朱玲媛，徐文濤，劉邦超，陳 殷，王政偉

（1.南京航空航天大學 計算機科學與技術學院，江蘇 南京 210016；2.南京航空航天大學 理學院，江蘇 南京 210016；3.南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京 210016）

隨著國家城市化進程的發(fā)展，城市規(guī)模不斷變大，人們對城市照明的需求也不斷提高，方便高效的路燈監(jiān)控系統(tǒng)對于一個城市現(xiàn)代化發(fā)展具有重要意義。很多發(fā)達國家已普遍采用計算機技術來實現(xiàn)對路燈的監(jiān)控，大大節(jié)約了人力資源。與發(fā)達國家相比，我國的城市路燈控制系統(tǒng)還處于計時器/光感控制階段[1]，智能化的研究還處于初期階段，表現(xiàn)為：通過人工巡查及群眾反映等方式實現(xiàn)路燈的開關控制以及故障排查；城市夜晚沒有行人時，路燈也照常工作，浪費了能源；路燈工作狀態(tài)沒有存檔，不方便日后的查詢。以上缺點不但消耗了大量的人力、物力和財力，而且實時性差，故障的上報率較低，故障處理率也低。最重要的是路燈控制手段不靈活，無法實現(xiàn)單點控制和按需照明，導致照明能耗的浪費，因此實現(xiàn)路燈的智能監(jiān)控刻不容緩[2]。

ZigBee技術是一門新興通信技術[3]，利用該技術可以實現(xiàn)終端節(jié)點的聯(lián)網(wǎng)，并通過互聯(lián)網(wǎng)對終端進行跟蹤和管理，ZigBee技術的發(fā)展使路燈的網(wǎng)絡化和智能化管理成為可能。在本路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)中，使用ZigBee節(jié)點將路燈與傳感器組成一個無線傳感網(wǎng)絡，傳感器對路燈工作狀態(tài)，如有無行人、路燈是否出現(xiàn)故障和光強等信息進行采集，通過無線傳感網(wǎng)絡將狀態(tài)信息通過網(wǎng)關上傳至網(wǎng)絡服務器中，實現(xiàn)用戶遠程監(jiān)測與控制。

1 系統(tǒng)整體方案設計

本系統(tǒng)設計了基于ZigBee/GSM和WEB服務器的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過多種傳感器采集工作環(huán)境參數(shù)（如光強）并通過ZigBee終端節(jié)點將參數(shù)傳輸至ZigBee協(xié)調(diào)器。ZigBee協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)通過串口傳輸至計算機服務器，本系統(tǒng)在計算機上搭建了WEB服務器，最終可由互聯(lián)網(wǎng)終端利用瀏覽器訪問服務器網(wǎng)站實現(xiàn)實時監(jiān)測和遠程控制。為了實現(xiàn)對路燈的本地控制功能，本系統(tǒng)在單片機網(wǎng)關中對實時采集到的數(shù)據(jù)加以分析，并反饋調(diào)節(jié)路燈亮度，同時啟用故障檢測功能，若出現(xiàn)故障，利用GSM模塊將報警短信發(fā)送至路燈維修人員處。綜上，本系統(tǒng)在路燈信息監(jiān)測、路燈故障報警、路燈遠程控制三方面對城市路燈進行高效、智能化、網(wǎng)絡化的管理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of system

2 系統(tǒng)硬件設計

硬件部分主要包括：ZigBee模塊、傳感器模塊、UART接口、GTM900C、計算機等。本系統(tǒng)中，傳感器單元中包含霍爾電流傳感器、紅外傳感器和光敏傳感器，分別用于采集路燈故障信息、行人信息和光強信息。ZigBee模塊選用TI公司生產(chǎn)的C2530芯片，該芯片集成了Z-Stack協(xié)議棧，可以方便的實現(xiàn)自組網(wǎng)，建立無線傳感網(wǎng)絡。為實現(xiàn)故障報警功能，系統(tǒng)通過串口將GSM模塊與ZigBee協(xié)調(diào)器相連，當出現(xiàn)路燈故障時，GSM模塊以短信的形式將故障信息發(fā)送至相關負責人。本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of hardware

ZigBee的無線傳輸網(wǎng)絡為樹形拓撲結(jié)構(gòu)，結(jié)點按層次進行連接，主要在上、下結(jié)點之間進行信息交換，即終端與路由器交換信息、路由器與協(xié)調(diào)器交換信息，適用于匯集信息的應用要求[4]。ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡圖如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

