江西省新能源工藝及裝備工程技術(shù)研究中心（東華理工大學(xué)） 何俊劍 羅先喜

基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的城市道路照明管控一體化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

江西省新能源工藝及裝備工程技術(shù)研究中心（東華理工大學(xué)） 何俊劍 羅先喜

針對(duì)路燈分布范圍廣，管理困難。大量路燈不能根據(jù)實(shí)際道路的需求自動(dòng)調(diào)節(jié)的問(wèn)題，本文提出一種遠(yuǎn)程管控路燈的控制系統(tǒng)方案。該方案采用Internet，3G和ZigBee共存的異構(gòu)通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)遠(yuǎn)程測(cè)量路燈工作電壓、電流和功耗等數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程監(jiān)控路燈的工作狀態(tài)，同時(shí)根據(jù)實(shí)際環(huán)境對(duì)照明的需求遠(yuǎn)程控制路燈的開關(guān)及照明亮度的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)智慧照明。在ZigBee路燈節(jié)點(diǎn)加裝傳感器模塊，檢測(cè)照度、溫度等感應(yīng)環(huán)境變化狀況，使路燈根據(jù)環(huán)境變化自動(dòng)控制路燈系統(tǒng)的開關(guān)；通過(guò)ZigBee技術(shù)自組網(wǎng)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)無(wú)線通訊，等實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控路燈系統(tǒng)方案，通過(guò)本項(xiàng)目的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)城市路燈的單燈實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，提高路燈管理維護(hù)效率、降低運(yùn)行成本，提高城市路燈管理水平。

城市；道路照明；ZigBee技術(shù)；遠(yuǎn)程監(jiān)控

1.傳統(tǒng)道路照明存在的問(wèn)題

路燈是一座城市必不可少的最常見的基礎(chǔ)設(shè)施，但現(xiàn)有的傳統(tǒng)路燈智能化程度和穩(wěn)定性都相對(duì)較低，僅僅只提供亮度這單一的功能，無(wú)法完全滿足實(shí)際道路的需求和遠(yuǎn)程管理監(jiān)控，給路燈系統(tǒng)的管理和維護(hù)造成很大的困難。傳統(tǒng)路燈系統(tǒng)伴隨著開關(guān)燈控制方式單一，因?yàn)樘鞖饧竟?jié)等變化產(chǎn)生的日出日落時(shí)間不一樣，使亮燈時(shí)間不準(zhǔn)確；路燈的分布范圍特別廣，當(dāng)出現(xiàn)損壞情況時(shí)無(wú)法找到故障路燈所在位置，導(dǎo)致巡查相當(dāng)困難；處理故障路燈時(shí)，需要長(zhǎng)時(shí)間的檢查才能夠解決故障問(wèn)題，不能像智能路燈系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)出路燈使用狀態(tài)和智能判斷故障點(diǎn)，造成不能及時(shí)的進(jìn)行處理，亮燈率無(wú)法把控等問(wèn)題；將路燈通過(guò)ZigBee技術(shù)相互連接，利用Internet/3G技術(shù)將路燈與管控平臺(tái)進(jìn)行連接，組建成無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控路燈網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)監(jiān)控路燈運(yùn)行狀態(tài)及根據(jù)不同使用環(huán)境進(jìn)行自我模式調(diào)節(jié)，有效的提高路燈的使用效率和功能效率，使照明系統(tǒng)更多元化和靈活性。

2.異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是為了滿足未來(lái)通信多樣性而產(chǎn)生，無(wú)線通信系統(tǒng)采用了不同的接入技術(shù)，將兩種技術(shù)進(jìn)行融合嵌入系統(tǒng)，各自發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)進(jìn)行互補(bǔ)，本系統(tǒng)采用的是ZigBee與Internet/3G進(jìn)行異構(gòu)融合，利用3G/Internet技術(shù)彌補(bǔ)ZigBee技術(shù)低速率和超長(zhǎng)距離傳輸方面的劣勢(shì)，ZigBee技術(shù)彌補(bǔ)3G技術(shù)大規(guī)模組網(wǎng)成本高等不足。

