1、A thesis submitted toZhengzhou Universityfor the degree of MasterThe Control of Intelligent Lighting System for Street LampBy Xiaoxiao JiangSupervisor：ProfDongqing FengControl Theory and Control EngineeringSchool of Electrical EngineeringMay 20 1 4学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中
2、已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者： 糟蕾商日期：1刎c年j明D日学位论文使用授权声明本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该学位论文直接
3、相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。学位论文作者： 糟纳日期：o lq-年n乡D EI摘要摘要随着科学技术的飞速发展，人们对道路照明的节能和舒适性需求也不断增强。城市道路照明也成为城市市政的一项重要设施，它在保证道路交通安全、方便行人生活、提高交通运输效率、美化城市环境中具有非凡的意义。我国经济的快速发展也推动着城市道路照明的建设，现如今交通工具逐日增加，伴随着能源日益紧张和雾霾日益严重等问题的出现，都要求道路照明向智能节能模式发展。道路照明一方面要满足行人车辆照明的需求，同时还要合理的最大化节约能源并保证环境的美化和谐。所以，设计一种先进的智能照
4、明系统是非常必要的。本文针对已有道路照明系统的不足，基于城市道路照明情况，设计了路灯照明智能控制系统。本系统采用GPRS远距离通信技术和ZigBee短距离通信技术完成设备间信息的无线传输，选择JN5139芯片作为节点控制器，并采用照度传感器和运动传感器分别对路面的亮度和车辆行人情况进行信息采集，通过上位机的智能控制策略，实现对道路路灯的亮度等级进行实时控制。该系统还具有远程监控功能，工作人员可以通过客户端界面对道路路灯进行实时监控和历史状态查询，节约了大量的人力和时间。为了实现系统的智能化和节能的最大化，引入了模糊决策算法。路灯智能控制系统根据传感器采集到的信息，通过模糊决策智能算法，实时地调
5、整路灯打开等级，在满足行人车辆照明需求的前提下，尽可能的节约能源。考虑到系统长期使用会造成硬件损坏或不精确，本系统还对系统的后期维护方面进行了设计，主要针对路灯故障监控系统和传感器校对两方面进行设计。路灯故障监控系统主要是通过上位机客户端对路灯实时进行监控，并设置路灯故障报警系统，这样工作人员可以第一时间获得路灯故障信息，及时对其采取维修以最短时间恢复路灯正常照明。由于整个智能照明系统关键信息来源均由传感器采集并上传，因此，定期对传感器进行校对是非常必要的。由于传统传感器校对方法比较繁琐，本文提出一种传感器原位在线校准方法，验证了此技术的实用性，并申请了专利。关键字：路灯照明GPRS ZigB
6、ee模糊决策故障检测传感器校对Abstract一AbstractWith the rapid development of science and technology,people demand for roadlighting energy efficiency and comfort of road lighting is also increasingCity roadlighting has become an important urban municipal facilities，it is to assure the safetvof road traffhc and conv
7、enient pedestrian life，improve the efficiency oftransportation，and beautify the urban environment has the extraordinarvsignificanceT11e rapid development of Chinas economy also promotes theconstruction of city road lighting，nowadays，transportation increases day byday,accompanied by the emergence of
