基于ZigBee和GPRS的LED路灯智能照明控制系统的研究

灯智能照明控制系统的研究 摘 要 近年来随着社会发展，节能和环保问题越来越受到人们的重视。对于占用电总量 20%的城市路灯照明系统，人们也开始寻求用更加节能、环保的方式来科学的管理和监控。在此背景下，根据应用场景的需求，采用 及嵌入式系统热点技术设计了一套 灯智能照明控制系统。 论文研究了 灯工作的原理、 术的特点和应用、网络拓扑结构、 协议栈结构和组网过程， 络结构和工作原理以及接入方式。 为 灯监控系统中的应用提供必要的理论基础和知识保证。 系统中主要硬件电路设计包括： 灯的驱动电路的设计； 块的基于 电源模块、电压电流测量模块、功率调节模块、掉电检测模块的设计； 传终端模块的主控制器子模块、 络接口子模块的设计；网络协调器模块的主控制器模块、射频通信模块和电测量模块的设计。 软件方面， 根据 议栈分别编写了 端控制器、 计了监控中心软件总体架构，包括监控界面、数据库和通信处理三部分，重点设计了数据库和通信部分。 本课题设计的路灯照明控制系统具有良好的人机界面；能实现遥控、遥测、遥信、遥视和自动报警等功能。 关键词： 术 术 节能 路灯控制系统 网 上位机软件 N F of of in 0% of be to to to of of ED on is on on ED of as as as as to ED in a of a In of to of of a of so PC 录 基于 灯智能照明控制系统的研究 . 要 .一章 绪论 .题研究的背景和意义 . 1 内外路灯控制系统现状 . 2 统通讯方式的选择 . 3 文的组织和安排 . 5 第二章 智能照明控制系统的关键技术 .明技术 . 7 源特点 . 7 源发光原理 . 8 术 . 10 术特点及应用 . 10 络基础 . 13 络节点类型 . 13 络拓扑结构 . 13 议栈 . 14 术 . 20 术特点及应用 . 20 统结构 . 21 作原理 . 23 章小结 . 24 第三章 路灯照明控制系统的总体设计 .灯照明控制系统总体设计 . 25 统的硬件电路设计 . 26 动电路设计 . 26 灯控制器硬件电路设计 . 30 决方案 . 30 介 . 30 灯控制器硬件电路设计 . 31 块及外围电路设计 . 35 块解决方案 . 35 块简介 . 35 口电路设计 . 36 络协调器的硬件电路设计 . 37 统的软件设计 . 40 控中心软件设计 . 40 控中心软件开发环境 . 40 控中心的功能 . 41 控中心界面设计 . 42 据库设计 . 43 信处理 . 45 控终端软件设计 . 47 灯控制器程序设计 . 47 灯路由器的程序设计 . 49 络协调器程序设计 . 50 络 . 52 络组网方案的选择 . 52 信 . 54 章小结 . 55 第四章 灯监控网组网的研究.络拓扑的选择 . 57 网流程 . 57 立一个新网络 . 57 备加入网络 . 60 章小结 . 62 第五章 总结和展望 .结 . 63 景展望 . 64 参考文献 .致 谢 .攻读学位期间发表的学术论文 .独创性声明 .关于论文使用授权的说明 . 1第一章 绪论 题研究的背景和意义 随着社会的发展，节能和环保问题越来越受到人们关注。节能是城市路灯照明诸多问题中的一个迫切需要解决的问题之一，因为它不仅仅涉及到照明经费问题，还涉及到电力能源问题，尤其是在当今社会电力能源紧张的情况下。因此，采用高效节能的灯具是今后社会发展的一个趋势。 相对于其它照明技术来说， 明技术是一种高效能、安全、环保、耐用的新型照明技术。