基于zigbee的智能节能路灯控制系统

基于zigbee的智能节能路灯控制系统

1 引言

传统的路灯节能系统存在着智能化程度低、通讯稳定程度差、路面照度分布不均等问题。目前路灯电费和管理费用是政府的一项巨大的财政支出。从路灯节能控制系统的成本、可靠性、信息化、应用前景等方面考虑，采用ZigBee无线自组织网络技术无疑是可以实现路灯节能控制系统的智能化、信息化、可靠性高、低成本的目标。

2 系统方案

本系统采用ZigBee和GPRS无线网络两层网络。ZigBee路由节点安装在路灯灯杆上，起着控制路灯节能和为其他节点的信息中寄的作用。在系统各子网内路灯控制器通信采用ZigBee协议，无需通信费用，子网控制器是采用GPRS数传终端，对子网内采用ZigBee协议与路灯控制器通信，对系统中心通过GPRS通信。ZigBee网络协调器负责建立网络和管理网络，形成一个ZigBee子站，远程控制中心通过GPRS网络于ZigBee子网相联。

①路灯控制器

主要功能有：控制路灯开关、亮度调节、电流采集、电压采集、计算功率以及功率因数等。

②子网控制器（GPRS数传终端）

主要功能有：接收和发送子网内的所有路灯控制信号、数据记录、报警处理等。它负责控制子网内的路灯控制器运行，将系统中心的命令下达给路灯控制器，将路灯控制器及线路信息反馈系统中心。子网

控制器处于系统中心和子网内路灯控制器的中间，向上通过GPRS 同系统中心通信，向下则是通过ZigBee通讯协议方式，同各个路灯控制器通信。

③系统中心

系统中心主要实现通过系统控制软件对子网下的路灯控制器进行远程数据访问和控制，包括参数配置，控制命令发送、现场灯具状态收集等。能够显示路灯状态（亮度、电压、电流、功率和功率因数）信息，能够远程控制路灯的开关和调节路灯的亮度，可以实现时序调度事件、读取数据记录、监视事件和报警应答等操作。

3 节能策略

控制模型采用基于功率的闭环控制系统。在容许的超调亮范围内实现对路灯功率的自动调节，通过单片机控制可控硅的导通角，对路灯的功率进行调节。

智能感应控制。白天，当光线达到预期要求时关灯；晚上，当有人或车辆经过时，控制路灯自动控制打开路灯或者增强路灯的亮度；而在一段时间内没有人或车辆经过，自动延时后关闭路灯或者减弱路灯亮度。

系统控制网络拓扑图

系统架构图

4 系统功能介绍

(1)自动巡测功能：系统中心可以自动巡测每路路灯的开关状态。

(2)数据采集功能：采集电流、电压、功率因素等数据。

(3)过载保护：通过采集到的数据进行处理判断，保证负载处于合理范围内。

(5)控制功能：系统中心可以随意开关任何一盏路灯。

(6)自动控制功能：现场按预先设计好的时间计划自动调节路灯开关时间。

(7)报警功能：故障出现后，系统中心可以准确获取故障灯的位置信息，工作人员可以在最短时间内赶到现场进行维护。通过采集电力线的电流、电压状况，通知系统中心，从而进行防盗处理。