8、energy and haze growing increasingly tenseand serious problems，such as the emergence of development requirements tointelligent road lighting energy saving modeRoad lighting on the one hand，to meetthe demand of traffic lighting，as well as reasonable maximization to save energV andto ensure that the b
9、eautification environment harmonyTherefore，design a kind ofadvanced intelligent lighting system is very necessaryIn this paper,aiming at the shortcomings of the existing road lightingsystem，based on the urban road lighting，street lighting intelligent control system isdesignedT11e system uses the GPR
10、S telecommunications technology and ZigBeewireless transmission for short distance communication technology between completeequipment information，select the JN5 1 3 9 chip as a node controller,using theilluminance sensors and the motion sensors respectively on the brightness and thetraffic situation
11、 of information collection，PC through intelligent control strategies toachieve the brightness level lights on the road for realtime contr01The system alsohas the function of remote monitoring，the staff can be realtime monitoring of roadlamp through the client interface and historical status query,sa
12、ving a lot of manpowerandtimeIn order to maximize the intelligence and energysaving of the system，the fuzzydecision algorithm is introducedStreet lamp smart control system based on sensorinformation collected，through fuzzy decision intelligent algorithms，realtime一垒!堕堡垒adjustment of street lamp open
13、level，to meet the needs of the pedestrian Vehiclelighting premise，as far as possible to save energyConsidering the system use for a long time can cause hardware damageorinaccuratetIlis system also later period maintenance of system design，mainly for twoaspects of street lamp fault monitoring system
14、and sensor calibrationStreet lampfaultmonitoring system is mainly through the PC client to monitor in realtime ontnestreet l锄ps，and set up the street lamp fault alarm system，SO that statt canimmediately get street lamp fault information，in a timely manner to repalntneshortest time taken to restore n
