【摘要】为了提高城市照明系统的智能化管理，本文设计了一套基于无线传输技术的LED智能监测照明系统。该系统主要通过GPRS系统技术和ZigBee传感网络技术，实现了智能控制数据无线传输区域覆盖和照明系统网络智能控制功能。该系统还设计了智能监控算法，实现了照明系统的智能监控功能和智能控光功能。
【关键词】智能自适应算法；LED照明；监测系统
随着时代发展和科技进步，LED照明系统具备的寿命久、耗电少、能效高等特点，成为现代照明的重要技术组成。现代化城市的建设逐步实现了城市路灯系统智能化控制与网络化控制，大大增强了城市道路管理的效率。传统的照明系统主要是通过时间段或者传感器感知技术来实现路灯的控制，但存在效率低、故障率高和不易智能管理等缺点。下文就针对以上缺点设计了一套基于无线传输技术的LED智能检测照明系统。
1智能照明系统总体设计
智能照明监控系统主要由4部分组成：①监控中心系统，实现了系统数据的上传、下载、采集和存储等功能；②GPRS核心主干无线传输网络，实现了数据的远程传输和承载等功能；③Zig-Bee无线传感网络，该网络实现了路灯子节点之间的感知覆盖和数据采集。LED远程智能监控系统的总体网络结构如图1所示，该系统实现了簇状数据采集网络与链状数据传输网络的数据路由和数据转发；④网关节点，网关数据节点作为簇状采集网与链状传输网的中转站，实现了ZigBee技术和TCP/IP的协议转换。网关系统还完成了监控中心控制命令实时转发以及采集路灯节点状态信息传递至监控中心等功能。
2硬件系统框架设计
智能照明监控系统硬件模块主要包括：①GPRS模块，负责数据传输；②ZigBee节点和网关模块，负责路灯数据采集、上传和传输等；③主控单片机系统，数据核心处理；④LED恒流驱动，路灯系统保护，提高灯具的寿命；⑤传感器模块，路灯节点数据采集和上传。硬件系统总体设计如图2所示。GPRS模块主要实现了路灯系统的远程控制，ZigBee系统主要实现了LED路灯的各类信息采集检测、灯具远程开关和灯具光线智能控制。
2.1LED恒流驱动设计
为了提高路灯的使用寿命和发光稳定性，设计了基于FT870芯片的路灯恒流技术。FT870通过特定频率PWM信号控制MOS发光二极管，实现了路灯的恒流发光，能够保障系统稳定性。该恒流电路设计如图3所示。当路灯照明系统与路灯恒流系统对接后，首先通过Q1打通两个系统，DC／AC实现了主电路导通功能，此时路灯持续供电并使L1储存电能；当Q1切断时，主电路回路改变流向并促使L1释放电能保证路灯的持续发光。通过R1电阻（1000Ω）流过的电压实现路灯的电流检测实时调控电路，从而完成了路灯的恒流驱动。
2.2主控芯片设计
为了实现GPRS模块与ZigBee模块的异步串口通信，引入了主控芯片MSP430单片机。图3基于FT870的LED驱动电路MSP430的P5.3作为GPRS的异步串口数据接收接口，实现了数据的上传功能。P5.4引脚设置为GPRS的异步串口数据发送接口，实现了监控系统控制命令的发送功能。MSP430的P3.5作为ZigBee的异步串口数据接收接口，MSP430将采集数据发送给ZigBee。P3.6引脚设置为ZigBee的异步串口数据发送接口，ZigBee可以将无线数据透明地传输至MSP430.MSP430最小系统如图4所示。
2.3ZigBee电路设计
ZigBee电路的主控芯片是无线射频处理器CC2420，采用全双工通信模式与MSP430进行数据交互，其中34接口SO、33接口SI、32接口SCLK和31接口CSn分别与MSP430芯片上的SPI通信对应相连，即CSn与MSP430的SET0、SCLK与MSP430的SMCLK、SI与MSP430的SIMO0、SO与MSP430的SOMI0引脚相连。
MSP430利用引脚状态的变化来判断信道的状态。该ZigBee系统电路连接设计如图5所示。
2.4GPRS电路系统设计
GPRS电路系统采用的是科大讯飞的无线通信M23模块，为了提高传输可靠性和稳定性，M23使用了基于冲突检测技术的半双工串行通信模式。33接口TDＸ与34接口RDＸ分别与MSP430的MCＵ板32接口TDＸ与33接口RDＸ交叉衔接，实现GPRS模块与MSP430的数据对接。6接口LEDA主要完成了LED网络连接的验证，当LED闪烁时表明GPRS工作正常。11接口、12接口、13接口和23接口主要为GPRS的SIM提供输出和输入通信，完成系统网络的接入和通信。
3LED亮度软件控制系统设计
3.1LED亮度控制设计
照明系统主要采用PWM技术实现灯具亮度的控制，在恒流恒频模式下，通过设置单片机A/B定时器的工作模式对比和MOS开关的导通寄存器，能够实现多路PWM电路控制LED灯具的光线调节。ZigBee传感网络利用LED灯的感知测控信息和灯具控制命令，能够实现路灯节点各类感知采集信息传输至监控中心，并检测路灯节点的异常信号。同时，网关也可以通过ZigBee传感网和环境时段信息实现统一的路灯亮度调控。路灯利用PWM控制信号和ZigBee传感网实现了路灯的光线亮度控制功能。
3.2自适应智能算法设计
LED照明系统采用自适应算法来实现智能照明控制，系统初始化后首先通过光线感知传感器自动检测日光亮度，从而判断是白天还是黑夜。如果是白天，LED灯熄灭不亮，同时读取系统时钟并回到初始化状态继续循环检测环境情况；如果系统处于黑夜状态，LED进行路灯开启，并根据系统时钟判断时段。当系统处于黑白过度阶段时，光线感知传感器根据亮度监测数据自适应实现路灯的控制；当系统处于前半夜时，路灯启动全功率照明程序；当系统处于后半夜时，采用自适应算法控制程序。当检测到人员车辆通过时，系统启用全功率照明程序；当车辆人员离开后，系统自动延时30秒后启动节能工作模式,自适应算法实现了LED灯的智能控制和节能控制。LED亮度自适应节能算法流程图如图７所示。
结语
本文设计了一套自适应LED智能照明监测系统，实现了对城市照明系统的远程智能监控和远程智能遥控等功能。监测控制中心通过控制指令的上传和下达而完成了数据的采集和存储，GPRS无线网实现了数据的传输和承载，ZigBee无线传感网通过传感节点来完成路灯节点的数据感知和采集，网关系统实现了控制命令的上传下达以及路灯节点信息的传输。该自适应照明系统实现了GPRS传输、ZigBee无线传感、PWM信号调制、光线感知和无线组网等技术的融合，实现了具备节能、高效、环保、网络化和智能化的遥测遥控智能控制LED路灯系统设计，具备一定的实用价值和推广价值。
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