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基于MC13213无线模块和ZigBee技术实现道路照明系统的设计

电子设计 2021-06-26 15:25 次阅读

基于物联网道路照明系统的结构如图1所示,通过在每盏路灯嵌入一个无线通信模块,使它们自组网络,接受控制中心的命令并将路灯的状态反馈给控制中心;HG-2控制箱采用ZigBee技术与所管辖道路的所有路灯通信,采用GPRS与控制中心通信,根据控制中心的指令或时间和日照亮度对每盏路灯发出控制命令(路灯开启、关闭、照明度(功率大小)等),自动调节整条道路的功率平衡;控制中心由服务器、大屏显示、CenterView中央控制系统软件平台等组成,CenterView中央控制系统软件平台采用3D设计,通过缩放变换以俯视的角度观察和控制到整个城市、一个街道、一条道路、甚至一盏路灯的照明情况;移动计算工具(笔记本电脑、PDA、手机)和路灯维护车也能通过控制中心进行远程遥测和遥控。

3 无线通信模块

无线通信模块的MCU为Freesclae公司MC13213,MC13213采用SiP技术在9×9mm的LGA封装内集成了MC9S08GT主控MCU和MC1320x射频收发器。如图2所示。

无线通信模块采用ZigBee技术、IEEE802.15.4协议,通信覆盖半径可达150m,能与在其覆盖范围内的任何路灯节点自组网络和进行通信,除了实现路灯的物物相联以外,还具有调节电子镇流器的功率输出(30%~100%),实现节能和绿色照明,检测供电线路的电流、电压、功率因数以及、每一盏灯的工作状态,当发生故障(如灯具损坏、灯杆撞击、人为破坏)时,实时向监控中心和相关部门报警等功能。

无线通信模块还进行了防雨、防潮、防雷电、防电磁干扰设计,并充分考虑了安装方便、维护简单和可恢复性(接入两根线就实现了路灯级的无线控制,拆除两根线又恢复到原来的状态),可以嵌入在路灯的不同位置(灯杆底部、灯杆内、灯罩内)。

3.2 通信协议

无线通信模块的通信协议如下:对照明实施按路段顺序编号,通过命令转发和状态返回实现节点之间“手拉手”的通信。命令转发机制:每个节点通过一个位示图结构来记录哪些帧已经被转发(位示图最多可以表示256帧),如果节点接收到命令帧后,判断该帧是否已经被该节点转发,如已转发则丢弃该帧(节点只对收到的命令帧进行转发,对帧的内容不做修改),从而保证了以最快的速度控制一条线路,并且有效防止了某个节点故障影响整条线路的工作;状态返回机制:命令帧发送到达指定节点后,该指定节点则接收该命令并立即返回状态;转发规则:只有节点号比目标节点号小才转发,状态返回过程则相反。

3.3 与中央监控的连接

一条传输通信链路由若干个ZigBee节点组成,在这些节点的中间设置一个簇节点(一条道路可以设置1个或多个簇节点),其作用是以GPRS的方式与控制中心通信(命令接受和状态返回),簇节点采用Freescale公司32位CodeFire系列MCF52223芯片作为控制单元,GTM900B(华为GPRS通讯模块)和EM770W(华为WCDMA的3G通讯模块)作为远距离无线通信模。MCF5222x系列利用常用的V2ColdFire内核构建而成,在80MHz的频率下性能高达76MIPS(Dhrystone2.1),接口功能包括:1个MiniUSB接口,支持USBOTG功能,3个2线串口,1个麦克风输入接口,1个HEADSET输入/出接口,1个HANDSET输入/出接口,1个8Ω/16Ω扬声器输出接口,1个132*96点阵LED,1个5*5按键键盘,支持RTC、ADCPIT&GPT、PWM等;GTM900B和EM770W则完成远距离的GPRS通信。