15、ormal lighting lampsAs the key source of informatlonfor me entire intelligent lighting system by the sensors to collect and upload，so on are叫ar basis to proofreading sensor is very necessaryBecause traditional sensorcalibration method is complicated，me article propose a sensor insitu calibratlonmemo
16、ds online to verify the usefulness of this technology,and applied for a patentKev Words：Street lamp lighting，GPRS，ZigBee，Fuzzy decision，Fault detection，Sensors proofreading目录目录摘要IAbstl7act。II目录IV图和附表清单VII1绪仑111道路照明系统研究背景及意义112国内外研究现状：213短距离无线通信技术314论文总体安排52 ZigBee与GPRS通信技术821 ZigBee通信技术8211什么是ZigBee
17、一8212 ZigBee技术特性9213 ZigBee协议架构1 1214 ZigBee网络拓扑1222 GPRS通信技术一1 5221 GPRS概念及特点1 5222 GPRS工作原理1 6223 GPRS协议架构1723小结173系统软件和硬件设计与实现1931系统软件总体方案设计19IV目录3。2底层网络软件设计19321系统主程序设计193，22协调器节点与路由器节点程序设计23323传感器的绑定与解绑程序设计253，24上位机与底层网络通信命令设计29325下位机网络稳定性测试303，26上位机软件平台搭建3133硬件部分选择与设计36331节点控制器36332 GPRS模块3833
18、3照度传感器和运动传感器40334电源模块电路的设计42335路灯调光电路设计4334小结444路灯节能算法研究一4541路灯节能算法现状4542路灯节能系统总体设计4543模糊控制方法4644基于模糊决策的智能照明系统搭建5045仿真测试5646小结595后期维护系统设计6051故障监控系统设计6052传感器原位在线校对系统设计6253小结636总结与展望6461总结64V目录62展望64参考文献一66致谢69个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果70VI图和附表清单图和附表清单图21 ZigBee网络层分布11图22 Zigbee的协议架构12图2。3 Zigbee网络星形拓扑结构13
19、图24 Zigbee网络树形拓扑结构14图25 Zigbee网络Mesh拓扑结构15图26 GPRS协议架构17图31 Flash programmer程序烧写界面20图32系统主流程图21图33瓜5l 39芯片程序执行流程图22图34 JN5139协调器初始化流程图23图35路灯节点中添加运动传感器程序流程图26图36运动传感器中添加路灯节点程序流程图27图37路灯接收运动传感器信息处理程序流程图28图38路灯对照度传感器信息处理程序流程图29图39控制命令格式29图310智能照明控制系统软件主界面31图31l地理模块界面32图312定时模块界面33图313报警模块界面34图3。14设备模块
20、界面35图315数据模块界面35图316所示为5139模块的引脚图37图317 JN5139微控制器内部结构37图318协调器硬件结构图38图319路由器硬件结构图38图320协调器实物图38图321路由终端实物图38图322 MC521模块39图323 MC521模块引脚图40图324 TSL2550工作原理图41图325 TSL2550与JN5 139连接电路图41图326 LS03电池内部原理图一42图327 LS03电源电路图43图328电路过零检测电路43图41模糊决策系统原理图47VTT图和附表清单图42模糊决策系统模型5 1图43路面照度信息的隶属函数52图44运动传感器信息的隶
