摘要：將ZigBee技術和GPRS移動通信技術相結合，設計了一種基于ZigBee+GPRS的LED路燈照明遠程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用兩級雙網(wǎng)組網(wǎng)模型和簇-鏈型網(wǎng)絡拓撲結構，通過網(wǎng)絡化、智能化控制，實現(xiàn)了燈具的遙測、遙控。此外，提出了一種應用于路燈照明的亮度自適應節(jié)能控制算法，該算法可根據(jù)時段、環(huán)境亮度和人員活動情況改變PWM信號的占空比，自動調節(jié)LED的亮度，充分利用LED的可控性，實現(xiàn)最佳照度控制，達到節(jié)能目的。
關鍵詞：ZigBee GPRS；LED照明系統(tǒng)；PWM

引言
    LED作為新光源，具有光效高、壽命長、易于調光、體積小、綠色環(huán)保等優(yōu)點，被人們稱為是第四代光源，因此，LED照明是21世紀城市照明系統(tǒng)的重要組成部分。城市道路管理作為現(xiàn)代城市管理的重要組成，實現(xiàn)道路照明系統(tǒng)的智能化與網(wǎng)絡化控制是現(xiàn)代城市照明系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。本系統(tǒng)基于LED照明的智能監(jiān)控和分時調光技術，實現(xiàn)了智能化的監(jiān)控算法；通過GPRS和ZigBee技術，實現(xiàn)了無線的區(qū)域化、網(wǎng)絡化的控制；最后，結合LED可調光的高效驅動，實現(xiàn)了對路燈的遙控、遙信和遙測。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡模型及工作原理
    遠程智能照明網(wǎng)絡系統(tǒng)結構如圖1所示。采用ZigBee和GPRS兩級雙網(wǎng)組網(wǎng)模型，出監(jiān)控中心、網(wǎng)關節(jié)點及GPRS移動通信網(wǎng)絡3部分組成。上層為GPRS主干網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程傳輸；下層為ZigBee二級子網(wǎng)，由各個路燈子節(jié)點構成，采用簇-鏈型網(wǎng)絡拓撲結構完成數(shù)據(jù)路由和轉發(fā)。網(wǎng)關節(jié)點連接ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡與GPRS網(wǎng)絡，實現(xiàn)ZigBee協(xié)議和TCP／IP協(xié)議兩種協(xié)議棧之間通信協(xié)議轉換。網(wǎng)關節(jié)點發(fā)布監(jiān)控中心的控制命令，并把收集到的燈狀態(tài)信息轉發(fā)到外部網(wǎng)絡上，通過GPRS網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心，實現(xiàn)燈具的遙測、遙控。通過ZigBee和GPRS構成的智能監(jiān)控網(wǎng)，城市照明監(jiān)控中心一方面能及時、準確地檢測出LED路燈電壓、電流及工作狀態(tài)等信息，實現(xiàn)防盜和遠程故障監(jiān)測；另一方面，又能根據(jù)需要對LED路燈進行開／關及亮度控制。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)
2．1 系統(tǒng)總體框架
    系統(tǒng)由GPRS模塊、ZigBee節(jié)點和網(wǎng)關模塊、單片機、LED恒流驅動和照明模塊、傳感器模塊組成，系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

2．1．1 LED恒流驅動設計
    LED恒流驅動設計采用FMD公司FT870的LED恒流驅動方案，驅動電路如圖3所示。當開關管Q1導通時，主電流回路導通，此時AC給LED供電，并使電感L1儲存能量；當Q1關斷時，主電流回路改變，此時電感L1釋放能量，保持LED的輸出。由于開關管導通時，流過LED的電流同時也流過R1，所以通過檢測R1上的電壓來檢測流過LED的電流，從而達到恒流的目的。FT870在一個固定頻率下可以控制MOS管，因為是恒流驅動LED燈組，所以會輸出恒定的光照，并且具有較好的穩(wěn)定性。輸入LED組的電流可以被外部電阻或一個PWM信號控制。

2．1．2 主控節(jié)點單片機電路設計
    主控節(jié)點采用MSP430超低功耗單片機。MSP430是TI公司的一款超低功耗16位RISC混合信號處理器，具有超低功耗、高度集成、豐富的片上外圍模塊等特點。MCU的P3．4、P3．5引腳設置為異步串行收發(fā)接口，與節(jié)點的ZigBee模塊進行異步串行通信。單片機將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給ZigBee模塊，而ZigBee模塊接收到的無線數(shù)據(jù)也可透明地傳送給MCU。MSP430最小系統(tǒng)圖如圖4所示。
2．1．3 ZigBee通信模塊設計
    ZigBee模塊選用Chipcon公司推出的符合2．4 GHz IEEE 802．15．4標準的射頻收發(fā)器CC2420，ZigBee模塊電路如圖5所示。