虽然普通路灯用的荧光灯和 价格成本相对较低，但照明效率差（灯的热效应白白耗电） 、寿命短、维护工作量大，而 具不仅光效高，而且寿命长，目前 明灯具可连续工作时间 10000 小时以上，维护工作量相对来说大大减小。 源具有使用低压电源、适用性强、耗能少、响应时间短、稳定性高、体积小、坚固耐用、对环境无污染、多色发光等的优点，虽然价格较现有照明器材昂贵，仍被认为是它将不可避免地取代现有照明器件。 明技术在市场推广有一定困难，因为初次投入成本较高，但由于路灯大多是政府投资项目，有雄厚的财政支持，因此对于市政工程来说非常适合推广明技术。一旦首次投入，既环保又经济耐用，后期电费和维护费用会大大减低。 在我国， 业经过 10 多年的发展，已经不断走向成熟。 2008 年产值已达 700 亿元。 目前我国已经形成以 灯应用为龙头的完善产业链条和市场体系， 对带动传统产业升级、 优化产业结构发挥着越来越重要的作用。 2009 年 8 月，科技部正式启动“十城万盏”半导体照明工程项目，该项目计划利用 3 年左右的时间，率先在包括广东省深圳市、东莞市在内的全国 21 个试点城市的市政工程中，推广应用 600 万盏半导体照明产品，直接拉动内需 150 亿元，到 2015 年计划使半导体照明进入 30%的通用照明市场1。 世界目前 产业投资是很热的一个重点项目， 全球各国对 研发生产都比较重视。美国 2000 年制定的“下一代照明计划”被列入了能源法案，计划从 2000 2010 年，投资 5 亿美元，用 代 55%的白炽灯和荧光灯。日本已经实现 1998 2002 年耗费 50 亿日元推行白光照明，整个财政预算为 60 亿日元。预计到 2025 年，固态照明光源的使用将使照明用电减少一半，每年节电额达 350 亿美元，形成一个每年产值超过 500 亿美元的半导体照明产业市场3。本 2课题来源于青岛某公司的一个实际项目，该路灯智能照明控制系统主要针对中小城市。 内外路灯控制系统现状 在保证照明效果的前提下，为了节约电能，一方面可以大规模推广使用高效节能灯具，如 ，另一方面可以对路灯进行科学的监控与管理，实现按需照明。一些常规的监控方式是通过人工不断的巡查发现出故障的路灯，这样既浪费大量的人力、物力，又不能达到准确全面、及时的发现故障并维护的目的，同时也带来了很多交通安全隐患，因此寻找一种在社会效益、经济效益上均相对高效的路灯控制系统是城市道路照明发展的必然方向。 在国外，计算机控制道路照明4已经得到普遍利用，如新加坡、法国、德国和瑞士等国，运用电脑等智能工具制定一个自动化程序，配合日出、日来等自动控制道路照明的开启闭合，实现智能控制。在欧美及日本等发达国家，自适应分布式控制、计算机集中控制路灯自动化监控系统的应用极为广泛，在一些大中型城市及大部分小型城市己经普及。在国外该类产品的市场化起步早，采用各种控制方式的系统并存，其可靠性和普及率高，所以目前对新系统的需求量不大，路灯监控系统开发商并没有作为一个行业存在，只是由技术实力雄厚的照明、电气控制设备商及现场控制总线设备制造商如 ( )作为其产品的应用方案5。 近些年来，随着中国经济的蓬勃发展，城市管理方式迫切需求进行现代化升级，目前国内的路灯智能监控系统处于推广应用和更新换代6的高速发展时期。国内的路灯监控系统发展，从上世纪八十年代未至今，已走过了二十余年，从数据传输方面来看，共经历了四个阶段7： 二十世纪八十年代末采用 220V 交流电有线的控制方式。 二十世纪九十年代初期到中期利用电力线、电话线载波进行控制额技术方案。 二十世纪九十年代中期至今推广了采用 230用频道进行无线数据传输控制方式。 