廖春成，李業(yè)偉，姚繼良，姚念會

(北京師范大學 后勤管理處，北京 100875)

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基于ZigBee網(wǎng)絡的校園路燈控制系統(tǒng)

廖春成，李業(yè)偉，姚繼良，姚念會

(北京師范大學 后勤管理處，北京 100875)

摘要：為了實現(xiàn)對高校路燈遠程進行分時段間隔開啟，以減少校園路燈電能消耗，考慮到高校路燈種類型號多，分布分散等特點，在校園內(nèi)建立了基于無線傳感器網(wǎng)絡的路燈智能控制系統(tǒng)，通過ZigBee網(wǎng)絡實現(xiàn)無線通信傳輸，使整個網(wǎng)絡數(shù)據(jù)安全，用戶節(jié)點擴展性強。以北師大校園路燈智能化控制改造為例，論證了此種方案能較經(jīng)濟地實現(xiàn)對校園所有路燈自動遠程、實時監(jiān)測與控制，并在較短時間內(nèi)收回投資。

關(guān)鍵詞：高校；無線傳感器；ZigBee網(wǎng)絡；智能路燈；遠程監(jiān)控

1引言

高校作為國家公共建筑一部分，落實建筑節(jié)能降耗政策，對社會有著引領示范作用。為有效地降低校園內(nèi)的電能消耗，不少教育工作者做出了很多努力。

傳統(tǒng)校園路燈控制方式有多種。電力線載波進行信息傳輸(北師大路燈改造前就是這種方式)，GPRS和CDMA遠程無線通信傳輸，是目前實現(xiàn)公共路燈遠程控制的兩種主要方式。雖然這兩種方式能較好完成對路燈的遠程智能控制，但在信息傳輸、節(jié)能環(huán)保和運行成本上有一定缺陷[1]。近年來隨著技術(shù)更新，新的通信系統(tǒng)進入市場。無線網(wǎng)絡也不例外，并且這些技術(shù)更多地出現(xiàn)在人們現(xiàn)實生活中。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡，做為無線網(wǎng)絡的一種新型網(wǎng)絡，能低成本實現(xiàn)短距離無線通信，具有一定的工程價值。相對于其他無線網(wǎng)絡(GPRS、WiMAX、ADSL)更合適多用戶通信[2，6]。

構(gòu)建基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡的校園路燈控制平臺，將全校路燈無線連接在一起，可先前指定時間間隔地開啟路燈，從而降低電能消耗，達到節(jié)能目的。北京師范大學路燈有6 m以上高桿道路燈、庭院燈、草坪燈大約750盞，通過網(wǎng)絡構(gòu)建形成的無線網(wǎng)絡系統(tǒng)，可隨時修改路燈控制方案。改造后平均每年可節(jié)省電量 11.2萬kW·h，直接產(chǎn)生經(jīng)濟效益5.6萬元。

2平臺構(gòu)建

通過建立一個對校園路燈執(zhí)行遠程監(jiān)控平臺，提高自動化水平，減少管理人員運營支出，同時節(jié)省路燈電能損耗。平臺運用無線網(wǎng)絡進行訪問，不需要在周圍部署昂貴的有線基礎設施，降低資源消耗。

2.1特點和要求

基于無線傳感器網(wǎng)絡應用技術(shù)，來實現(xiàn)對校園路燈的智能化控制，從而滿足對路燈分時段間隔開啟。這種網(wǎng)絡的建立有著一定的應用和技術(shù)要求。

2.1.1應用要求

(1)節(jié)點識別。正確識別網(wǎng)絡端點，并關(guān)聯(lián)到一個特定用戶。

(2)節(jié)點移動。一般無線傳感器網(wǎng)絡的一個重要特征。實際案例中大多是端點不動情形。

(3)能源消耗和電池壽命。無線傳感器網(wǎng)絡需要能源供給，才能保證傳感器正常工作，特別是單元電池的供電壽命。

(4)可擴展性。未來隨著路燈數(shù)目的增加，很可能需要新端點接入網(wǎng)絡。因此應考慮不需要執(zhí)行特定技術(shù)設計與改造情況下，自動加大網(wǎng)絡。

