢測電路如圖6所示。夜晚開啟路燈的同時開啟故障檢測模塊，路燈正常工作時光線強，比較器輸出低電平；路燈故障時，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?，此時如若直接連接到ZigBee模塊上它會不斷的發(fā)送故障信息，造成系統(tǒng)資源的浪費。設計中用STC15F104單片機不斷的檢測比較器的輸出端，出現(xiàn)故障時由P3.3端向ZigBee模塊輸出一個負脈沖。單片機的工作電源由ZigBee模塊的LED端控制，保證系統(tǒng)在高亮時段實時檢測故障從而節(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。當定時時間到時開啟路燈，開啟模式為全亮；進入雷達檢測模式后，有移動物體出現(xiàn)在檢測范圍內，開啟全亮模式；兩種控制用與門連接，有一個輸出為低電平就開啟路燈。沒有移動物體在雷達檢測范圍之內時路燈處于半亮模式，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行隔離。

3 軟件設計

系統(tǒng)上電后進行初始化，檢測系統(tǒng)是否正常工作，如果正常則按照路燈控制界面進行狀態(tài)檢測并對路燈進行輸出控制，使路燈按照既定程序實現(xiàn)開/關狀態(tài)。主機系統(tǒng)顯示相應的控制信息；協(xié)調器不斷檢測主機數(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)調器的數(shù)據(jù)進行。系統(tǒng)軟件設計主要包括主機軟件設計、協(xié)調器軟件設計、路由器和終端軟件設計等三大部分。其中在協(xié)調器軟件設計、路由器和終端軟件設計上協(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 主機系統(tǒng)軟件設計

根據(jù)智能路燈系統(tǒng)實現(xiàn)功能的需要，主機系統(tǒng)軟件劃分為以下幾個部分：監(jiān)控主程序、日歷時鐘子程序、LCD顯示子程序、鍵盤掃描子程序、光線明暗檢測子程序。監(jiān)控主程序通過對時間、鍵盤、光線情況的循環(huán)判斷，決定是否執(zhí)行相應的功能程序。主機軟件設計流程圖如圖8所示。主機根據(jù)時間與外界光線狀態(tài)發(fā)出控制命令如表1所示。

3.2 協(xié)調器系統(tǒng)軟件設計

根據(jù)協(xié)議棧對協(xié)調器系統(tǒng)進行軟件編程。實現(xiàn)此項目要求只需修改協(xié)議棧的應用層和硬件層。應用層執(zhí)行查詢任務工作，修改硬件層使整個系統(tǒng)與所擴展的硬件匹配[10]。

3.2.1 硬件層的修改

定義協(xié)調器的P2.0、P2.1為數(shù)據(jù)的輸入端口。協(xié)調器上有顯示故障信息的12864顯示模塊，首先建立一個lcd.h文件，在內部定義所應用的管腳定義及相應的宏定義。之后按照12864的時序編寫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 應用層修改

系統(tǒng)不斷的采集主機數(shù)據(jù)輸出端口發(fā)來的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的不同而執(zhí)行相應的操作。首先將讀取主機數(shù)據(jù)任務ID號加入到任務中，這樣在任務循環(huán)執(zhí)行時方可執(zhí)行到，否則永遠執(zhí)行不到這個任務。協(xié)調器讀取任務流程如圖9所示。

3.3 路由器和終端節(jié)點系統(tǒng)軟件設計

根據(jù)協(xié)議棧對路由器和終端節(jié)點系統(tǒng)進行軟件編程。同樣只需修改協(xié)議棧的應用層和硬件層。應用層執(zhí)行查詢任務工作，修改硬件層使整個系統(tǒng)與所擴展的硬件匹配。路由器和終端節(jié)點系統(tǒng)中開關燈、開關雷達端口用協(xié)議棧內部定義好的兩個LED燈端口。用控制兩個LED燈的開/關分別控制路燈開/關、雷達控制開/關。路由器和終端節(jié)點系統(tǒng)接收來自協(xié)調器的字符控制信號，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)下燈泡的光照強度進而判斷是否出現(xiàn)故障，出現(xiàn)故障進入故障處理函數(shù)，編輯路燈地址并發(fā)送到協(xié)調器。

4 總 結

本文從應用方面著手對ZigBee技術的網(wǎng)絡拓撲結構進行研究，采用TI公司的Z?Stask協(xié)議棧和IAR開發(fā)環(huán)境，以CC2530芯片為核心構建了一個基于ZigBee通信網(wǎng)絡的路燈控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡規(guī)模的大小，取決于實際控制路燈的多少。終端控制器的定時時間，可以根據(jù)不同地區(qū)、不同季節(jié)由主控制機統(tǒng)一設定。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，并且還保護了電燈，延長了其使用壽命；另一方面智能路燈控制系統(tǒng)可對全部路燈進行實時監(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、財力的投入，同時提高了巡查設備和路燈的工作效率。

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