21、属函数52图45模糊系统输出的隶属函数53图46模糊决策结构图54图47模糊决策规则库54图48模糊决策仿真图55图49基于模糊决策的系统流程图56图410调压前后的电压波形图57(1)调压前电压波形56(2)调压后电压波形57图41l路灯照明智能控制系统展台57图412不同电压下路灯单位时间内耗电量59图51数据分析日志界面61图52详细数据查询界面62图53传感器原位在线校准系统原理图63表11几种短距离通信技术比较5表41城市道路各级道路照明标准46表42模糊规则表53表43随季节变化的系统关闭时间表55表44实验数据统计表58VIII1绪论1绪论11道路照明系统研究背景及意义随着科技的
22、高速发展和人民生活的不断提高，照明在人们的日常生活当中，地位越来越重要。随着汽车逐渐普及，交通事故也频频发生。介于晚上更是交通事故的多发时段，因此夜晚道路照明的要求也逐渐提高。从日落到日出，路面上的运行的车辆也随时间不断变化，如果仍采用夜晚路灯保持常开状态这种传统的照明方式，虽然给行人的照明带来了便利，但是在无人时段同时也造成了能源的浪费。当今，雾霾成了大家谈论的焦点，我们的生活受到雾霾的严重影响，我们的健康也处于危机之中，而我国的电力供给主要来源是火力发电，而火力发电中电量的四分之三的都是使用煤炭发电，发电过程中会产生大量的二氧化碳和二氧化硫，加剧了环境污染的程度【1儿21。并且，随着不可再
23、生能源越来越少，我们更应该节约能源，而城市路灯照明在电能使用中占有非常大的比重。因此，寻找一种节约能源的路灯照明方案也成为政府比较重视的一项工作。智能化逐渐渗透到我们日常生活的各个角落，城市道路照明的智能化也代表着一个城市科技发展的水平。寻求一种比较完善的路灯智能照明系统也是每个城市竞相追求的一项工程。传统的路灯照吲3】是有线手动控制，分区或分路段定时对路灯进行开关，不仅成本费用比较高，并且还需大量工作人员不断巡逻，以检察故障路灯，并对其进行维修。然后随着无线通信技术的发展，工作人员在已有有线路灯系统基础上增加无线技术，逐渐变成有线和无线相结合的路灯系统。这样虽然在成本方面大量节约了线缆费用，
24、但是智能化程度仍不能满足无人值守和故障自动检测的要求，很多路灯照明系统仍需要工作人员定期的手动进行路灯开关时间的修改。而后国内外在无线通信技术方面有了新的进展，各种技术的诞生并慢慢应用到生活当中，而ZigBee7J技术是一种新兴的短距离、低速率、低复杂度、低功耗、低成本的无线网络技术，凭借成本低、高可靠性、时延短，网络容量大、覆盖范围广、安全性高，从众多通信技术中脱颖而出，成为科研人员喜爱的一种通信手段。因此科研人员开始研究利用ZigBee实现短距离通信的路灯智能系统，照明智能控制系统才开始有了突飞猛进的发展。基于路灯照明的需要性和节约能源的必须性，本课题针对一种路灯智能照明系统进行了研究。此
25、系统利用当今智能科技的便利，采用ZigBee短距离通信11绪论技术与GPRS远距离通信技术相结合，建立成路灯照明智能控制系统。系统不但可以根据监控路面亮度和路面车辆行人情况，进行实时调整路灯的光亮，也可以手动远程调整路灯照明。在满足正常照明的需求下，最大化的节约能源。而且可以远程监控照明系统，发现有路灯不能正常运行可以及时通知工作人员进行维修，避免了工作人员频繁现场巡逻的麻烦，路灯故障及时得以解决，保障路灯正常运行，尽可能的避免因照明引起的交通事故的发生。12国内外研究现状随着智能化逐渐走进我们的生活，国内外也在竞相研究路灯的智能化管理。国外在智能照明这方面开始研究的比较早，技术也比同时代国内
26、的要成熟的多。比较有代表性的国家有法国、德国、瑞士和新加坡，他们的技术都己处于比较先进的领导地位。国外主要是通过计算机运行程序对路灯进行远程无线控制【3J，可以实现日升路灯关闭、日落路灯打开，从而实现道路正常照明的目的。技术上大都采用GSMGPRS技术进行远距离无线通信【4J，完成上位机程序命令的传送和路灯数据的回传。智能照明系统虽然仍未完全脱离有线的辅助，但是在很大程度上减少了线缆的使用，缩小了成本。不但能够智能的控制路灯满足车辆行人照明的需求，也在一定程度上节约了电能。由于智能系统可以实时远程监控路灯状况，从而大大的减少了人员轮班巡逻的麻烦，间接的缩小了路灯系统的成本开销。我国在二十世纪8
27、0年代才开始对路灯系统展开研究，具有代表性的一些案例是：1989年常州在技术方面进行研究和更新，能够很好地满足路灯照明的需要。然后就是北京、上海、广州、天津【5】等科技比较发达的城市率先走上高科技时代，许多路灯科研所开始尝试路灯照明智能化管理系统的研究。1993年开始研制的上海市区路灯监控系统，是一个覆盖全市的计算机远程监控系统，具有遥测、遥信、遥控功能，用于上海市区重要道路路灯及配电设施的监控【6I，系统主要采用无线通讯的方式，不过还是要借助有线的参与，借鉴国际电工委员会提出的IEC8705规约，并用WINDOS NT操作系统作为主站的系统，专用工控平台、SQL数据库、WEB浏览方式。系统投
