基于4G与ZIGBEE物联网络及带WEB功能的LED路灯控制系统.pdf

本发明公开了一种基于4G与ZigBee物联网络及带Web功能的LED路灯控制系统，它包括ZigBee节点终端、路由器、协调器、4G模块、服务器、Web服务器与手机客户端软件；系统架构为自组网络结构，当系统需要加入终端路灯时无需复杂的系统设置，极大地方便了系统的扩展。终端路灯可以根据外部环境实现自动通断或者亮度调节，可以对它所在的区域进行基本环境监测。该系统可以提高LED照明系统的智能化管理水平，同时进一步促进电能的节约，并在一定程度上提高城市环境的检测力度；系统还可以通过手机客户端与Web的方式实现远程监控功能，系统用户可以实时了解和控制系统的运行状态，能满足一般情况下的应急需求，同时也极大地方便了工作人员对系统的维修、维护。

权利要求书1.  基于4G与ZigBee物联网络及带Web功能的LED路灯控制系统， 包括ZigBee节点终端、路由器、协调器、4G模块、服务器、Web服 务器与手机客户端软件；其特征在于：所述的ZigBee节点终端包括 传感器模块、A/D转换模块、2530ZigBee节点模块、LED驱动模块、 LED节能灯模块、报警模块、节能灯电流检测模块及电源模块；所述 的传感器模块包括：雾霾传感器模块、光敏传感器模块、温度传感器 模块、气压传感器模块、湿度传感器模块和气体浓度传感器模块；且 雾霾传感器模块、光敏传感器模块、温度传感器模块、气压传感器模 块、湿度传感器模块和气体浓度传感器模块均与A/D转换模块数据连 接；所述的A/D转换器包括高精度的16位A/D转换芯片及外围电路； 2530ZigBee节点模块包括CC2530芯片及其外围电路；LED驱动模块 包括大功率的LED驱动芯片、控制芯片及其外围电路；LED节能灯模 块包括高效LED节能灯珠混联及其外围电路；报警模块包括功放系 统、喇叭、LED指示灯及其外围电路；节能灯电流检测模块包括电流 传感器及其外围电路；所述的电源模块包括12V和3.3V稳压电源模 块及电路短路保护模块。 2.  根据权利要求1所述的基于4G与ZigBee物联网络及带Web功 能的LED路灯控制系统，其特征在于：所述的路由器包括：ZigBee 节点终端的所有功能模块，其中把CC2530芯片模块的通信模式设置 为路由器；所述的协调器包括CC2530芯片及其外围电路，其中把通 信模式设置为协调器；所述的4G模块包括：移动4G网络通信芯片及 其外围电路；所述的服务器包括主板、CPU、内存条、硬盘及其服务 系统；所述的Web服务器包括：Web服务器软件、服务器电脑、输入 网页与输出网页；所述的Web服务器软件需安装在服务器电脑中，并 对软件做好正确的配置；所述的手机客户端软件包括基于安卓系统及 苹果系统下开发的一款手机客户端软件。 3.  根据权利要求1所述的基于4G与ZigBee物联网络及带Web功 能的LED路灯控制系统，其特征在于：所述雾霾模块为雾霾传感器及 其外围电路；所述的光敏传感器模块为光敏传感器及其外围电路；所 述的温度模块为热敏传感器及外围电路；所述的气压传感器模块为气 压传感器及外围电路；所述的湿度模块为湿度传感器及其外围电路； 所述的气体浓度传感器模块为氧传感器、二氧化碳传感器、氧化锆传 感器、氧化锆浓差电池型气体传感器、固体电解质式氧化锆气体传感 器、另外还有二氧化钛氧传感器及外围电路。

说明书基于4G与ZigBee物联网络及带Web功能的LED路灯控制系统
技术领域
本发明涉及LED路灯控制应用技术领域，尤其是基于4G与ZigBee 物联网络及带Web功能的LED路灯控制系统。
背景技术
ZigBee公共照明系统不仅是城市最重要的基础公共设施之一， 还是城市形象的标志和窗口。其分布于城市的各个角落，正日益成为 电能消耗的大户。在智能、节能和环保问题备受关注的今天，LED照 明以其低耗能、坚固耐用、对环境无污染等优点正成为备受市场青睐 的对象。然而，由于公共照明节点数量巨大，加之空间分散，如何有 效监管和维护一个如此庞大的照明节点网络自然成为值得关注的问 题。
