道路节能照明终端设计和实现电子学电气工程专业.doc

道路节能照明终端设计 摘要 随着城市建设工作的不断开展,各种各样的路灯照明系统也在城市之中建立了起来,其一方面让群众获得了视觉上的美观感受,另一方面也让城市的特色得到了体现,然而与此同时,这些照明系统也产生了许多需要解决的问题,例如管理成本、物料成本、电力成本以及安全问题等。随着物联网系统的不断发展，人们对于道路照明系统也有了更多的需求：除了基础的照明作用之外，其还要具备智能性、科技性以及互联性，其主要目的是要对路灯从单点到整体进行监管，并进行相应的调节.以物联网技术为基础的道路照明控制体系在原本照明系统的基础之上,有效整合了网络通信、物联网、嵌入式以及传感器等多方面的技术，为智能电网的构建奠定了基础。以ZigBee无线模块以及LED光源为基础的路灯系统有着较高的自动化程度，同时效率高、能耗低，LED本身的耗能较少，材质环保，使用寿命长，而ZigBee模块则能够对整个照明系统进行调节与控制，不但能够有效降低整个系统的能耗，同时还能够让照明设施的寿命进一步提高，降低维护成本。 本文针对ZigBee 网络的特性，分层结构以及协议栈，信息传输模式以及网络拓扑等多个方面进行探讨，同时结合系统的实际需要，研究并设计了以ZigBee为基础的道路照明控制控制系统，同时进行了以CC2530单片机为核心的电源控制电路、LED照明控制电路、光强收集电路等硬件模块的设计。经测试，该设计在100m范围内可以做到可靠的通信传输，并实现灯光的控制调节，相比于传统路灯系统具有结构简单、可无线控制的优势，有较好的应用前景。 关键词: ZigBee，CC2530，无线路灯 Design of Road Lighting Energy Saving Terminal Abstract With the development of city construction, all kinds of street lamp lighting system in the city also build up, one side to let the crowd won the beautiful feeling on the vision, on the other hand, urban characteristics reflected at the same time, however, the lighting system also produced many problems need to be solved, such as the management cost, material cost, power cost and safety, etc. With the continuous development of the Internet of things system, people demand for road lighting systems also have more: in addition to basic lighting effect, it will be intelligent, integrated and interconnectedness, its main purpose is to regulate for street light from a single point to as a whole, and make corresponding adjustment. Based on the Internet of things technology of road lighting control system on the basis of original lighting system, the effective integration of the network communication, the Internet of things, embedded and sensor technology, which laid a foundation for the construction of smart grid. Based on the ZigBee wireless module and the LED light source of the street lamp system has a high degree of automation, high efficiency, low energy consumption at the same time, the LED itself, less energy consumption, environmental protection material, long service life, whereas ZigBee module can carry on the adjustment and control of the entire lighting system, not only can effectively reduce the energy consumption of the whole system, at the same time also can let the lighting facilities, to further improve the life of a lower maintenance costs. Aiming at the characteristics of the ZigBee network, hierarchical structure and protocol stack, the information transfer