28、入运行后，采用固定的开关灯时间，能够及时处理路灯故障，从而减少交通事故，并且亮灯率有所提高，很好的改善了上海这座前卫城市的形象。2001年，广州市针对我国城市照明管理的现状和需21绪论要，推出了功能强大的RDD3000城市照明集中监控系鲥71，可实现遥测、遥信和遥控功能，运行方式灵活可靠，可按本地的经纬度自动控制灯具开关，远方遥测运行参数，自动报告运行故障，并准确指出故障路段，提供运行分析报告，为城市照明系统运行、维护、扩展提供全面的解决方案和强有力的技术支持，使城市照明运行管理水平迈上新的台阶。21世纪初期，随着移动通信技术的飞速发展，GSMGPRS技术的研究也逐渐走向成熟，科研人员也开始考
29、虑并着手将GSMGPRS技术应用到路灯照明系统中。长沙是我国第一座将GPRS技术成功的应用到智能路灯系统中的城市。继而是柳州市7路灯管理处通过与上海交通大学的强强联手，研发出具有W曲功能的智能路灯监控系统。在这个系统中，将路灯监控系统、GPRS和地理信息系统相结合，实现了远程监控和定位的功能。此技术在国内属于领先的水平，其中一些技术己经达到国际先进的标准。石家庄市是针对智能路灯照明系统的路灯故障监测和控制方面，研发一种路灯中央控制室与路灯采用GPRS技术实时的进行连接。2004年，哈尔滨移动针对本市监控路灯效果不达标的问题，通过引入GPRS技术成功的解决了这么问题。首都北京市【引的夜景照明主管
30、部门也通过采用GPRS技术，研发出了基于GPRS的夜景照明监控管理系统(LAMS)。虽然在国内外对ZigBee技术的研究都比较成熟，但是将ZigBee技术应用到路灯智能照明系统中去的研究非常少。因此，基于ZigBee和GPRS技术的路灯智能照明系统的研究具有非常大的研究意义和应用价值。13短距离无线通信技术随着信息技术的飞速发展，短距离无线通信技术得到广泛的应用，它有三个非常重要的特征：低成本、低功耗和对等通信，也是短距离无线通信的三个优势。目前，我们比较熟悉的短距离无线通信技术有以下7种：WiFi、无线城域网WiMax、超宽带通信UWB、近场通信NFC、蓝牙、红外数据通信、ZigBee。下面
31、是对每一种技术的简要介绍。(1)WiFiwiFi也叫做IEEE80211x，最初是在1997年提出的规范，由于它可以提供无线局域网(WLAN)的接入，成为目前WLAN的主要技术标准，可以实现几Mbps到几十Mbps的无线接入【9】。它主要的特点是：速度快，可靠性高，在密11绪论闭的空间通信距离是76122m，但是在开放的空间通信距离可以达到305m。目前，可以使用最新的交换机将WiFi无线网络的通信范围从100m扩展到约65km。但是，它的功耗过高、节点容量也易受到限制，这限制了它在工业场合的应用。(2)无线城域网WiMaxWiMax也叫做“IEEE Wireless MAN”，它主要是为了提
32、供一种在城域网onepoint to multipoints的厂商设备环境下，可以有效的进行互操作的宽带接入方式。它的最大传输速度是7481Mbps，是3G提供的宽带速度的30倍。WiMax最大可为50km线性区域的用户提供服务，是一种非常具有发展潜力的一种无线接入技术。(3)超宽带通信UWB超宽带技术UWB(Ultra WideBand)是一种无线载波通信技术。它是采用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，所以它占很宽的频谱范围。因为UWB技术可以借助发射机接收机实现高速度的数据传输，所以在近几年来技术得到了飞速的发展，在视频消费娱乐方面的无线局域网(PAN)是UWB最具特色的一个应用。和其他的无
33、线通信技术相比，UWB具有传输速率高、通信距离短、平均发射功率低、多径分辨率高的特点，比较适合便携型的使用【l。(4)近场通信NFC近距离无线传输NFC(Near Field Communication)，是由Philips、Nokia和Sony公司合力推出的一种类似于非接触式射频识别(RFID)的短距离无线通信技术标准。NFC采用双向的识别和连接手段，在20cm距离内工作频率为1356MHz。手机、电脑等多个设备可以通过NFC实现设备之间的无线互联，彼此之间可以进行交换数据和服务。NFC的作用距离进一步的缩短，且不需要相应的加密设备辅助，这是它与蓝牙等其他的短距离无线通信手段的区别之处。(5