本系統(tǒng)采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)路燈進(jìn)行管控通訊， Zigbee聯(lián)盟如今已有200多家成員加入，隊(duì)伍仍在不斷發(fā)展壯大，技術(shù)的發(fā)展和硬件設(shè)計(jì)制造的前景是相當(dāng)大的。ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)具有低功耗、低復(fù)雜度及自組織等特點(diǎn)，相對(duì)與其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)對(duì)于城市路燈的控制不管在成本還是在控制上都是非常有優(yōu)勢(shì)。其動(dòng)態(tài)路由的自組織網(wǎng)特性可以自動(dòng)解決路燈節(jié)點(diǎn)鏈中某一節(jié)點(diǎn)故障導(dǎo)致的通訊中斷問(wèn)題，其網(wǎng)絡(luò)層的路由具有大規(guī)模組網(wǎng)的特性，能夠合理的解決路燈數(shù)量大、分布廣的問(wèn)題，節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的速度響應(yīng)十分迅速，支持組播、廣播等方式，對(duì)終端應(yīng)用帶來(lái)有力的支持，低功耗的特點(diǎn)對(duì)于城市照明系統(tǒng)在節(jié)約電能特別有幫助，2節(jié)5號(hào)干電池足夠支持一個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備6-24個(gè)月，如果系統(tǒng)加入休眠狀態(tài)功能能夠使用更長(zhǎng)時(shí)間，能夠?qū)υO(shè)備維護(hù)方面和人力方面減輕不少負(fù)擔(dān)。

Internet/3G網(wǎng)絡(luò)是高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ嵓夹g(shù)，將其加入系統(tǒng)中保證組織架構(gòu)更加科學(xué)合理的運(yùn)行，其速率一般在幾百kbps以上，可以同時(shí)傳輸聲音及數(shù)據(jù)信息，能夠?qū)崿F(xiàn)一對(duì)一和一對(duì)多的傳輸方法，信息的傳輸十分穩(wěn)定迅捷，目前基本全球覆蓋，對(duì)于城市道路照明系統(tǒng)隨時(shí)隨地查看運(yùn)行狀況十分有利。

3.基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的管控一體化平臺(tái)框架

圖1 基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的管控一體化平臺(tái)框架圖

本系統(tǒng)由集中臺(tái)、分控中心、集控器三個(gè)部分構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)。

3.1 集中管控平臺(tái)

相當(dāng)于人的大腦，在整個(gè)系統(tǒng)中起著核心的作用，監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)狀況，將報(bào)警信息傳輸至大屏幕顯示，將數(shù)據(jù)保存至云服務(wù)器，生成日/周/月狀況報(bào)表等。

3.2 分控中心

分控中心是集中管控平臺(tái)的一小部分，為了達(dá)到更精確的控制和減輕集中管控平臺(tái)壓力的目標(biāo)而設(shè)立，幫助集中管控平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在信息傳輸過(guò)程中也能夠更大的防止信息的丟失，提高管控系統(tǒng)的使用和檢測(cè)效率。

3.3 集中控制器

集控器就像一個(gè)小組長(zhǎng)，管理著一組路燈，當(dāng)需要對(duì)單燈進(jìn)行控制時(shí)，上位機(jī)將命令傳輸至集控器，就可以對(duì)單個(gè)路燈進(jìn)行開關(guān)、模式、運(yùn)行數(shù)據(jù)等進(jìn)行管控。

4.硬件結(jié)構(gòu)及工作原理

4.1 集中控制器

路燈系統(tǒng)內(nèi)集中控制器包括對(duì)各路燈控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，分析各數(shù)據(jù)是否超過(guò)報(bào)警值，若超過(guò)則立馬將數(shù)據(jù)其發(fā)送給監(jiān)控中心，若未超過(guò)則固定時(shí)間發(fā)送給監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)所控路燈的監(jiān)控。

集中控制器包括照度傳感器、煙霧傳感器、雨雪傳感器等感知系統(tǒng)，根據(jù)不同的天氣變化，給路燈節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令進(jìn)行燈光亮度的調(diào)節(jié)；同時(shí)接收各路燈的狀態(tài)信息，對(duì)路燈進(jìn)行電流、電壓數(shù)據(jù)采集，若數(shù)據(jù)有異常，能夠?qū)l(fā)出該路燈特有的唯一編號(hào)和報(bào)警信號(hào)一層一層往上傳遞到監(jiān)控中心顯示。

4.2 通信系統(tǒng)

采用雙層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)：底層Zigbee,上層網(wǎng)絡(luò)為3G/Internet商業(yè)公共網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)控制器間采用樹狀多跳組網(wǎng)方式，因每個(gè)節(jié)點(diǎn)控制器在網(wǎng)絡(luò)中的地位相同，都具有路由功能，則可自由互換，實(shí)現(xiàn)接力傳輸；組建的ZigBee樹狀多跳網(wǎng)絡(luò)，具有自愈功能，網(wǎng)絡(luò)中除集中控制器外任何一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)損壞，子系統(tǒng)能夠重新發(fā)起路由，跳過(guò)故障節(jié)點(diǎn)，建立新的網(wǎng)絡(luò)使節(jié)點(diǎn)再次加入，不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的功能。

4.3 集中管控平臺(tái)

