【摘要】为解决传统路灯点多、面广、分散，维修费用高等问题，本文提出了一种基于ZigBee技术及GPRS网络的智能路灯控制系统。设计思路是在现有路灯上加装检测及通讯模块，检测模块负责监测当前路灯及周围环境亮度，并将状态信息ZigBee及GPRS网络进行传输，上报路灯管理平台，以便最优化实现维护、管理。通过系统方案的设计与验证，该系统集测量、控制、通讯等多种功能于一体，具有功能齐全、抗干扰能力强、可靠性高、性价比高等特点。
【关键词】ZigBee；路灯照明；管理平台
1引言
路灯在城市的使用范围非常广泛，城市路灯分布众多，现有的大部分路灯都只是根据预先设定好的时间来进行开关，而不能实现自动控制和监控，对管理和维护造成了一定的困难。且对于一些意外天气，如雷暴雨等恶劣天气，无法做到及时的开关灯的情况。对于路灯出现故障的情况，无法及时找到故障路灯所在位置，只能通过人工寻找，费时费力。将路灯通过ZigBee网络集中连接，通过移动网络将路灯状态等信息上报至路灯管控平台，组成一整套控制系统，对路灯进行控制、管理。实时监控路灯的运行状态等信息，并根据环境状态自动调整路灯状态，有效提高路灯使用效率并实现节能。
2系统整体设计
整个照明系统结构如图1所示。路灯控制模块以CC2530作为主控芯片，连接着继电器、光照传感器和超声波距离传感器。使用继电器作为路灯的主开关，在需要时控制灯的开关，同时可以做到直接在现有的路灯系统上进行改造，节约成本。采用多个光照传感器，实时采集灯光亮度及环境光亮度，通过串口连接超声波距离传感器检测当前附近是否有人或车灯物品，在夜晚有人或车路过时及时亮灯，无人时关灯，以达到节能的目的。路灯控制模块上传和接收的数据通过ZigBee网络与总控器通信。总控器使用STM32作为控制设备，通过串口连接协调器，收集从路灯控制模块采集的数据，采集的数据通过移动网络模块上传至服务端，服务端向最终用户展示相应信息，并获得用户所需要的设置下发至所需设备中，以实现设备所需信息的上报和下发。服务端到客户端使用MQTT协议进行通信，使用EMQTT作为MQTT协议的服务端，用于中转MQTT协议的数据。在服务端分别用两个程序来监听转存MQTT发送的消息或接收用户发送的消息转换成MQTT协议发送至总控器。
3硬件结构及其工作原理
硬件部分由总控器和路灯控制模块组成，两者通过ZigBee协议进行无线通信，组成网状网络。
3.1路灯控制模块设计。路灯控制模块选用CC2530作为主控芯片，其基于51架构，并支持ZigBee无线通信，且有丰富的IO口及便利的开发环境，可以直接在该芯片上实现各种我们所需要的功能。而无需通过单片机作为主控芯片，通过有线通信于无线模块进行通信，使整体集成度更高。和额外使用单片机连接外设的设备比起来，使用芯片更少，集成度高，成本低，有利于现有路灯的改造。环境亮度采集和灯亮度采集采用光照传感器进行采集，由于只需对环境亮度及路灯的亮度进行粗略的检测，而不需要达到具体的数值，且从成本考虑，使用5506光敏电阻采集外部光照，并通过CC2530自带的8位A/D采集将其转换为数字值来判断环境光亮度。在平常情况时，实时采集当前环境光亮度，并发送至总控器，总控器判断各个灯所在环境的亮度来决定是否开启各个路灯，并通过ZigBee网络广播消息通知设备进行开/关灯。在开灯时，采集灯泡附近及环境的亮度，判断当前路灯是否故障，并及时报告故障状态通知用户进行维修。超声波模块用于深夜环境下判断周围是否有人或其他物体的情况，当有物体靠近时，将消息报告给总控器，总控器将通过广播消息的形式通知所有灯及时开灯，当检测到物体离开时，自动关闭灯，以达到节能的目的。灯开关控制使用5V继电器进行控制，来控制灯光开关，这样可以适用于各类灯泡，并且可用于现有电灯的智能化改造，适用范围广泛。同时，因为CC2530采用3.3V电压进行供电，所以在这里使用AMS1117作为电压转换模块，将电压降至3.3V输入至主控芯片。
3.2总控器设计 。总控器部分使用STM32F103C8T6作为主控芯片，通过串口与协调器的CC2530连接，以二进制形式传输数据。同时通过另一组串口连接SIM800C作为连接Internet的通信模块进行通信。为了通信方便，Zig-Bee网络内通信及转发给主控的部分均采用二进制消息通信，节约带宽并使内部通信更加高效，主控将消息设置好后，将消息转化成便于解析的json格式通过MQTT协议发送至服务器，服务器再根据对应消息处理相关内容。
4服务器控制平台
因总控器至服务器采用MQTT协议进行通信，经讨论后使用EMQTT作为MQTT协议的服务端，在服务端使用两个MQTT客户端，一个用于消息接收及转储，另一客户端用于提供网页服务，并发送用户控制指令至总控器，再由总控器发送至各个路灯进行控制。
4.1接收消息程序。接收消息客户端在MQTT协议中订阅对应主题接收消息，当消息到来时，将灯开关状态等消息转存至MySQL数据库中供用户通过网页日后查询，该程序为后台执行转储功能。
4.2网页客户端。通过网页单独向用户提供相应服务，使用Flask作为网页架构，并通过Nginx作为前端数据转发以适应较大访问量。当用户手动控制时，网页服务端将用户的指令通过MQTT协议到指定的目标，目标总控器接收到消息后进行控制。
5系统测试与结论
综上所述本设计的路灯控制系统是基于ZigBee技术进行路灯间的通信，及采用GPRS网络连接到服务器进行远程管理、控制。为了达到设计方案最终测试效果，设计者制作了一个路灯模型（如图），该模型有16盏路灯组成，一边8盏，每个路灯由ZigBee路灯模块独立控制，然后再分别对路灯开关模式、超声波感应、故障报警等几方面进行的测试。测试表明，该系统具有路灯都可以同时或独立开启/关闭，检测目标后自动开启，及故障灯自动上报等特点，能满足在不同环境下的使用，实现节能减耗的目的。
参考文献
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作者:沈博韬 单位:东华理工大学东华理工大学长江学院