基于zigbee的智能节能路灯控制新版系统.doc

基于zigbee智能节能路灯控制系统1 引 言老式路灯节能系统存在着智能化限度低、通讯稳定限度差、路面照度分布不均等问题。当前路灯电费和管理费用是政府一项巨大财政支出。从路灯节能控制系统成本、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智能化、信息化、可靠性高、低成本目的。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她节点信息中寄作用。在系统各子网内路灯控制器通信采用ZigBee合同，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合同与路灯控制器通信，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，形成一种ZigBee子站，远程控制中心通过GPRS网络于ZigBee子网相联。路灯控制器重要功能有：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。子网控制器（GPRS数传终端）重要功能有：接受和发送子网内所有路灯控制信号、数据记录、报警解决等。它负责控制子网内路灯控制器运营，将系统中心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。子网控制器处在系统中心和子网内路灯控制器中间，向上通过GPRS同系统中心通信，向下则是通过ZigBee通讯合同方式，同各个路灯控制器通信。系统中心系统中心重要实现通过系统控制软件对子网下路灯控制器进行远程数据访问和控制，涉及参数配备，控制命令发送、现场灯具状态收集等。可以显示路灯状态（亮度、电压、电流、功率和功率因数）信息，可以远程控制路灯开关和调节路灯亮度，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 节能方略控制模型采用基于功率闭环控制系统。在容许超调亮范畴内实现对路灯功率自动调节，通过单片机控制可控硅导通角，对路灯功率进行调节。智能感应控制。白天，当光线达到预期规定期关灯；晚上，当有人或车辆通过时，控制路灯自动控制打开路灯或者增强路灯亮度；而在一段时间内没有人或车辆通过，自动延时后关闭路灯或者削弱路灯亮度。系统控制网络拓扑图系统架构图4 系统功能简介(1)自动巡测功能：系统中心可以自动巡测每路路灯开关状态。(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：通过采集到数据进行解决判断，保证负载处在合理范畴内。(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：现场按预先设计好时间筹划自动调节路灯开关时间。 (7)报警功能：故障浮现后，系统中心可以精确获取故障灯位置信息，工作人员可以在最短时间内赶到现场进行维护。通过采集电力线电流、电压状况，告知系统中心，从而进行防盗解决。(8)数据存储功能：可对路灯安装和时间、地点、运营参数、工作时间等顾客关怀信息进行记录存储。 (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立和维护功能。(11)信号传递功能：将任一路灯所在处人和车辆状况传递到下一种路灯，可以告知下一种路灯提前点亮。5 详细实行方案和过程5.1灯泡亮度调节控制办法运用可控硅实现基于单片机可控硅功率调节电路。可控硅调节功率具备不冲击电网、对用电设备不产生干扰等长处，是一种应用广泛功率调节方式。所谓功率调节就是控制在给定周期内可控硅导通时间，从而变化负载功率，实现功率调节。实现可控硅功率调节须解决3个技术核心：(1)获取工频交流电源过零脉冲，作为触发双向可控硅同步脉冲；(2)将控制算法得到控制量变为可控硅在给定周期内导通时间；(3)隔离工频交流电源强电对微机系统和控制电路弱电干扰。可控硅功率调节电路如图1220VP1.1P1.2图1220V电路中，光电耦合器TIL117用于产生工频交流电过零脉冲。交流电经全波整流后驱动光电耦合器输入端发光二级管通断，通过合理设计光电耦合器电阻R1和和R2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规定过零脉冲。该脉冲信号分为两路：一路送至单片机高速输入通道HIS引脚，另一路送至与非门1个输入端，与之相应另一输入端接门控信号，以控制过零脉冲在T周期内通过与非门时间。该门控信号就是单片机高速输出通道P1.1输出脉宽信号。由与非门输出过零脉冲通过光电耦合器TIL113隔离传播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，提高了系统抗干扰能力和工作可靠性。5.2灯泡功率因数测量办法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门限电压值“过零检测”技术，实现信号功率因数测量。该测量仪具备硬件电路构造简朴、实用、测量精准度高、抗干扰能力强等特点。图1为功率因数测量中相位-时间转换法构造框图。 由于电力系统中工频周期为20 ms，因而，电压与电流相位差测量精度取决于相位差信号高电平宽度测量。相位差为电压和电流信号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高电平方波。图2给出图1中各节点信号波形。相位-时间转换法所得o与实际相位有一定相位差，这是由低通滤波器引起，可通过软件进行补偿。o信号是由单片机定期器定期计数高电平而测量，其相位差为：式中，t为高电平宽度。余弦值计算采用查表和小数补偿算法。一方面对计算出相位整数度查表，求得当前值和下一整数值余弦值；然后，计算小数某些余弦值增量值为两整数余弦值之差乘以小数某些，最后，将当前值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功率因数。5.2.2系统硬件构造及其工作原理图3为功率因数测量电路原理图，该测量仪由信号预解决电路、相位检测电路、电源、显示和单片机小系统等模块构成。