硬件包括云端服務(wù)器、大屏幕、軟件。

4．3．1 服務(wù)器

CPU核心不低于八核，網(wǎng)絡(luò)控制器雙端口自適應(yīng)千兆網(wǎng)卡，可拓展四口千兆網(wǎng)卡，內(nèi)存容量不小于2GB，硬盤容量不少于2T。

4．3．2 監(jiān)控中心軟件

采用Windows2012/2003這一安全性和穩(wěn)定性最好的操作系統(tǒng)，配置SQL Server2008數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，采用C/S+B/S架構(gòu)，支持瀏覽器/服務(wù)器查詢模式，支持IE6以上版本兼容瀏覽。

4．3．3 大屏幕

應(yīng)用GIS平臺(tái)，可以進(jìn)行編輯管理，主控箱、單燈等組件可自由添加、編輯。組件的添加采用直接輸入坐標(biāo)定位和鼠標(biāo)拖曳和方向鍵微調(diào)的方式定位兩種方式。

5.智能路燈系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)功能

（1）可實(shí)現(xiàn)管控平臺(tái)對(duì)單燈遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)電壓、功耗等數(shù)據(jù)，控制開/關(guān)并可調(diào)節(jié)燈具亮度。

（2）可根據(jù)傳感器采集數(shù)據(jù)并數(shù)據(jù)融合后模擬的天氣環(huán)境、人車流量環(huán)境，實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境下自動(dòng)開/關(guān)路燈和調(diào)整燈具亮度，保證使用需要。

（3）具有路燈故障檢測(cè)功能，當(dāng)有路燈損壞，可以進(jìn)行聲光報(bào)警，并將故障路燈的具體位置

以及故障路燈當(dāng)時(shí)電流、電壓等數(shù)據(jù)發(fā)至管控平臺(tái)，方便維修人員及時(shí)找到故障點(diǎn)。

（4）具有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和存儲(chǔ)功能，對(duì)路燈用電量、亮燈率和功耗等數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并可查詢歷

史記錄，自動(dòng)生成日/周/月/年報(bào)表數(shù)據(jù)。

（5）系統(tǒng)具有休眠狀態(tài)，降低系統(tǒng)功耗和運(yùn)營(yíng)成本。

6.具體功能的實(shí)現(xiàn)方案

6.1 路燈監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)

區(qū)域控制器、街道控制器、路燈節(jié)點(diǎn)控制器全部由ZigBee平臺(tái)分成三級(jí)進(jìn)行構(gòu)建，區(qū)域傳感器通過(guò)ZigBee電路接收監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)包指令，然后建立網(wǎng)絡(luò)，附近相應(yīng)路燈節(jié)點(diǎn)加入到此網(wǎng)絡(luò)中，最后對(duì)加入?yún)^(qū)域節(jié)點(diǎn)的路燈節(jié)點(diǎn)，以廣播方式發(fā)送集控器的數(shù)據(jù)包指令，路燈節(jié)點(diǎn)根據(jù)指令表判斷指令，再進(jìn)行相應(yīng)的操作，對(duì)路燈進(jìn)行開關(guān)或數(shù)據(jù)采集功能，達(dá)到由集控器控制某一具體路燈的功能。

6.2 通訊系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

智能照明系統(tǒng)集控器與監(jiān)控中心之間的通訊運(yùn)用的是3G模式，眾所周知3G網(wǎng)已遍布全球，具有靈活性、高速性和可升級(jí)性的優(yōu)點(diǎn)，支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊苿?dòng)通訊技術(shù)；路燈節(jié)點(diǎn)與集控器之間的通訊實(shí)現(xiàn)依托在ZigBee無(wú)線通訊技術(shù)的基礎(chǔ)上，這一技術(shù)在近距離無(wú)線通訊領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，功耗小、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活、成本低的優(yōu)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的電源甚至可以用干電池進(jìn)行維持好幾個(gè)月，由于其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活，即使某一節(jié)點(diǎn)若出現(xiàn)問(wèn)題仍可保持系統(tǒng)信息的正常傳遞。

6.3 系統(tǒng)集成的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的集成包括串口配置、Zigbee讀取及配置、路燈調(diào)試、井蓋調(diào)試、泵站調(diào)試。通過(guò)串口配置界面設(shè)置相應(yīng)的串口配置參數(shù)；通過(guò)Zigbee 的配置程序可讀取Zigbee模塊的網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)、波特率、網(wǎng)絡(luò)地址、MAC 地址，可以方便的設(shè)置Zigbee模塊的網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)、波特率；通過(guò)路燈調(diào)試界面可以讀取該街道路燈的環(huán)境光強(qiáng)、路燈光強(qiáng)、功耗、是否故障等信息，可以對(duì)該路燈進(jìn)行調(diào)光測(cè)試及設(shè)置該路燈工作時(shí)間；確保各部分運(yùn)行在正常范圍內(nèi)。