(8)数据存储功能：可对路灯安装和时间、地点、运行参数、工作时间等用户关心的信息进行记录存储。

(9)数据查询功能：系统中心可以通过互联网查询任意时间段每路路灯数据信息。

(10)远程维护功能：进程网络维护，控制模块具备远程参数设置和维护功能。

(11)信号传递功能：将任一路灯所在处人和车辆的情况传递到下一个路灯，可以通知下一个路灯提前点亮。

5 具体实施方案和过程

5.1灯泡亮度调节控制方法

利用可控硅实现基于单片机的可控硅功率调节电路。可控硅调节

功率具有不冲击电网、对用电设备不产生干扰等优点，是一种应用广泛的功率调节方式。所谓功率调节就是控制在给定周期内可控硅的导通时间，从而改变负载功率，实现功率调节。

实现可控硅功率调节须解决3个技术关键：(1)获取工频交流电源的过零脉冲，作为触发双向可控硅的同步脉冲；(2)将控制算法得到

的控制量变为可控硅在给定周期内的导通时间；(3)隔离工频交流电

源强电对微机系统和控制电路弱电的干扰。

可控硅功率调节电路如图1

220V

220V

P1.2

P1.1

图1

电路中，光电耦合器TIL117用于产生工频交流电的过零脉冲。交流电经全波整流后驱动光电耦合器输入端的发光二级管的通断，通过合理设计光电耦合器电阻R1和和R2的阻值，在光电耦合器输出端即可获得1个幅值和宽度均能满足要求的过零脉冲。该脉冲信号分为两路：一路送至单片机的高速输入通道HIS的引脚，另一路送至与非门的1个输入端，与之对应的另一输入端接门控信号，以控制过零脉冲在T周期内通过与非门的时间。该门控信号就是单片机高速输

出通道P1.1输出的脉宽信号。

由与非门输出的过零脉冲通过光电耦合器TIL113隔离传输至双向可控硅触发电路，为使可控硅可靠导通，同步触发脉冲再经晶体管功率放大，R9为负载电阻。

由图1可知，光耦合器TIL117和TIL113将工频交流强电与单元机电路弱电隔离，提高了系统的抗干扰能力和工作的可靠性。5.2灯泡功率因数测量方法

5.2.1功率因数是电力供电系统重要参数之一，将直接影响电网供电质量。采用电流和电压信号的门限电压值的“过零检测”技术，实现信号功率因数的测量。该测量仪具有硬件电路结构简单、实用、测量精确度高、抗干扰能力强等特点。

图1为功率因数测量中的相位-时间转换法的结构框图。

由于电力系统中工频周期为20 ms，因此，电压与电流的相位差测量精度取决于相位差信号的高电平宽度的测量。相位差为Φ的电压和电流信号Ui和Ii分别经电压转换器和低通滤波器。再经相应过零比较器变成方波，最后经相位-时间转换电路得到与相位成比例的高电平方波。

图2给出图1中各节点的信号波形。

相位-时间转换法所得Φo与实际相位有一定的相位差，这是由低通滤波器引起的，可通过软件进行补偿。Φo信号是由单片机定时器定时计数高电平而测量的，其相位差Φ为：

式中，△t为高电平宽度。

余弦值的计算采用查表和小数补偿算法。首先对计算出的相位整数度查表，求得当前值和下一整数值的余弦值；然后，计算小数部分余弦值的增量值为两整数余弦值之差乘以小数部分，最后，将当前值的整数相位余弦值加上小数值进行校正补偿。这样就可得到精度较高的功率因数。

5.2.2系统硬件结构及其工作原理

图3为功率因数测量电路原理图，该测量仪由信号预处理电路、相位检测电路、电源、显示和单片机小系统等模块组成。图3中的Ui、Ii、Uo、Io和Φo各节点与图1中的各点相对应。

图3 功率因数测量电路原理图

信号预处理电路

电压预处理电路由电压转换电路和过零比较器组成。实验发现，采用隔离变压器进行电压信号转换会造成相位偏移，且相位偏移不够稳定。因此，电压转换电路采用光电隔离器构成，由于发光管发光具有一定的滞后特性，因此由光电隔离器构成的电压转换电路除具有无相位偏移的特点外，还具有很高的过零点检测的稳定性和可靠性。

电流预处理电路由低通滤波器和过零比较器组成。电力系统中通常有电力设备开关和控制造成的突发脉冲、高次谐波和噪声等因素的干扰，这些干扰频率通常高于工频，且主要体现在电流中。为了滤除或降低干扰，在电流预处理电路中设置由U21构成的二阶低通滤波器。其传递函数为：

电流门限检测电路由VD31和C31构成的半桥滤波器和比较器U31构成，只有当电流达到一定值时，比较器输出为高电平。单片机通过检测到P3．7引脚的状态为1，才开始功率因数检测。图3中U13和U22分别构成两个过零比较器，由于比较器采用单5 V供电，满足TTL电平要求。过零比较器输出端的是与输入信号频率相同的方波。

相位检测电路

由于电力系统中电压与电流的相位差大于-90°，且小于90°。因此，可直接对电压信号预处理输出的方波信号和电流信号预处理的方波信号进行异或运算。得到一串脉宽与相位成正比的脉冲波。