(5)可靠性。平臺的基本要求，網(wǎng)絡受到攻擊或意外掉網(wǎng)，數(shù)據(jù)信息不應丟失或被篡改。

2.1.2技術(shù)要求

(1)識別設備?；赯igBee技術(shù)的無線終端，有兩種可能的設備地址：64位MAC預編碼地址和16位網(wǎng)絡地址。其中第一個是唯一的，通常當作一個設備加入ZigBee網(wǎng)絡。第二個是一個很短的地址，用來進行網(wǎng)絡路由。

(2)網(wǎng)絡規(guī)模。ZigBee網(wǎng)絡的大小，理論上是有確定的16位地址限制。然而，由于物理限制，該網(wǎng)絡(ZigBee)設備最大數(shù)量是100，是一個小得多的量。

(3)傳感器。傳感器通過串行接口與路燈回路連接，無線設備內(nèi)置于路燈桿內(nèi)，減少裝置所占空間。

(4)協(xié)調(diào)器限制。一個集線器最多只能與四個協(xié)調(diào)器直接連接。

2.2構(gòu)架

單燈控制器與傳感器安裝在每一個路燈桿里，控制器與一個傳感器連接。傳感器通過無線接口連接到協(xié)調(diào)器的專用設備，然后通過集線器將路燈控制信息傳給校園路燈管理服務器(圖1)。

如圖1中，將整個路徑分為兩段，從端點到集線器作為短距離段，從集線器到管理服務器作為長距離段，整個網(wǎng)絡包括四個部分，每個部分彼此間相互聯(lián)系，分別扮演著不同的角色，組合完成自動控制的整個過程。

(1)端點。作為網(wǎng)絡的基礎元，實現(xiàn)了用戶定點的物理邏輯轉(zhuǎn)換，從而與單燈控制器進行數(shù)據(jù)的現(xiàn)場交互。

圖1路燈控制系統(tǒng)構(gòu)架

(2)協(xié)調(diào)器。負責ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)，給結(jié)點成員按照一定規(guī)則分配網(wǎng)絡地址，負責創(chuàng)建并維護一個局域網(wǎng)并實現(xiàn)路由功能。

(3)集線器。負責收集和匯總幾個ZigBee網(wǎng)絡內(nèi)所有端點信息。為端點和服務器平臺的通訊，提供邏輯接口。

(4)管理服務器。作為服務器平臺，負責儲存結(jié)點開關(guān)數(shù)據(jù)，路燈開啟時間及方案設計，實現(xiàn)智能化管理的數(shù)據(jù)平臺。

短距離段通常對應于一個或多個ZigBee網(wǎng)絡，通過串行或通過Wi-Fi直接連接到一個集線器。集線器收集所有區(qū)域內(nèi)路燈開關(guān)信息，再通過長距離段將數(shù)據(jù)反饋給服務器。ZigBee是一種低成本、低功耗的無線技術(shù)，在定位和流量使用上非常適合這個網(wǎng)絡要求。若集線器距離ZigBee網(wǎng)絡終端較遠時，可以用Wi-Fi來實現(xiàn)集線器與ZigBee網(wǎng)絡終端間的數(shù)據(jù)傳遞。

長距離段是集線器與服務器之間數(shù)據(jù)橋梁，一般可由GPRS?、UMTS、 Wi-Fi、WiMAX通信技術(shù)組成。它將所有信息匯總，傳給管理服務器。

當然目前還有一些其他的通信方式來實現(xiàn)上述數(shù)據(jù)的傳遞，比如在短距離段用PLC(線載通信)代替ZigBee，或使用GPRS直接連接到每個端點。直接使用GPRS連接每一端點，特別是規(guī)模宏大的時成本比較高[7]。PLC具有一定帶寬的限制使用不夠靈活，同時還需要有線來支持，材料使用和改造及其不方便。