现行的城市公共照明控制系统通常是预先设置好开关灯时间及 控制灯光的动作。这样的控制方式并不适合于LED路灯控制系统，其 原因在于：其一，智能化程度低，不能根据实际需求或者环境状况对 LED路灯相关参数进行自适应地调整。如果通过增加传感部件，对环 境状况进行实时感知，则可以实现LED路灯照明的智能化，例如结合 光线明暗程度及定时需求等信息对LED路灯进行通断的控制及光线 明暗的调节，进而为行人或者车辆提供人性化的服务，在降低安全隐 患的同时，也可以进一步促进LED路灯的节能降耗，消除不必要的浪 费。其二，维护监管困难。由于管理人员无法及时获取LED照明节点 的运行状态，造成其维修维护工作处于被动的局面。如果通过技术改 造，使得管理人员能够随时随地及时获知LED照明节点的工作状态， 则可以及早发现问题和解决问题，使整个照明网络工作于正常状态。 其三，照明网络管理成本高。由于照明网络在地理位置上具有分散性， 采用常规的有线方式实现数据采集或者传输，其网络运行和维护成本 高。如果借助无线通信技术，则可以大大降低上述相关成本；与此同 时，网络一旦建成，可以对LED照明节点进行远程实时监控，降低人 力成本。
正是在上述背景之下，本发明结合传感器技术、ZigBee无线网 络和4G无线技术，提出了一种LED路灯控制系统的方案。其目的在 于克服以上所述的缺点，提供一种既能实时监控整个路灯运行状态， 又能根据环境进行终端路灯的自动关断与自动亮度调节，还能在对周 围环境进行基本监测的同时也能供手机和Web用户进行远程服务的 LED节能路灯控制系统。
发明内容
本发明提出一种基于4G与ZigBee物联网络及带Web功能的LED 路灯控制系统的设计方案，系统组件具体包括：ZigBee节点终端、 路由器、协调器、4G模块、服务器、Web服务器与手机客户端软件； 其特征在于：所述的ZigBee节点终端包括传感器模块、A/D转换模 块、2530ZigBee节点模块、LED驱动模块、LED节能灯模块、报警模 块、节能灯电流检测模块及电源模块；所述的传感器模块包括：雾霾 传感器模块、光敏传感器模块、温度传感器模块、气压传感器模块、 湿度传感器模块和气体浓度传感器模块；且雾霾传感器模块、光敏传 感器模块、温度传感器模块、气压传感器模块、湿度传感器模块和气 体浓度传感器模块均与A/D转换模块数据连接；所述的A/D转换器包 括高精度的16位A/D转换芯片及外围电路；2530ZigBee节点模块包 括CC2530芯片及其外围电路；LED驱动模块包括大功率的LED驱动 芯片控制芯片及其外围电路；LED节能灯模块包括高效节能LED灯珠 混联及其外围电路；报警模块包括功放系统、喇叭、LED指示灯及其 外围电路；节能灯电流检测模块包括电流传感器及其外围电路；所述 的电源模块包括12V和3.3V稳压电源模块及电路短路保护模块。
作为本发明的进一步技术方案：所述的路由器包括：ZigBee节 点终端的所有功能模块，其中把CC2530芯片模块的通信模式设置为 路由器；所述的协调器包括CC2530芯片及其外围电路，其中把通信 模式设置为协调器；所述的4G模块包括：移动4G网络通信芯片及其 外围电路；所述的服务器包括主板、CPU、内存条、硬盘及其服务系 统；所述的Web服务器包括：Web服务器软件、服务器电脑、输入网 页与输出网页；所述的Web服务器软件需安装在服务器电脑中，并对 软件做好正确的配置；所述的手机客户端软件包括基于安卓系统及苹 果系统下开发的一款手机客户端软件。
作为本发明的进一步技术方案：所述雾霾模块为雾霾传感器及其 外围电路；所述的光敏传感器模块为光敏传感器及其外围电路；所述 的温度模块为热敏传感器及外围电路；所述的气压传感器模块为气压 传感器及外围电路；所述的湿度模块为湿度传感器及其外围电路；所 述的气体浓度传感器模块为氧传感器、二氧化碳传感器、氧化锆传感 器、氧化锆浓差电池型气体传感器、固体电解质式氧化锆气体传感器、 另外还有二氧化钛氧传感器及外围电路。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该系统为自组网式加入 终端路灯，当系统需要加入终端路灯时无需复杂的系统设置，极大地 方便了系统的扩展；终端路灯可以根据外部环境进行自动关断与自动 亮度调节，实现了LED节点照明控制的自动化和智能化，可以进一步 降低电能的消耗。终端路灯还可以对它所在的区域进行基本环境监 测，从而有效地提高城市环境的监测力度，一定程度上节约购买城市 环境监测设备的成本；同时系统用户还可以通过手机与Web的方式远 程访问系统服务器，了解系统的各项数据和控制系统的运行参数。这 样极大地方便了路灯管理和维护人员工作，他们只要安装了手机客户 端，便可以实时了解和控制系统运行状况；如果系统设备出现故障， 手机客户端会第一时间发出提醒，工作人员通过提醒，可以了解到故 障设备的具体位置，极大地提高了系统维修、维护效率；Web用户只 需要打开Web网页，输入参数，就能清楚地了解到系统当前的工作数 据，同时还可以实时控制终端路灯的运行状态；易于推广使用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的终端节点的结构示意图；
