彭建華，王 新，侯慧娜

(空軍第一航空學(xué)院基礎(chǔ)部，河南 信陽 464000)

一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的城市燈光智能監(jiān)控系統(tǒng)

彭建華，王 新，侯慧娜

(空軍第一航空學(xué)院基礎(chǔ)部，河南 信陽 464000)

提出了一種城市燈光智能監(jiān)控的解決方案。給出了使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行城市燈光智能監(jiān)控的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及軟、硬件設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)只需在原有路燈基礎(chǔ)上加裝終端模塊即可，成本低且擴(kuò)展性強(qiáng)，無需人工開關(guān)燈及巡查，提高了系統(tǒng)可靠性，降低了管理成本，為城市燈光的智能管理提供了一種解決方案。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)；城市燈光；智能監(jiān)控

隨著國家城市化進(jìn)程的發(fā)展，作為城市重要基礎(chǔ)設(shè)施的路燈、景觀燈光已經(jīng)成為體現(xiàn)城市形象并展示城市文明程度的重要組成部分?？茖W(xué)用電、提高照明質(zhì)量和節(jié)約能源是當(dāng)前城市管理者關(guān)心的重要問題。由于城市的大量路燈已經(jīng)安裝到位，路燈電纜網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)形成，如何實(shí)現(xiàn)將這些分散的路燈網(wǎng)絡(luò)集中管理起來，把這些分散的監(jiān)控點(diǎn)變成遠(yuǎn)程的集中監(jiān)控，成為近幾年燈光能耗管理技術(shù)研究的重點(diǎn)。

ZigBee是一種新興的短距離無線技術(shù)，利用該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)的聯(lián)網(wǎng)，使城市路燈的網(wǎng)絡(luò)化和智能化管理成為可能。本設(shè)計(jì)中，在原有路燈上加裝ZigBee節(jié)點(diǎn)，使用ZigBee節(jié)點(diǎn)將城市路燈組成一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，不僅可以實(shí)現(xiàn)對路燈當(dāng)前狀態(tài)、電網(wǎng)電壓、模塊溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，還可以手動或自動設(shè)置開關(guān)燈時(shí)間、報(bào)警閾值等數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對路燈的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于ZigBee無線通信和以ATMEA單片機(jī)為下位機(jī)的燈光智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即以控制計(jì)算機(jī)連接的ZigBee協(xié)調(diào)器為中心，使用多種傳感器采集路燈工作狀態(tài)、工作環(huán)境參數(shù)并通過ZigBee終端節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)路由匯聚至控制計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)將根據(jù)所獲得數(shù)據(jù)對各個(gè)片區(qū)路燈甚至某一個(gè)路燈進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制。系統(tǒng)還具有超溫、超壓、狀態(tài)異常等報(bào)警功能，若某個(gè)路燈出現(xiàn)異常，計(jì)算機(jī)將會進(jìn)行實(shí)時(shí)提示。

本路燈控制系統(tǒng)具有控制路燈狀態(tài)、采集路燈參數(shù)、故障告警、在線設(shè)置告警閾值等功能，無需GSM或CDMA等額外網(wǎng)絡(luò)支持，成本低且可靠性高。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要包括有計(jì)算機(jī)、ZigBee模塊、ATMEA單片機(jī)、各類傳感器、繼電器等。ZigBee模塊采用SHUNCOM公司生產(chǎn)的SZ05嵌入式無線通信模塊，該模塊集成了符合ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器和微處理器，它具有通訊距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活、性能可靠穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)和特性；可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)、多點(diǎn)對多點(diǎn)之間的設(shè)備間數(shù)據(jù)的透明傳輸；可組成星型、樹型和蜂窩型網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；SZ05模塊可以通過RS232接口或USB接口與計(jì)算機(jī)連接，本方案采用RS232接口連接。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

互感器與交流接觸器在電路中的連線如圖3所示。由于控制器自身供電電源取自VA端，所以AV端子必須接入某相電壓，如果不需要檢測其它兩相電壓，可不必連接到控制器，各路互感器輸出要和對應(yīng)的該路繼電器觸點(diǎn)配套連接。