3組網(wǎng)關(guān)鍵

要能夠成功地獲得所有的路燈開關(guān)信息，并能使系統(tǒng)的成本、可靠性、可擴展性和其他都具有相對的優(yōu)越性。關(guān)鍵主要集中在三個方面：傳感器的識別是否正確。讓管理服務器能正確識別到每一個網(wǎng)絡節(jié)點；網(wǎng)絡是否安全。建立一定的認證機制，確保數(shù)據(jù)保密、完整、可利用；容量規(guī)劃是否合理，根據(jù)網(wǎng)絡規(guī)模設計一定數(shù)量的集線器、協(xié)調(diào)器、傳感器等。

3.1傳感器的識別、尋址和命名

當對每一個傳感器結(jié)點進行訪問時，ZigBee通過搜索所有路徑，分析它們的位置關(guān)系以及遠近，然后選擇其中的一條路徑與該傳感器結(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸。當一條路徑發(fā)生擁擠或者是斷開時，立刻分析下一條路徑，直到搜索到相應的傳感器結(jié)點。

這種搜索的方法存在一些潛在的問題，隨著網(wǎng)絡規(guī)模的增大，數(shù)據(jù)訪問效率會降低。每次管理服務器要與客戶結(jié)點建立聯(lián)絡時，它首先必須查閱數(shù)據(jù)庫獲取相應設備的MAC地址。這樣當管理平臺為了與某個端點建立聯(lián)系，首先必須發(fā)送請求到每一個集線器，一旦一個集線器接收請求時，通過與相應協(xié)調(diào)器的接口建立連接獲得MAC地址。相反，使用MAC地址在ZigBee網(wǎng)絡中輪流搜索相應設備。這樣增加了搜索過程的復雜性。

為解決上述問題，提出了基于IP的虛擬網(wǎng)絡地址，主要思想是建立一個完整的IP網(wǎng)絡，通過不同的網(wǎng)段來有針對性地訪問各個傳感器結(jié)點，從而節(jié)省搜索時間。

3.2網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)的安全

該AMR平臺主要是基于無線網(wǎng)絡，這種網(wǎng)絡與有線網(wǎng)絡相比面臨諸多漏洞[8]。比如只要范圍內(nèi)和知道傳輸頻率的任何人都可以直接訪問網(wǎng)絡，而形成攻擊，常見的攻擊類型有：拒絕服務造成干擾，利用在無線網(wǎng)絡中特別是ZigBee和Wi-Fi網(wǎng)絡，CSMA/CA協(xié)議(載波偵聽多路訪問/碰撞檢測)的脆弱性[9]；攻擊數(shù)據(jù)保密性；重復攻擊；取代端點。

在自動的背景下，取代的端點是最有可能發(fā)生的攻擊，因此，必須要建立一定的認證機制，來確保數(shù)據(jù)的保密性、完整性、可利用性。

3.3認證

短距離段的通信一般是ZigBee或Wi-Fi網(wǎng)絡。ZigBee技術(shù)在數(shù)據(jù)加密過程中，可以使用三種基本密鑰，分別是主密鑰、鏈接密鑰和網(wǎng)絡密鑰[10]。主密鑰是兩個設備長期安全通信的基礎，也可以作為一般的鏈接密鑰使用。所以必須維護主密鑰的保密性和正確性。當在網(wǎng)絡傳輸過程中，采用主密鑰可以阻止竊聽[11]。在CCM*(counter with cipher block chain-ing-message authentication code)加密模式下執(zhí)AES-128加密算法，保證了通信的安全。在這種模式下，所有的信息都是加密的，兩個點之間的握手，是建立在由一個主密鑰生成的點對點之間。提供了加密、數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，有較高的安全性，同時避免了內(nèi)部攻擊。

當使用Wi-Fi時，可以利用目前被認為是安全的Wi-Fi安全標準802.11i(WPA/WPA2)與802.1x認證(EAP)，為加強其安全性，還可以考慮多種機制： IPSec VPN：用以提供公用和專用網(wǎng)絡的端對端加密和驗證；MAC地址過濾：只有經(jīng)過授權(quán)的設備允許訪問網(wǎng)絡，有效控制用戶上網(wǎng)權(quán)限；隱藏：隱藏訪問接入點。