图3是本发明的协调器与终端节点工作流程示意图；
图4是本发明的Web网页结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方 案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部 分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普 通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例， 都属于本发明保护的范围。
参见图1，本发明实施例中，基于4G网络与ZigBee物联网络及 带Web功能的LED节能路灯控制系统包括系统服务器201、手机客户 端202、Web用户端203、互联网204、A区域设备207、B区域设备 205、其他区域设备206。具体如图1所示，服务器201与各区域设 备整个系统的核心服务器201主要负责收集各终端路灯设备采集反 馈得到数据及其强制调控某区域的路灯的运行状态以便满足当时的 工作需求。各区域设备主要负责自组网、自调节、自检测和自采集数 据。其中各区域设备有分为四大模块：4G模块、协调器、路由器、 终端节点设备。其中4G模块主要负责协调器与互联网的联通工作， 协调器主要负责网络的建立，以及网络的相关配置，路由器主要负责 寻找、建立及修复网络报文，终端设备主要负责数据的采集及命令的 执行。
参见说明书附图2，本发明的终端路灯模块包括：雾霾传感器模 块101、光敏传感器器模块102、温度传感器模块103、气压传感器104、 湿度传感器模块105、气体浓度传感器模块106、A/D转换模块107、LED 驱动模块108、电流传感器模块109、LED节能灯模块110、2530ZigBee 节点模块111、报警模块112、12V及3.3V稳压电压模块113和市电及短 路保护模块114。其中2530ZigBee节点模块111为终端路灯模块的核 心，它主要负责整个模块的信号处理和网络加入。当传感器模组采集 到数据后，通过2530ZigBee节点模块111将数据发送到服务器，如果 服务器有控制指令需要执行时，以组播网的方式传送给节点模块，并 设定控制指令为节点模块的外部中断信号(此传送的指令即为程序流 程图中的来自网络中的中断)，那么2530ZigBee节点模块111收到指 令后则立即执行指令。其中A/D转换模块107为高精度16位的A/D转换 器，主要负责把采集到的模拟信号数字化。其中LED驱动模块108主要 负责LED节能灯模块电流及电压的供给，它是根据2530ZigBee节点模 块111控制信号PWM信号的占空比来供给LED节能灯模块110电流和电 压的大小。其中电流传感器109主要负责检测LED节能灯模块110实际 用电功率。其中LED节能灯模块110主要由一定数量的LED灯珠混联而 成，是终端模块的光源。其中报警模块112主要负责系统出错后的报 警。
本发明的工作流程为：其工作过程可以分为两个相对独立工作的 部分，其中：第一部分是系统控制端的自组网和数据采集。其工作过 程是，首先由协调器连接4G模块，协调器确认连接4G模块成功后，接 着进行网络的建立以及网络的相关配置，再由路由器寻找、建立及修 复网络报文，最后终端设备加入网络，这样就组成一个ZigBee物联网 络。网络组建好之后，协调器发送测试指令到终端设备，终端设备收 到测试指令后，将发送测试反馈信息到协调器，协调器接收到反馈信 息便开始正常工作。此时终端路灯将采集到的数据通过网络传送至服 务器，服务器对其数据进行存储和管理，在终端路灯采集数据的同时 终端路灯也进行自动亮度调节和故障检测，各项参数与采集到的数据 一起送服务器存储管理。服务器除了管理存储数据外，还可以根据环 境情况需要手动控制终端路灯的运行状态。