二十一世纪初期至今采用移动通信像 中国移动、中国联通的短消息和线公网对数据进行传输的控制方式。 根据调研，目前路灯控制方式8有人工控制方式、时控方式、电力载波控制、制、 制等。 人工控制方式是由路灯值班员采用手动进行开关的操作方式，很显然这种方式工作量大，效率低，在目前的路灯控制方式中已逐渐被淘汰。 3时控方式是指在路灯控制器预先安装定时器，开关路灯定时开关，但是其功能单一，不能根据季节和天气调整。 电力线载波方式是指将路灯控制信号通过调制 方式将开关信号通过输电线进行传输，以控制路灯。可但是在用电高峰时刻控制信号会占用电力线的容量，使得控制信号无法正常传输，不但在用电高峰 时段下不能实现对路灯的有效控制，严重的时侯还会影响路灯的整体照明亮度。 制路灯是使用 块并使用移动通信公司的服务。 制是其范围广，模块化好，集成度高，抗干扰能力强。但是缺点是 灯控制只是控制一条路上的路灯，不能实现对单双灯控制的节能算法，且造价高相对较高，使用起来不经济9。 最近又提出了基于 术的无线路灯控制技术， 用无线通信方式对路灯节点进行开关控制，这种方式有很多优势：通讯频段范围广，组网能力强，通讯费用为零。可以对城市路灯自行组网，无需购买通信公司的服务。各种控制方式的优缺点如图 1示。 表1种控制方式优缺点 of 制方式 优点 缺点 人工控制方式 具有一定的应变能力，成本低 耗费大量的人力和物力，而且实时性很差，处理故障的效率低，管理难度大、安全系数低、工作量，不能检测整个线路路灯的工作状况 时控方式 一般状况下可免除人干预，工作量降低，成本较低 应变能力较差，只能根据预设的时间段进行开关灯 电力载波控制 方便、快捷，只要有电线，就能进行数据传输 需要布线，易受电力线强磁场的干扰，信号质量差 制 无需布线，网络覆盖， 数据传输要按流量计费，成本较高 制 价位低，功耗低，免执照频段，容量大，保密性高，无需布线 距离有限，数据率低 统通讯方式的选择 在本论文中，整个系统设计中第一要解决的问题是如何选择系统通讯方式。在本课题中，首先对路灯照明控制系统的通讯特点进行分析。在城市路灯照明控制系统中，需要监控的路灯数量众多，路灯分布于整个城市的道路两旁，被控路 4灯和监控中心之间距离各不相同，并且二者之间需要双向通讯，需要传输的数据量小。 通讯方式大体可分为有线通讯和无线通10两种。有线通讯和无线通讯这两类通讯方式还可以继续细分。对于有线通讯方式的远程控制系统来说，一般需要通过布架设光缆、设总线、铺设电缆、租用专用电话线或公众电话网（ 行监控中心与监控终端间的数据传输。有线通讯方式的特点主要是数据传输速率高、稳定可靠，但是如果在监测点数目较多、分布广泛，并且地形较复杂的情况下，有线监控方式在组网成本、施工难度和维护工作量方面将大大提高，因此这类通讯方式适用于小范围小区域的监控系统。如果对大城市的全局监控管理11网采用有线通讯方式则行不通，因为该通讯方式的固定性无法满足当今城市布局迅速发展变化的要求。目前有线通讯方式主要应用于12一些工业现场和楼宇火灾自动报警监控网系统等一些小范围的监控系统中。根据上面的分析，本课题的应用场景的要求应排除使用有线通讯方式。 无线通讯方式主要包括无线局域网和无线广域网两种。目前，无线局域网技术主要包括蓝牙， 别比较如表 1 表1线局域网各种技术比较表 of AN 牙 （ 系统开销 较大 大 小 小 网络寿命 较短 短 长 最长 网络节点 7 30 2 255/65535 物理范围 10m 100m 定向 1m 1 100m+ 传输率 1160/250输介质 频 频 980外 频 无线广域网技术主要包括无线集群通讯方式、 数传电台、 首先我们分析采用无线集群通讯方式，先期需要投入大量的建设资金，并且建设周期较长，保养和维护不方便。