3.4網(wǎng)絡容量規(guī)劃

網(wǎng)絡容量規(guī)劃，根據(jù)網(wǎng)絡實際的限制和約束，合理地規(guī)劃設備數(shù)量、帶寬、網(wǎng)段，使系統(tǒng)在最佳條件下工作，設計過程中主要考慮的參數(shù)有：節(jié)點數(shù)、ZigBee協(xié)調(diào)器數(shù)、集線器數(shù)、在每一個網(wǎng)絡段的端點數(shù)、每一個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點的最大數(shù)量、傳感器數(shù)目、采樣時間間隔等。

在實際情況下，合理配置上述參數(shù)，對網(wǎng)絡的穩(wěn)定、有效性具有一定的意義。當然還要結(jié)合其他參數(shù)，如與建筑物間距離，地區(qū)通信條件和信號覆蓋等環(huán)境條件限制情況等。

4效益分析

北師大校園路燈總計750盞，改造前路燈夜間的12 h全開啟，改造后全校路燈按照18：00～23：00期間路燈全部開啟，23：00到次日2：00路燈隔一亮一，2：00到6：00隔二亮一的分時段間隔開啟運行方案。每盞燈按150 W功率，100盞路燈計算，每日運行12 h，電費按0.5元/kW·h收費，兩種路燈運行方式能耗比較如表1。

表1　百盞路燈運行方式能耗比較

按照上述分時段方案，按照節(jié)電率42%，學校路燈750盞節(jié)電估算如表2。

表2　全校路燈節(jié)能估算

預計可日節(jié)電306余kW·h，年節(jié)電11.2萬余kW·h。

根據(jù)估算，對全校750盞路燈進行分時段開啟投資總額需68余萬元，按照年節(jié)省電費5.6萬元(年節(jié)電11.2萬余kW·h)計算，投資回收期在13年。

5結(jié)語

通過基于無線傳感網(wǎng)絡智能路燈控制平臺構(gòu)建，分析平臺組網(wǎng)結(jié)構(gòu)、容量規(guī)劃、安全與擴展性。建立全校范圍內(nèi)校園路燈智能化遠程控制方案是可行并經(jīng)濟的。組網(wǎng)中，傳感器將路燈開關(guān)信息采集通過ZigBee網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳遞給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再將數(shù)據(jù)傳遞給集線器，再通過遠距離段無線技術(shù)，如Wi-Fi、WiMAX、3G、GPRS將數(shù)據(jù)傳到數(shù)據(jù)中心，形成了一個完整的遠程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實現(xiàn)路燈分時段間隔開啟，路燈節(jié)電率達42%，節(jié)省了校園公共照明設施對電能的消耗，經(jīng)濟效益可觀。

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[11]ZigBee Alliance document[EB/OL].http://www. zigbee.Org.

Campus Street Light Control System Based on ZigBeeNetwork

Liao Chuncheng,Li Yawei,Yao Jiliang,Yao Nianhui

(DepartmentofLogisticsManagement,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)

Abstract:To reduce the power consumption of campus street lamp,it designs the remote control of opening street lampsin differentperiods of time in colleges and universities.The article has considered the fact that there are varioustypes of street lamps and the scattered distribution of lamps.The article designsan intelligent control system of campus street lamp based on wireless sensor network.Through the ZigBee network,the system realizesthewireless communication,assurance of data security and strong extensibility of user node.Takingintelligent control reformationof campus street lamp in Beijing normal university for example,the result shows that the reasonable planning can realize the automatic remote control ofall street lamps on campus,real-time monitoring and control,and to the planning can recoup its investment in a relatively short time.

Key words:university; wireless sensor;ZigBee network;intelligent streetlight;remote monitoring and control

文章編號：1674-9944(2016)02-0159-03

中圖分類號：TM925

文獻標識碼：A

作者簡介：廖春成(1987—)，男，碩士，助理工程師，主要從事建筑電氣及智能化、電力電子技術(shù)、軌道交通電源系統(tǒng)的研究。

收稿日期：2015-12-04