第二部分是系统的远程设备的控制与服务。在服务器电脑端同时 安装手机客户服务软件与Web服务软件，服务器电脑通过网络接口与 互联网相连通，因此只需给服务器申请一个域名，并对手机客户服务 软件与Web服务软件做好基本配置，那么手机客户端用户与Web用户就 可以远程访问服务器。当Web用户输入域名进入输入网页后，在输入 网页中选择用户需要的请求，访问Web服务器。Web服务器根据请求将 反馈信息通过网络传送到输出网页，这样，用户需要了解的各项参数 最终以Web页面的形式反馈给Web用户浏览，如果Web用户有请求需要 控制终端路灯设备的运行状态，则Web服务器把请求直接送控制系统 的服务器，服务器发送指令下送执行，最后再把反馈信息送输出网页 供用户浏览。手机客户端用户只需打开软件直接操作，便可更直观的 浏览系统信息和控制运行状态。
参见说明书附图3：下面结合具体实施例进一步具体说明本发明 的终端模块与协调器的工作流程。将本发明基于4G网络与ZigBee物联 网络及带Web功能的LED节能路灯控制系统的各个器件通电，系统的各 个部件进行自动初始化。
协调器的工作流程即：首先是各接口初始化，然后连接到4G网络， 连接成功后，建立网络并监控，如果收到信号，则判断加入信号，是 终端设备加入信号则批准加入并分配地址，再发送测试信号，加入网 络完成后，给服务器设定一个中断入口，有中断则马上执行中断服务 程序，没有则接收路由器和终端设备发送过来的数据包，并通过4G 网络把数据发送到服务器。
终端节点的工作流程即：首先各端口自动初始化，然后加入网络， 新加入网络的终端路灯设备需要接收协调器的测试信息，此时在此设 定一个来自协调器的终端入口，以便执行紧急情况时协调器下发的控 制指令，接着读取光敏传感器的数值，把数值与标准值范围进行比较， 如不在范围则直接使能报警模块报警光敏传感器错误，并跳转到读取 其他传感器数值，把数值一起打包送服务器管理。如在标准范围内则 开启LED驱动模块，驱动模块根据读取到的值调整供给LED节能灯模块 的电压和电流，使其达到自动亮度调节目的，接着读取电流传感器数 值，判断数值是否在标准范围内，如果不在范围则使能报警模块报警 LED节能灯模块错误，并跳转到读取其他传感器数值，把数值打包送 服务器管理。最后设置一种休眠模式，在某个时间段不需要进行上述 工作过程，当休眠时间到，自动又返回上述工作模式工作，设置休眠 模式是为了延长硬件寿命、降低设备能耗。模式设置可以在服务中设 定也可以在终端设备中自行设置，从而更加人性化。
参见说明书附图4：地址栏301即域名输入区域，输入域名后点击 确定便访问到Web服务器的输入页面。结构框图如下：显示区域主要 有标题302、用户及密码选择区域303、操作控制区域304、参数显示 区域305、用户须知306。标题302显示区域主要是对系统名称的显示， 操作控制区域304主要是Web用户操作与控制区域。参数显示区域305 可以对用户需要的数据进行显示。用户须知306主要包括文字型的对 本发明的说明，其中包括工作流程、使用说明、操作说明等。
对于本领域技术人员而言，本发明不限于上述示范性实施例的细 节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的 具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作 是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不 是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围 内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视 为限制所涉及的权利要求。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡 是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替 换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。