圖3 互感器與交流接觸器接線圖

1.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括上位機(jī)軟件和ZigBee終端節(jié)點(diǎn)軟件。上位機(jī)應(yīng)用軟件使用Visual Basic語言編寫，該語言是一種由Microsoft公司開發(fā)的結(jié)構(gòu)化、模塊化、面向?qū)ο蟮?、包含協(xié)助開發(fā)環(huán)境的、事件驅(qū)動為機(jī)制的可視化程序設(shè)計(jì)語言。軟件具有以下主要功能：

自動控制：按照預(yù)先設(shè)置的時(shí)間表對路燈進(jìn)行自動控制，時(shí)間表以天為控制周期，每天最多可以設(shè)置六個(gè)時(shí)間點(diǎn)。

手動控制：可以隨時(shí)對系統(tǒng)中的某一路燈進(jìn)行開關(guān)燈控制。

超限報(bào)警：自動檢測每路燈的運(yùn)行電壓和電流，當(dāng)電壓或電流超限時(shí)首先切斷電源，然后向控制中心發(fā)出報(bào)警信息。

查詢功能：控制中心隨時(shí)查詢每路燈的運(yùn)行電壓、電流、運(yùn)行時(shí)間表。

上位機(jī)軟件各層結(jié)構(gòu)如圖4所示，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖5所示。

圖4 上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)圖

圖5 軟件流程圖

2 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試主要包括硬件測試和軟件調(diào)試兩部分。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(diǎn)的硬件測試和嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件測試。采用方法：改變路燈的狀態(tài)，使當(dāng)前狀態(tài)與系統(tǒng)設(shè)置狀態(tài)不符合，檢測電路是否發(fā)出報(bào)警信號。軟件測試主要檢測是否可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)回傳。采用方法：使用上位機(jī)軟件改變各個(gè)模塊的運(yùn)行狀態(tài)，檢測終端是否能夠正確動作；人工設(shè)置虛假“緊急”情況，檢測控制端計(jì)算機(jī)能否正確顯示報(bào)警信息。軟硬整合后，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與終端間的實(shí)時(shí)雙向通信，整體調(diào)試效果圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)測試效果圖

3 結(jié)束語

本文將ZigBee技術(shù)應(yīng)用到了對城市燈光的智能控制當(dāng)中，ZigBee節(jié)點(diǎn)通過傳感器采集數(shù)據(jù)并傳送，控制端對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并提出控制策略，并對檢測到的“緊急情況”進(jìn)行處理。經(jīng)過測試，本系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)正常可靠，控制端可以實(shí)現(xiàn)對城市燈光的整體、個(gè)別智能控制，并能夠?qū)崿F(xiàn)故障自動報(bào)警，終端可以正確執(zhí)行控制動作并實(shí)時(shí)檢測回傳狀態(tài)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)成本低且擴(kuò)展性強(qiáng)，只需在原有路燈基礎(chǔ)上加裝終端模塊即可；無需人工開關(guān)燈及巡查，提高了系統(tǒng)可靠性，降低了管理成本。為城市燈光的智能管理提供了一種解決方案，具有較高的推廣價(jià)值。

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Design of Monitoring and Control System for City Lighting Based on ZigBee

Peng Jianhua, Wang Xin, Hou Huina

(DepartmentofFoundation,TheFirstAeronauticalCollegeofAirForce,XinyangHenan464000,China)

This article presents a solution of monitoring and control system for city lighting. Monitoring and control city lighting system structure and the design scheme of software and hardware based on ZigBee are given. The system only needs to install the terminal module on the basis of original street light which with low cost and good expansibility. No manual work is needed to switch lights and inspections, it improves the reliability of the system and cuts down the management costs. It provides a solution for intelligent management of city lighting.

network of ZigBee; city lighting; monitoring and control

2016-10-13

彭建華(1983- )，男，河南信陽人，講師，主要研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)應(yīng)用與信號處理。

1674- 4578(2016)06- 0021- 03

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