图3中Ui、Ii、Uo、Io和o各节点与图1中各点相相应。图3 功率因数测量电路原理图信号预解决电路电压预解决电路由电压转换电路和过零比较器构成。实验发现，采用隔离变压器进行电压信号转换会导致相位偏移，且相位偏移不够稳定。因而，电压转换电路采用光电隔离器构成，由于发光管发光具备一定滞后特性，因而由光电隔离器构成电压转换电路除具备无相位偏移特点外，还具备很高过零点检测稳定性和可靠性。电流预解决电路由低通滤波器和过零比较器构成。电力系统中普通有电力设备开关和控制导致突发脉冲、高次谐波和噪声等因素干扰，这些干扰频率普通高于工频，且重要体当前电流中。为了滤除或减少干扰，在电流预解决电路中设立由U21构成二阶低通滤波器。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P37引脚状态为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电平规定。过零比较器输出端是与输入信号频率相似方波。相位检测电路由于电力系统中电压与电流相位差不不大于-90，且不大于90。因而，可直接对电压信号预解决输出方波信号和电流信号预解决方波信号进行异或运算。得到一串脉宽与相位成正比脉冲波。系统软件设计为避免随机干扰和测量成果不稳定，提高相位测量精度，采用相位差中值滤波测量法：一方面，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。采用这种办法可以较好地提高测量仪抗干扰能力问题。测试成果功率因数测量仪核心技术在于对相位精准测量。在完毕硬件电路设计后采用数字示波表测试相位检测电路中电压和电流信号，测试成果如图6所示。通过对测试电压和电流波形分析可知：当电流信号发生严重畸变时，系统硬件可以较好地进行滤波整形，进而保证相位检测精准度和精确度。由于在系统软件中采用中值滤波技术，因而，在工业现场实际测试时，测量成果具备很高稳定性和测量精度。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：DC5V20V2.静态功耗：65微安3.电平输出：高3.3V低0V4.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.感应范畴：不大于120度锥角，7米内。8.工作温度：-1570度9.PCB外形尺寸：32*24mm，螺丝孔距28mm，螺丝孔径2mm用法：1.感应模块通电后有一分钟左右初始化时间，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风，风也会对感应器导致干扰。3.感应模块采用双元探头，探头窗口为长方形，双元（A元B元）位于较长方向两端，当人体从左到右或从右到左走过时,红外光谱到达双元时间、距离有差值，差值越大，感应越敏捷，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变化，无差值，因而感应不敏捷或不工作；因此安装感应器时应使探头双元方向与人体活动最多方向尽量相平行，保证人体通过时先后被探头双元所感应。为了增长感应角度范畴，本模块采用圆形透镜，也使得探头四周都感应，但左右两侧依然比上下两个方向感应范畴大、敏捷度强，安装时仍须尽量按以上规定。5.4继电器模块 6 系统创新点(1)节约成本：安装施工简易快捷，无需铺设专线；每个路灯只需要一种路灯控制器。不用变化既有电力线架设和配电控制网络，一方面节约了人力物力；一方面自动组网ZigBee模块不受天气和地形影响，也保证了通讯可靠性。(2)每天可进行自动通、断电操作；可保证工作日、节假日按不同步间自动通、断电。 (3)控制灯具开/关和亮度，从而可以明显延长灯具备效寿命，减少灯具更换次数，节约资源，减少有害气体污染环境。可以远程设立节点控制参数，实现节点灵活控制。在后半夜车稀人少时，则控制路灯保持较低照度照明。这样做重要长处就是在调光同步，也大幅减少了电耗，节约用电，同步还可以延长灯源寿命。4)依照天气状况和实际光照度，自动控制灯具开/关和灯具亮度，如在不好天气时及时打开路灯；路据实测光强，来自动以最佳亮度打开路灯，提高公众满意度，在灾害天气使路灯更人性化。(5)通过系统中心设立，防止非授权人操作，保证系统控制安全可靠。根据采集数据状况，可判断终端设备运营状态状况。所有运营参数（自动通断电时间，区域划分）可在管理终端随时设立，随时启用，管理以便。(6) ZigBee 技术特点：1. 低功耗：由于ZigBee传播速率低,发射功率仅为1mW,并且采用了休眠模式,功耗低,因而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年左右使用时间,这是其他无线设备望尘莫及。 2. 成本低：ZigBee模块初始成本在6美元左右,预计不久就能降到1.52.5美元，并且ZigBee合同是免专利费。低成本对于ZigBee也是一种核心因素。 3. 时延短：通信时延和从休眠状态激活时延都非常短,典型搜索设备时延30ms,休眠激活时延是15ms，活动设备信道接入时延为15ms。因而ZigBee技术合用于对时延规定苛刻无线控制(如工业控制场合等)应用。 4.网络容量大：一种星型构造Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一种主设备，一种区域内可以同步存在最多100个ZigBee网络，并且网络构成灵活。 5. 可靠：采用了碰撞避免方略,同步为需要固定带宽通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据竞争和冲突。MAC层采用了完全确认数据传播模式，每个发送数据包都必要等待接受方确认信息。如果传播过程中浮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)数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证，采用了AES-128加密算法,各个应用可以灵活拟定其安全属性。