无线集群通讯系统属于专用移动通信网，其网络覆盖范围有限。从服务业务方面看，无线通讯系统主要适用于无线用户之间的双向移动通信，而对于无线用户与有线用户之间的数据传输却有较大的限制。再分析电台做无线数传的方式，其传输距离大约在 100公里的左右，并且工作在固定的单一频点，电磁环境恶劣。一般的商用电台或电台模块价格都在 1000元到2000元之间，费用较高。另外数传协议还不完善，可靠性比较低。再分析 消息通讯方式，该通讯方式为半双工通信方式，相对于 平均传输时延较大，在通信高峰期易发生信道堵塞，将导致通信不畅。 是，基于 者， 后看 对于其他无线通讯技术， 设周期短，并且可以充分利用中国移动公网资源。 s、通信传输时延较小、按通讯流量记费、系统规模扩展快速、服务质量安全可靠。 通过对上面各种通讯方式的分析和比较，本论文决定采用无线通讯方式，结合无线广域网通讯技术和无线局域网通讯技术的优点和长处。即采用两级无线网络模式，第一级网络采用 监控中心和一定范围内的受控路灯群联系起来形成 且监控中心采用固定 样可以使监控中心的地理位置灵活变化。第二级网络采用 两级网络通讯方案取代直接使用 用低成本的 以节省大量的 现了整个路灯监控系统以更低的成本来控制更多的受控路灯。 文的组织和安排 路灯照明控制系统作为现代城市建设的一个重要部分，在现代城市生活中发挥着重要的作用。本课题来源于青岛某公司的一个实际项目，针对中小城市设计了一套智能化的路灯控制系统。论文分为五章，具体安排如下： 第一章 绪论部分，主要介绍了课题研究的背景，简要介绍 术的特点和优势，分析了 线通讯技术在路灯照明控制系统中的优势。 第二章主要介绍了智能照明控制系统中涉及到的关键技术,，包括 明技术、术和 术。 第三章是本论文的重点。提出了路灯照明控制系统的总体设计。将系统分成灯控制器、由器、网络协调器（调器+传终端） 、监控中心（监控管理软件+传终端）四部分，并对各部分进行了硬件电路设计和软件编程。同时还研究了 通信及网络规划。 第四章主要研究了 络的搭建过程。重点研究了 备直接加入网络方式。 第五章是全文的总结和展望。 6 7第二章 智能照明控制系统的关键技术 明技术 源特点 目前白光 然处于发展阶段，但是与传统照明光源相比，有很多优点，主要表现在以下几个方面： （ 1）寿命长。在传统的路灯光源中，普通白 炽灯的使用寿命约一千小时，金属卤化物的灯、荧光灯的使用寿命不超过一万小时，高压钠灯的使用寿命最长不超过两万，而 使用寿命长达十万个小时。 这一特点，可以大大降低人工维修费用和灯具成本。 （ 2）安全环保。 固态发光体，耐冲击不容易破碎、抗震，不含钠、汞元素等对危害身体健康的物质，而且无热辐射。而现在广泛应用的汞灯、荧光灯灯光源中含有危害人体的汞元素，并且那些废弃的灯管和光源的产生过程都会造成环境污染，进而危害健康。 其淘汰的灯具少，产生的废弃物少，使用寿命长而被誉为一种“清洁”能源。 （ 3）光效高。卤钨灯、白炽灯的光效范围约为 12，荧光灯的光效范围约为 50，钠灯的光效范围约为 90。它们的大部分的电能转化为热能而损失掉。目前， 经过技术改良后，光效可达 50。另一方面， 源显色指数 85 以上，色温范围 4500颜色更接近于自然光。举个例子，在道路照明中如果采用 98W 的 灯，那么其照明效果相当于 250W 的高压钠灯。也就是说，相比于高压钠灯，人眼感受到相同的光强度时所需的 强度会小很多。 目前， 世界很多国家都已在研究如何提高 信在不久的将来， 源的发光效率会更高。 （ 4）发光体接近点光源。