4 控制中心软件设计

控制中心的软件设计平台为Windows2003,开发工具是微软VisualStudio2005,数据库使用SQLServer2005,与地理信息系统相结合,在获取了街道、建筑物以及路灯的位置、形状等特征信息后,设计以路灯为主体的3维虚拟城市,在控制中心大屏幕上动态显示道路的照明效果,并可以通过平移,放大,缩小等几何变换,观察整个城市、街道甚至每一盏路灯的照明情况。该软件主要有5个功能模块:系统设置、智能控制、电量核算、故障处理和紧急预案。系统设置中的区域设置有市,区,街道和电控箱4种;路灯设置有路灯的位置、型号、生产单位、施工单位、维护责任人,安装日期、清洗维护日期等;亮灯方式设置有全开,全关,单号路灯开,单号路灯关,双号路灯开,双号路灯关,1/3路灯开,1/3路灯关,1/4路灯开,1/4路灯关,智能控制等11种控制方式;时段设置可根据不同的城市不同的季节设置不同时段的亮灯方式;智能控制有两方面内容:针对安装了电子型路灯的路段,根据季节变化和天气状况,通过实时采样环境光强度,对路灯的照明亮度进行智能调节;在夜间,特别是深夜当检测到汽车和行人的流量十分稀少时,在不影响辨认可靠的情况下,适当降低道路的照明亮度,节约电耗;电量核算能对市,区,街道、电控箱甚至每盏路灯进行用电量的统计和核算;故障处理是对灯具损坏、断电、断相、过流、过压、三相不平衡以及人为破坏等情况,在第一时间向监控中心报警后迅速生成故障报告;故障处理的另一个功能是按路段和时段(年、季度、月)统计亮灯率、故障率、每次故障处理的效率(平均修理时间);紧急预案是对一些突发事件制定度紧急预案,在特殊情况下,尽可能提供合适的道路照明,保证人民生命财产的安全。图3是控制中心软件的运行界面之一。

5 实际应用

物联网的道路照明系统自2009年5月以来,在某国家级工业园区进行了安装和测试,安装环境为同一条道路两边的各100盏路灯,道路左边的100盏路灯采用无线传感智能控制,共增加成本24600.00元人民币,道路右边的100盏路灯采用常规的控制方式(半夜后单双号间隔开灯18:30~6:30),测试结果如表1所示。

从表1中可以看出,采用物联网的智能控制,通过实际测试,物联网控制的100盏路灯在91天中,节约电能15925度,一般情况下在产品投入的半年内就可以收回全部投资。电耗降低有以下几个方面因素:开启关闭时间的调整,道路右边的路灯控制方式是根据季节设定开闭时间(定时控制)并且是全功率开全功率闭,道路右边的路灯控制方式是环境光强度和季节自动控制开闭时间,开启时,由于路面上尚有较强的环境光,路灯以补光的方式工作,逐渐增加照明强度,路灯关闭控制类似;深夜控制模式,由于深夜时企业与居民用电负荷减少,低压电网电压升高,常规控制方式下的路灯(道路右边)异常明亮、眩目,往往造成过度照明,不仅大大增加耗电,同时也导致灯具、电器实际使用寿命迅速下降,大量增加维护量和维护费用,深夜控制模式(道路左边),采用降功率照明,不但降低耗电,还能改善道路照明质量和视觉舒适度,延长灯具、电器的实际使用寿命;道路照明的智能控制,对有学校、居民密集的小区、道路转弯处、事故多发地带等特殊路段,适当提高照明亮度,其余路段则适当降低照明亮度。

采用物联网智能路灯控制后对故障自动侦测、报警具有实时性好、可靠性强各项优点,极大地缩短了由人工定期巡查检测的时间和劳动强度。

6 结语

先进的道路照明不但可以提升城市的形象、提高交通运输效率,减少交通事故,还能节约大量的公共电能消耗。但对于大多数城市,由于缺少的必需基础设施(路灯级的通信链路),无法实现先进控制方法,物联网(物联网)出现和应用,有效地解决以上问题,本文基于无线传感网络,选择Freesclae公司MC13213芯片,设计了一种嵌入式无线通信模块,使整条道路的每一盏路灯自主联网,使用Freescale公司的MCF52223芯片、华为公司的MG323和EM770W作为远程通信模模块,实现了路灯的遥测、遥控,对节约公共资源,建设数字化和节约型城市有较高的实际应用价值。