圖3 ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡Fig.3 ZigBee wireless transmission network

本系統(tǒng)采用B/S模式使用戶實現(xiàn)遠程監(jiān)控路燈的功能，B/S模式由3個模塊組成，包括客戶端、WEB服務器和數(shù)據(jù)庫服務器?？蛻舳藘H僅使用瀏覽器即可訪問服務器，事務處理放在服務器端，數(shù)據(jù)處理則由數(shù)據(jù)庫服務器進行，這樣用戶就可以通過網(wǎng)絡進行異地數(shù)據(jù)訪問，最終實現(xiàn)路燈的監(jiān)控。系統(tǒng)軟件平臺為Microsoft Visual Studio2010和Microsoft SQL Server2005，主要工作包括WEB服務器的搭建，數(shù)據(jù)庫建立及事件處理和服務器端程序的開發(fā)。當系統(tǒng)為監(jiān)測模式時，計算機通過串口，按照設定的時間定時通過串口向ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，對ZigBee協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)進行接收，并將數(shù)據(jù)傳送至控制中心，控制中心通過入庫線程將數(shù)據(jù)入庫，同時更新最新的路燈狀態(tài)；當系統(tǒng)為控制模式時，通過外部中斷的方式向ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送控制命令，由無線傳感網(wǎng)絡進行轉(zhuǎn)發(fā)，最終由ZigBee終端節(jié)點通過路燈控制單元對路燈進行控制。由于是B/S結(jié)構(gòu)，所以使用普通瀏覽器即可查看或控制[5]。普通用戶登陸只能查看路燈狀況，管理員身份登陸還可以控制路燈工作狀態(tài)。服務器端程序流程圖如圖4所示。

圖4 服務器軟件流程圖Fig.4 Flow chat of Web software

4 系統(tǒng)測試

4.1 測試方法

系統(tǒng)調(diào)試主要分為硬件測試和軟件調(diào)試兩部分[6]。硬件測試主要檢測系統(tǒng)的硬件是否正常工作，包括ZigBee結(jié)點的硬件測試和嵌入式網(wǎng)關的硬件測試。采用方法：人工改變路燈的運行狀態(tài)，設置虛假“緊急”情況，檢測是否能收到報警短信。軟件調(diào)試是在硬件正常工作的基礎上來檢測軟件是否能實現(xiàn)遠程監(jiān)控以及自己搭建的服務器的壓力測試。采用的方法：人工改變路燈的運行狀態(tài)，檢測是否能正確顯示以及控制是否有效；壓力測試方面，由于用于搭建服務器的主機為個人電腦，所以實際抗壓性能并不強，但是作為模型檢測，它是可行的。系統(tǒng)軟硬件整合后，通過計算機對系統(tǒng)進行雙向的監(jiān)控。

4.2 效果圖

整體調(diào)試的效果圖如圖5所示。

圖5 效果圖Fig.5 Monitoring interface

5 結(jié) 論

本系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術應用到對路燈的管理中，利用了ZigBee技術，計算機技術和傳感器技術構(gòu)建了智能城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)過測試，本系統(tǒng)可以實現(xiàn)對路燈的遠程監(jiān)控和管理，并能夠?qū)崿F(xiàn)故障定位和自動報警功能，節(jié)約了路燈維護工作的人力成本，并減小了照明能耗，為傳統(tǒng)的路燈管理方法創(chuàng)新提供了新的思路。

[1]宋劍飛.基于ZigBee的智能路燈控制研究[D].河北：河北科技大學，2011.

[2]甘典文.基于ZigBee/GSM的無線糧情遠程數(shù)據(jù)傳輸終端的研究與實現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學，2011.

[3]張慧，王建華.基于ZigBee的高校宿舍防火防盜監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].電子設計工程，2014，22（6）：148-149 ZHANG Hui，WANG Jian-hua.Design of a fireproof and burglar-proof monitoring system for university dormitories based on ZigBee technology[J].Electronic Design Engineering，2014，22（6）:148-149.

[4]張穎斐.基于GSM智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設計[D].甘肅：蘭州交通大學，2013.

[5]陳鑫.路燈監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].福建：廈門大學，2006.

[6]劉佶，徐群.ZigBee無線傳感網(wǎng)絡技術在油田信息采集系統(tǒng)中的應用[J].電子設計工程，2014，22（5）：157-160.LIU Ji，XU Qun.Smart oil field information collection system design based on ZigBee[J].Electronic Design Engineering，2014，22（5）:157-160.