白炽灯的发光体是 灯丝，有一定的长度，荧光灯发光体的尺寸更大，对于这些光源在设计灯具的时候，不能将它们视为电光源，而是要建立一个光源辐射模型，这样就会增加一定的难度。 发光体都是尺寸很小的二极管，因此在灯具设计时可以将其视为点光源，而点光源的辐射模型是最简单的，这一特点使 具设计更加简单。 （ 5）响应时间短。对于气体放电光源来说， 从启动至光源稳定输出，大约要几十秒至几十分不等。因为大部分气体放电光灯的工作物质是液体或固体，启 8动后需要一段时间的加热气化或升华过程才能 变成气体，最终达到稳定输出状态。我们看到的白炽灯属于热辐射光源，开启后给人的感觉就是一点即亮，实际上白炽灯在启动后需要大约零点几秒的上升时间。 而 源的响应时间仅需要几十纳秒。因此 其适合那些需要告诉运动或者快速相应的场合。 （ 6）亮度调节方便。 典型的电流驱动型光源，其亮度与工作电流呈正比例关系。所以，在电路设计时，通常考虑通过改变电流的大小来调节光的亮度。另外，由于 源响应时间短（仅需几十纳秒） ，我们还可以采用 冲宽度调制） 的方法， 通过改变工作频率和占空比来调节 源发光强度。 （ 7）灯具厚度较小。由于传统照明光源几乎 向空间的每一个方向都发光，因此，在设计灯具时，需要考虑如何提高光线的利用率。通常情况下要先选用曲面反射器来收集光线，然后使其对着所需的方向照射。由于反射器离照明光源有一定的距离，并且反射器的曲面具有一定色曲率，所以整个灯具就要有一定的厚度。 身管芯很小，再加上 源发光的方向性较强，所以很多情况下不需要使用反射器而只需要用透镜将其发出的光进行偏折、准直。这样设计出的灯具厚度较小，安装起来也更加方便、灵活。 除此之外，与传统光源相比， 源还具有体积小、色温范围广（ 3000、直流驱动、无红外辐射和紫外辐射、环保安全等优点。 源发光原理 源实质上是一个半导体 的二极管。它由导线支架和管芯（即发光半导体）组成。管芯周围一般由环氧树脂3封装，用来保护管芯。 由电子和空穴组成，在热平衡情况下， P 区的空穴扩散到 N 区， N 区的电子也会扩散到 P 区，这种扩散运动会使少数载流子聚集在 的两侧，形成势垒。势垒产生的电场将会组止扩散运动的进行。当在 两端加正向电压时，其势垒将会降低，并且会注入少数载流子，致使 P 区的空穴会注入 N 区，而 N 区的电子也会注入 P 区。这样该区原来的多数载流子就会和注入的少数载流子复合并发光。依据能带结构，帯间的复合发光可分为间接跃迁和直接跃迁两种形式。发光过程主要包括三部分：载流子注入部分、复合辐射部分和光能传输部分13。 标准的二极管发光情况相似，在正向电压达到阈值电压之前， 源的电流很小；随着正向电压的继续增加，电流的增长速度很快，大量电子流向P 极，从而使 导通，管芯半导体晶体发光。 白光 源工作原理：白光是一种复色光，是由多种颜色的光组成的。目前已经实现的白光 术主要有以下三种利用三基色（红、绿、蓝）原理， 9将三种 出的光混合组成。利用波长为 300紫外光 源来激发三种基色荧光粉或者其他颜色的荧光粉，从而将产生的多色光混合成白光。利用 色 源激发钇铝石（ 光粉或其他荧光粉，即管芯发出的蓝光激发荧光粉产生黄光，再让黄光与剩余的蓝光混合成包光3。 源特性一般分为一般参数和极限参数： 一般参数 峰值波长和光谱分布：某一个发光二极管所辐射的光并不是单一波长，而是具有一定的波长范围，在其所发光的波长范围中，最大光强波长即为峰值波长。其中红色发光二极管的波长一般约为 650珀色发光二极管的波长一般在 630间 ，橙色发光二极管的波长范围一般约为 610色发光二极管的波长大约在 585 右，而绿色发光二极管的波长一般为 555 光谱半宽度：二分之一峰值光强所对应两波长之间的间隔，它表示了发光管的光谱纯度。 