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CC2592 2.4GHZ 射频范围扩展器

CC2592器件是一款针对低功率和低压2.4GHz无线应用的经济高效且高性能的RF前端。 CC2592器件是一款针对德州仪器(TI)所有CC25XX 2.4GHz低功率RF收发器,发射器和片上系统产品的范围扩展器。 为了增加链路预算,CC2592器件提供一个可增加输出功率的功率放大器,以及一个具有低噪声系数的LNA,以提升接收器灵敏度。 CC2592器件提供一个极小尺寸,高输出功率RF设计,此设计采用4mm x 4mm四方扁平无引线(QFN)-16封装。 CC2592器件包含高性能无线应用简单设计所需的PA,LNA,开关,RF匹配和不平衡变压器。 特性 与德州仪器(TI)2.4GHz低功率RF器件的无缝对接 + 22dBm输出功率 CC2520,CC253X和CC85XX上3dB典型经改进灵敏度 极少的外部组件 集成开关 集成匹配网络 集成不平衡变压器 集成电感器 集成功率放大器(PA) 集成低噪声放大器(LNA) 通过HGM端子的LNA增益数字控制 断电时(LNA_EN = PA_EN = 0),电流100nA 低发送流耗 对于+ 22dBm,PAE = 34%,电压3V时的电流为155mA 低接收流耗 针对高增益模式的4.0mA电流 针对低增益模式的1.9mA电流 4.7dB L...
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CC2592 2.4GHZ 射频范围扩展器

CC2538 用于 2.4GHz IEEE 802.15.4-2006 和 ZigBee 应用的强大片上系统

CC2538xFnn是适用于高性能ZigBee应用的理想无线微控制器片上系统(SoC)。该器件包含基于ARM Cortex M3的强大的MCU系统,具有高达32KB的片上RAM和高达512KB的片上闪存以及可靠的IEEE 802.15.4射频功能。这使得该器件能够处理涉及安全性,要求严格的应用程序以及无线下载的复杂网络协议栈.32个通用输入和输出(GPIO)以及串行外设接口可实现到电路板其它部分的简单连接。强大的硬件安全加速器可在CPU处理应用任务的同时实现快速且高效的认证和加密。具有保持功能的多个低功耗模式可实现从休眠状态快速唤醒并且显着降低执行顺期平稳开发,CC2538xFnn包括一个强大的调试系统和一个综合性驱动器库。为了减少应用闪存封装尺寸, CC2538xFnn ROM包含一个实用功能库和一个串行引导加载器.CC2538与T我免费提供的稳健且全面的Z-Stack软件解决方案搭配使用,可提供市场上功能最强大,最稳定的ZigBee解决方案。 特性 微控制器 强大的ARM Cortex-M3,具有代码预提取功能 高达32MHz的时钟速度 512KB,256KB或128KB系统内可编程闪存 支持片上无线升级(OTA) 支持双Zigbee应用配置 高达32KB的RAM(...
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CC2538 用于 2.4GHz IEEE 802.15.4-2006 和 ZigBee 应用的强大片上系统

CC2533 用于 2.4GHz IEEE 802.15.4 和 ZigBee 应用的真正的片上系统解决方案

CC2533是基于IEEE 802.15.4的远程控制系统的优化片上系统(SoC)解决方案。当用作灵活的SoC时,它可以以低物料成本构建单芯片遥控器。当在RemoTI RF4CE堆栈的无线网络处理器配置中使用时,它还提供了将RF4CE功能添加到设备或目标的简单路径。可以以非常低的总物料清单成本构建强大的网络节点。 CC2533将领先的RF收发器的卓越性能与单周期8051兼容CPU相结合,最高可达96 KB - 系统可编程闪存,高达6 KB RAM,以及许多其他强大功能。 CC2533具有高效的功耗模式,RAM和寄存器保持低于1μA,非常适合需要超低功耗的低占空比系统。工作模式之间的短转换时间进一步确保了低能耗。 结合德州仪器的黄金单元状态RemoTI堆栈,CC2533提供了强大而完整的ZigBee RF4CE远程控制解决方案。它也非常适合在具有SPI /UART /I 2 C接口的网络处理器配置中实现远程控制系统的目标端。 CC2533配有参考设计和实现远程控制系统的示例软件,以确保高效的设计。 CC2533有三种内存大小配置: CC2533F32 - 32 KB闪存,4 KB RAM CC2533F64 - 64 KB闪存,4 KB RAM CC2533F96 - 96 K...
发表于 08-21 18:44 1272次 阅读
CC2533 用于 2.4GHz IEEE 802.15.4 和 ZigBee 应用的真正的片上系统解决方案