mode, and discusses the several aspects such as the network topology, combining the actual requirement of the system at the same time, the research and design the control system based on ZigBee road lighting control, at the same time the CC2530 single-chip microcomputer as the core of the power control circuit, LED lighting control circuit, light intensity collection circuit, the design of the hardware modules. The test shows that the design can achieve reliable communication transmission and control and adjustment of light within 100m. Compared with the traditional street lamp system, it has the advantages of simple structure and wireless control and has a good application prospect. Key words: ZigBee, CC2530, Wireless Street Light 目 录 第1章 绪论 1 1.1 课题研究背景 1 1.2 国内外路灯控制系统现状及分析 1 1.3 ZigBee技术介绍 2 1.4 本课题主要研究内容 5 第2章 系统方案设计 6 2.1 无线路灯控制系统的组成 6 2.2 系统核心技术分析 6 第3章 系统硬件电路设计 8 3.1 系统总体设计方案 8 3.2 单片机最小系统 8 3.3 光敏电阻光强采集 9 3.4 路灯控制电路 9 第4章 系统软件设计 11 4.1 Z-Stack及软件环境 11 4.2 网络中终端的设计 14 4.3系统的组网设计 14 结论 18 参考文献 19 谢辞 20 附录1 源代码 21 附录2 原理图 29 附录3 实物图 30 第1章 绪论 1.1 课题研究背景 随着地区发展与基础建设步伐的加快，各城市之间道路照明的建设规模越来越大，但是介于传统路灯系统耗能高等缺点，传统的路灯控制系统已经不符合当今社会低能耗、低碳的能源观发展需求。首先,控制路灯的系统功能少，技术落后，灵活性差；其次，由于道路照明规模的增加，路灯控制需要的人力资源、财力比以前大大增加，仍然难以高效率地发挥其所具有效能；另外，传统的路灯控制系统更新难度大，不能利用远程技术控制和巡查路灯，需要人员去实地巡查，才能知道路灯的实时状况，不仅工作量庞大，而且效率低下[1]。 目前我国大部分地区的路灯控制系统的应用技术不高，还在使用传统的简单的人员控制，碍于这种控制系统由于没有采用无线通信技术,路灯的工作状态无法通过实时数据获知，维修和管理要依靠人员巡查等传统方法，导致无法实现对路灯的集中监控、操作和数据统计，这导致了白天亮灯，夜间不亮灯的现象经常发生，不但造成电力资源，人力资源的浪费，又会给人民的出行带来一定的安全风险[2]。 1.2 国内外路灯控制系统现状及分析 无线路灯控制系统的控制模式为分布式，而信息收集模式则属于集中式，其综合运用了IT技术以及控制技术，并能通过软件编程以及通信技术实现对习惯照明设备的调节与监管。 就目前世界路灯系统的发展程度而言，国外在路灯控制方面的所使用的技术明要比国内的更先进，并且在使用规模和技术水平上远远优于国内。在计算机运用技术普遍发展，方案成熟的当今社会，利用计算机实现路灯各方面的控制，已经成为了常用方法，英国、美国、澳大利亚、法国等国家使用电脑程序控制路灯的自动开闭以及故障路灯的检测，使得管理路灯所消耗的资源成本大大降低。 和国外相比较，我国的无线路灯控制系统的发展还处于起步阶段，大部分地区路灯的控制由分散管理的控制器进行控制，分散性高、排障率低，仍处在人工直接现场控制阶段。由于系统中缺少远程通信和传感器采集数据功能，管理人员无法统一进行控制，导致路灯的实时控制结果不能集中监测、记录和统计，大部分管理部门采用人员巡察形式，设备是否健康运行主要取决于白天巡查线路，夜晚检查路灯，在耗费大量的财力和人力的同时，实时性也差，维修故障的效率很低，难以满足当今社会大面积建设路灯要求[3]。 随着科技进步，物联网技术越来越成熟，各行业取得了许多实际研究成果，极大的推动了信息技术的发展。未来的路灯控制系统的发展方向应该更集中、无线化、更智能。对于管理人员来说，只要在控制中心，就能监测到整个路灯系统的实时状况；对于维修人员来说，能迅速知道故障路灯位置和故障形式；对群众而言，高质量的控制系统能够为出行提供良好的保障。ZigBee技术可以较好地实现上述需求。 1.3 ZigBee技术介绍 1.3.1 ZigBee无线通信技术 ZigBee 是最近兴起的无线网络技术，具有能耗小、价格低廉、复杂度小、距离近且数据率低等特点，拥有5层的体系结构，从低到高分别是物理层、介质接入控制层、网络层、运输层以及应用层。其中物理层位于协议的最底层，并且遵循IEEE 802.15.4标准的规定，拥有具有低功耗、易开发、成本低的优点。MAC层的作用是实现结点之间的链路管理工作，并提供信道控制、时限控制、帧格式控制以及安全保障等功能。运输层以及网络层是在上述两层的基础上通过软件构建的，主要功能有建立新的网络、添加节点、删除节点、实时调整网络中节点的通信方式