发光强度：通常用法线（对于圆柱形发光管来说是指其轴线）方向上的发光强度来表示发光二极管的发光强度。 半值角 /2 和视角：半值角是指发光强度值 为轴向强度值一半时对应的方向与发光轴向（法向）之间的夹角。视角（或称半功率角）是半值角的 2 倍。 正向工作电流 的是发光二极管在正常发光时可以连续工作的正向电流值。在实际使用时应根据需要选择 其在 正向工作电压 一般参数表中给出的正向工作电压是在特定的正向电流下得到的。发光二极管正向工作电压 长）不同而不同，发光波长越长的 向工作电压越低，例如：红外 向工作电压为 色 压为 色 压为 色 压为 紫光和白光 高，可达 3- 4V。随着温度升高 于 于电流驱动型器件，在实际使用时，通常以控制其工作电流为主。 性：除了在正向特性的上升速率上稍有差异外， 光二极管的伏安特性和普通二极管类似。即当其两端的的正向电压大于开启电压时，电流急剧上升，而当其两端的正向电压小于开启电压时，几乎没有电流流过 光二极管。 光二极管的正向开启电压的大小主要取决于所选取的半导体材料的禁带宽度，该值也会因所使用晶体材料的不同而不同。在开启状态，假果 压降有很小的变化就会导致其较大的电流变化，也就是说 一种电流型器件，流过 电流 I 与其两端施加的电压 V 的关系如式 2示。 10(1) （ 2 其中： 反向饱和电流； q电子电荷； k波尔兹曼常数。 源的发光亮度与其通过的电流强度基本上成正比关系。 图 2示的是一种典型 光特性，纵坐标代表 光功率 P，横坐标代表通过 电流 I14。 011010011010/P W/发光亮度与驱动电流关系 于 度正比于电流强度这一特性，可以采用脉冲驱动的方式，即在直流脉冲的有效电流值不超出直流额定电流值的情况下，用高于额定电流值的直流脉冲来驱动从而获得更高的脉冲亮度。再加上人眼具有视觉暂留效应，所以可得到更高的主观亮度效果。 术 术是 盟在 义的物理层（ 媒质访问控制层（ 础之上制定的一种低速无线个域网（ 术规范。作为一种新兴的低功耗、短距离的无线通信技术，它是近年来研究的一个新热点15。 术特点及应用 术主要有以下特点16: （ 1）低速率。 三个工作频段，即 915 868， 11其数据传输速率在不同的频段会有所不同，但都处于较低的速率。在 段， 其数据传输速率为 250915段为 40868段为 20 （ 2）低功耗。在非工作状态下， 点会处于休眠模式，耗能很低，两节五号干电池可以支持一个节点工作 6月，甚至更久；在工作模式下，由于 术的数据传输速率低， 传输的数据量很小， 因此信号作用的时间很短。再加上设备的休眠激活、搜索和信道接入时延都比较短，这使得 点更加省电。 （ 3）低成本。相对于蓝牙和 议， 议栈要简单得多 (不到蓝牙的十分之一 )，这样就降低了对通信控制器的要求，因此，采用 8 位单片机和很小的存储器就可以实现，这大大降低了器件成本。由于 议栈免收专利费用，因而可进一步降低软件成本。 （ 4）短时延。 点的通信时延以及从休眠状态到激活状态的时延都非常短。其典型的休眠激活时延为 15索设备时延为 30道接入时延为 15牙需要 3s、 要 3 s。因此， 术适用于对时延要求苛刻的工业控制，监测等场合。 （ 5）免执照频段。 作在工业科学医疗 (段，即 868/915段。 段在全球范围内均可免许可使用， 915北美被免许可使用， 868欧洲被免许可使用。 作在 段不仅可以免除器件的工作频率使用限制，而且还为许多公司开发可以工作在世界任何地方的标准化产品提供了的机会。 （ 6）多种组网方式。通过网络协调器 络可以组成星形、树形、网状网络等多种网络拓扑结构。另外，