    CC2420的31、32、33、34引腳與單片機對應的SPI通信接口相連，即CC2420的CSn、SCLK、SI、SO、引腳與MSP430的SET0、SMCLK、SIMO 0、SOMI0引腳相連。這樣，CC2420發(fā)射芯片就能與MCU進行全雙工的通信。27引腳(SFD帖開始定界符)與MCU的Time Capture引腳相連。28引腳(CCA空閑信道估計)與MCU其中的一個引腳相連。MCU可以通過對該引腳狀態(tài)的讀取，判斷是否有空閑信道。
2．1．4 GPRS模塊設計
    GPRS模塊選用明基的M23方案。M23采用半雙工方式的串口通信，即采用的是TXD、RXD、GND這3條線通信。模塊電路圖如圖6所示。模塊的TXD、RXD引腳經(jīng)74LVC14AD和榴應MSP430的RXD、TXD交叉連接。LEDA引腳控制一個外接LED的閃爍，當LED閃爍時，表示該模塊連接上了網(wǎng)絡，否則沒有連上網(wǎng)絡。當SIM卡接入移動網(wǎng)中，該指示燈就會不停地閃爍，用來提示和檢測該M23模塊是否正常工作。引腳11、12、13和23為M23模塊和SIM卡之間的通信接口。

2．1．5 監(jiān)控軟件
    路燈管理系統(tǒng)監(jiān)控軟件采用面向對象的編程技術，在Visual C++6．0集成開發(fā)環(huán)境下完成開發(fā)。采用模塊化設計，分別由系統(tǒng)管理模塊、燈具測量模塊、燈具控制模塊和異常處理模塊4部分組成，主要實現(xiàn)系統(tǒng)管理及燈具的遙測、遙控、防盜和遠程故障監(jiān)測等功能。

3 亮度自適應節(jié)能控制算法
3．1 LED亮度控制
    采用PWM法進行調光，即在恒流和恒定頻率的情況下，通過調節(jié)MOS開關管的導通時間來調節(jié)平均亮度。這種方法不但可以使通過LED的電流恒定，保證了LED色彩的一致性，而且還有助于LED的散熱。通過設定MSP430單片機內部的定時囂A(或B)工作在比較模式，可提供多路PWM控制信號，僅需改變相關寄存器的設定值即可。通過ZigBee網(wǎng)絡傳遞監(jiān)測信息和控制指令。一方面，通過網(wǎng)絡將路燈節(jié)點溫度、電壓及電流信息傳送到監(jiān)控中心，判斷節(jié)點工作是否正常以及是否被盜；另一方面，網(wǎng)關節(jié)點根據(jù)環(huán)境亮度和時段，通過ZigBee網(wǎng)絡給LED燈具下達統(tǒng)一的亮度調節(jié)指令，這樣就根據(jù)不同情況完成了LED亮度控制。
3．2 LED亮度自適應節(jié)能算法
    LED亮度自適應節(jié)能算法流程圖如圖7所示。系統(tǒng)首先進行初始化，然后開始掃描亮度傳感器傳來的環(huán)境亮度信息，根據(jù)亮度信息判斷是否是白天。若是白天，LED停止工作，返回亮度檢測，循環(huán)等待；若是夜晚，則進入LED供電程序，根據(jù)時鐘芯片判斷此時處于哪個時段。
若處于由白天到黑夜或由黑夜到白天的過渡階段，則根據(jù)亮度傳感器檢測的亮度等級進行亮度自適應控制；若處于前半夜，則進行全功率照明，若處于后半夜，則關掉2路LED，進行半功率照明，同時打開智能傳感器，檢測人員活動情況。當檢測到人車時，全功率照明，人車離開后，延時30 s恢復節(jié)電方式工作。通過亮度自適應節(jié)能控制，充分利用LED的可控性，可最大程度節(jié)省能源，相同情況下節(jié)電10％～15％。

結語
    本文設計的基于ZigBee+GPRS的LED路燈遠程監(jiān)控系統(tǒng)采用兩級雙網(wǎng)組網(wǎng)模型和簇-鏈型網(wǎng)絡拓撲結構，通過網(wǎng)絡化、智能化控制，實現(xiàn)了燈具的遙測和遙控。提出一種應用于路燈照明的亮度自適應節(jié)能控制算法，可降低照明能耗，達到節(jié)能目的。該系統(tǒng)建設和運營成本低、組網(wǎng)靈活，可以節(jié)約人力成本，提高生產(chǎn)效率，提高路燈管理自動化水平，適用于道路照明，也可推廣應用于橋梁、隧道等其他公共照明場合。本系統(tǒng)采用先迸的ZigBee技術、GPRS技術、PWM技術、傳感器技術、無線組網(wǎng)技術，并將這些技術有機融合、實現(xiàn)了高可靠性、智能化、低成本、高效、節(jié)能環(huán)保的智能控制LED路燈系統(tǒng)。