系统软件设计

为避免随机干扰和测量结果的不稳定，提高相位测量精度，采用相位差中值滤波测量法：首先，采用排序技术对N个测量值进行冒泡排序排序，然后，取中间(N-2)个测量值，求平均值作为相位差值。采用这种方法能够很好地提高测量仪的抗干扰能力问题。

测试结果

功率因数测量仪的关键技术在于对相位的精确测量。在完成硬件电路设计后．采用数字示波表测试相位检测电路中的电压和电流信号，测试结果如图6所示。

通过对测试电压和电流波形的分析可知：当电流信号发生严重畸变时，系统硬件能够很好地进行滤波整形，进而保证相位检测的精确度和准确度。由于在系统软件中采用中值滤波技术，因此，在工业现场实际测试时，测量结果具有很高的稳定性和测量精度。

5.3传感器

5.3.1热释电红外传感器

正面反面

技术参数：

1.工作电压：DC5V~20V

2.静态功耗：65微安

3.电平输出：高3.3V低0V

4.延时时间：可调（0.3秒~18秒）

5.封锁时间：默认0.2秒

6.触发方式：L不可重复，H可重复

7.感应范围：小于120度锥角，7米内。

8.工作温度：-15~70度

9.PCB外形尺寸：32*24mm，螺丝孔距28mm，螺丝孔径2mm

使用方法：

1.感应模块通电后有一分钟左右的初始化时间，在此期间模块会间隔地输出0-3次，一分钟后进入待机状态。

2.应尽量避免灯光等干扰源近距离直射模块表面的透镜，以免引进干扰信号产生误动作；使用环境尽量避免流动的风，风也会对感应器造成干扰。

3.感应模块采用双元探头，探头的窗口为长方形，双元（A元B 元）位于较长方向的两端，当人体从左到右或从右到左走过时,红外光谱到达双元的时间、距离有差值，差值越大，感应越灵敏，当人体从正面走向探头或从上到下或从下到上方向走过时，双元检测不到红外光谱距离的变化，无差值，因此感应不灵敏或不工作；所以安装感应器时应使探头双元的方向与人体活动最多的方向尽量相平行，保证人体经过时先后被探头双元所感应。为了增加感应角度范围，本模块采用圆形透镜，也使得探头四面都感应，但左右两侧仍然比上下两个方向感应范围大、灵敏度强，安装时仍须尽量按以上要求。

5.4继电器模块

6 系统创新点

(1)节省成本：安装施工简易快捷，无需铺设专线；每个路灯只需要

一个路灯控制器。不用改变既有的电力线架设和配电控制网络，一方面节省了人力物力；一方面自动组网的ZigBee模块不受天气和地形的影响，也保证了通讯的可靠性。

(2)每天可进行自动通、断电操作；可保证工作日、节假日按不同的时间自动通、断电。

(3)控制灯具的开/关和亮度，从而可以显著延长灯具的有效寿命，减少灯具更换次数，节约资源，减少有害气体污染环境。可以远程设置节点控制参数，实现节点的灵活控制。在后半夜车稀人少时，则控制路灯保持较低照度的照明。这样做主要优点就是在调光的同时，也大幅降低了电耗，节约用电，同时还可以延长灯源寿命。

4)根据天气情况和实际光的照度，自动控制灯具的开/关和灯具的亮度，如在不好的天气时及时打开路灯；路据实测光强，来自动以最佳的亮度打开路灯，提高公众满意度，在灾害天气使路灯更人性化。(5)通过系统中心设置，防止非授权人操作，确保系统控制安全可靠。依据采集数据情况，可判断终端设备运行状态情况。所有运行参数（自动通断电时间，区域划分）可在管理终端随时设置，随时启用，管理方便。

(6) ZigBee 的技术特点:

1. 低功耗: 由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee设备非常省电。据估算,ZigBee 设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。

2. 成本低: ZigBee模块的初始成本在6美元左右,估计很快就能降到1.5—2.5美元, 并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。

3. 时延短: 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。

4.网络容量大: 一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备, 一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络, 而且网络组成灵活。

5. 可靠: 采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式, 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。

6. 安全: ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证, 采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。