34、)蓝牙蓝牙(Bluethooth)最早是在1994年，由爱立信公司开始研究的一种无线模块，用于手机与耳机等附件之间互相通信，它的工作频段是24GHz。它的连接距离一般在10m以内。蓝牙具有低功耗、通信安全、数据的传输带宽至1Mbps、蓝牙与蓝牙之间可以互建联系、支持语音的传输。蓝牙广泛应用于PC、手机、汽车电子产品、家用电器等，尤其广泛应用于个人局域网中。但是，由于蓝牙存在植入成本较高、通信对象较少、通信速率低等缺点，仍不能得到广泛的普4绪论及。(6)红外数据通信红外数据通信IrDA是一种采用红外线进行PointtoPoint通信的技术。IrDA标准的传输速率由以前的l 152kbps发展到了
35、4Mbps、16Mbps。由于支持IrDA的软、硬件技术都发展的比较成熟，因此IrDA技术广泛应用于小型的移动设备(例手机、手提电脑、IPad等)。IrDA具有体积小、功耗低、连接便利、简单易用、成本低等特点。但由于它仅支持同时在两台设备之间连接，并有视距角度等问题，因此很少应用到工业网络中。(7)ZigBeeZigBee是一种最近才发展起来的短距离无线通信技术，它是基于IEEE802154无线标准开发的，主要应用在WPAN中。ZigBee和蓝牙一样，也是使用24GHz波段，采用跳频技术。它的特点是可靠性高、更简单、功耗低、成本低、网络容量大、低传输速率和工作频段灵活】。它被公认为有很大机率在
36、工业监控、传感器网络(WSN)、智能家庭监控等领域广泛发展的一种无线通信技术。下面是对上述7种短距离通信技术在各特性方面的一个对比，如下表11示：表11几种短距离通信技术比较5绪论14论文总体安排本文研究的主要内容是基于ZigBee和GPRS通信技术的路灯智能照明系统。此系统是通过上位机控制，实现GPRS远距离通信和ZigBee技术在路灯之间的近距离通信，实现路灯的远程控制，并且通过在路灯处安装照度传感器和运动传感器，操作上位机界面通过分析传感器上传的信息，从而选择恰当的照明方式，达到在满足正常照明的情况下最大化的节约能源。并且此系统通过传感器检测，以实现灯具故障自动检测和报警功能，通过远程报
37、警系统通知维修人员，使维修人员能够在第一时间到达现场对故障路灯进行维修，从而最大程度的减少因路灯照明问题引起的交通事故。本文总体上分为六章，每一章的安排如下：第一章是绪论，主要介绍本课题研究的目的和意义，当今国内外在此领域的研究现状。然后是对当今7中短距离通信技术的介绍和比较，突显出本课题采用ZigBee无线通信技术和GPRS无线通信技术的原因和优势。最后对本论文的总体安排进行了介绍。第二章主要介绍本课题采用的ZigBee和GPRS无线通信技术。包括ZigBee和GPRS技术的概念和来源，两种技术的特点和优势，ZigBee技术的协议架构和网络拓扑，以及GPRS技术的工作原理和协议架构。从它们的
38、架构和工作方式进行一个比较全面的认识，方便后期的使用。第三章的主要内容包括智能照明系统的软件设计和硬件的选择与电路设计。其中包括系统软件平台的搭建，程序的编写以及Jennic软件的介绍，传感器和灯具间的绑定与解绑，下位机网络稳定性测试等。硬件部分包括开发板的介绍、照度传感器和运动传感器的选择、节点控制器的选择以及硬件主要电路的设计。第四章主要介绍了智能照明系统所引进的一种节能控制算法：模糊决策算法。包括路灯照明节能算法的现状、算法的优势、模糊决策算法的介绍和算法的实现，从而达到控制路灯节约电能的目的。第五章的主要内容是智能照明系统的故障监控系统，和传感器原位在线校准技术。由于当今照明系统都缺乏
39、一种比较系统的故障监控系统，本论文在分析前人技术的基础上，并对其进行改进，从而引出一种新的故障监测系统，以实现路灯或传感器出现问题能够远程通知工作人员，在第一时间对其进行维修6绪论的目的。传感器在室外环境中应用一段时间会出现偏差，因此，本文提出了一种原位在线校准技术来实现传感器的原位在线校准。第六章是对本课题的一个总结和展望，分析了本课题研究的不足和可改进之处，以便后面的学者可以对路灯照明智能控制系统进行改进。72垄塑望皇鱼!垦!望堡垫查一2 ZigBee与GPRS通信技术在本设计中，实现无线通信技术包括远程的和近距离的通信，远程的结合当今通信行业GPRS的大范围覆盖，因此可以在通信的基础上使用，无需再建立覆盖点。短距离通信技术，经过绪论中几种通信技术的特点比较，综合它们的特点、优势和成本费用，最终选用ZigBee技术。因此，本课题主要采用的两种无线通信技术，分别是ZigBee无线通信和GPRS无线通信。在这里分别对这两种通信技术的概念、特点及结构进行介绍。21 ZigBee通信技术21