7.經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益

城市智能管理系統(tǒng)投入使用，能帶來(lái)巨大的社會(huì)效益，大大減少由于管理得不足，維護(hù)不及時(shí)所造成的交通事故，意外事故，人員傷亡。

此系統(tǒng)在路燈方面展現(xiàn)動(dòng)態(tài)智能化管理，根據(jù)天氣變化或者人與車的流量自動(dòng)變化不同的模式，天氣晴朗則降低路燈照度，能夠更加節(jié)約電能，人車流量高則提高路燈照度，提高使用的合理性，使電力資源更加合理的利用；通過(guò)系統(tǒng)調(diào)節(jié)后的路燈沒有長(zhǎng)期處在高強(qiáng)度工作，能夠延長(zhǎng)路燈的使用壽命，減少了路燈的維修費(fèi)用，于此同時(shí)，不同模式下的路燈能夠使人們的生活更加便利，小巷胡同內(nèi)也將處于燈火通明的狀態(tài)，路燈的調(diào)節(jié)模式能夠在霧霾嚴(yán)重時(shí)提高亮度，讓每一位司機(jī)看清前方，減少事故的發(fā)生率，系統(tǒng)對(duì)于路燈調(diào)節(jié)能夠達(dá)到節(jié)約電能的目的，減少的維修費(fèi)用也能夠使資源更多的注重于使群眾更加便利的其他基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)；一套完整的智慧城市系統(tǒng)使人民的生活更加有保障，能夠更加專注的投入社會(huì)的建設(shè)，讓這座城市更加的具有歸屬感以及獨(dú)特的魅力。無(wú)論從節(jié)能環(huán)保，還是經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益的角度看，智能路燈的建設(shè)都具有長(zhǎng)遠(yuǎn)而深刻的實(shí)際意義。

8.結(jié)論

本系統(tǒng)采用Zigbee協(xié)議實(shí)現(xiàn)了路燈控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化管理。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展靈活、現(xiàn)場(chǎng)易于安裝，操作界面友好、管理方便。全程采用無(wú)線控制，免布線。對(duì)路燈的控制可按設(shè)計(jì)的時(shí)間進(jìn)行合理控制，實(shí)現(xiàn)全年365天每天精確的開關(guān)燈時(shí)間，可以把全年節(jié)假日的特殊開關(guān)燈時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，有突發(fā)事件時(shí)，可以設(shè)置臨時(shí)時(shí)間方案，并可根據(jù)當(dāng)?shù)氐奶鞖馇闆r適時(shí)亮滅燈。路燈的遠(yuǎn)程智能化控制節(jié)約電能，大大減少了管理部門的工作壓力、提高管理效率。從社會(huì)效益和可行性分析，都要比原城市管理系統(tǒng)更完善，更智能，更高效。智能路燈遠(yuǎn)程無(wú)線智能化控制是大勢(shì)所趨。智能化和網(wǎng)絡(luò)化控制路燈是未來(lái)路燈控制的發(fā)展方向和必然趨勢(shì)。隨著技術(shù)的進(jìn)步和城市發(fā)展的需求，無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)集成度會(huì)越來(lái)越高，價(jià)格會(huì)越來(lái)越低，智慧城市控制系統(tǒng)的功能會(huì)越來(lái)越多，自動(dòng)化管理和無(wú)線通信技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用也必然會(huì)越來(lái)越廣泛。

[1]李巖巖,李敬兆．ZigBee技術(shù)在路燈監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．微型機(jī)與應(yīng)用,2013,32(05)：51-53[2017-09-19]．DOI：10．19358/j．issn．1674-7720．2013．05．018．

[2]金基宇,王虹元,金桂月,李鵬,牟俊,王智森．基于ZigBee的LED智能照明系統(tǒng)[J]．國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2016,35(10)：76-81+86[2017-09-19]．

[3]葉睿．基于Zigbee技術(shù)的路燈無(wú)線控制[J]．科技信息(科學(xué)教研),2008(02)：41+60[2017-09-19]．

[4]陳韋松,陶齊齊,施連敏．基于ZigBee技術(shù)的路燈無(wú)線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2011,24(11)：89-90[2017-09-19]．

[5]白成林,馬珺．基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)[J]．電子,2014,40(03)：82-85+89[2017-09-19]．DOI：10．16157/j．issn．0258-7998．2014．03．024．

[6]王文君,胡國(guó)珍,范生凱．基于ZigBee技術(shù)的節(jié)能型路燈自動(dòng)控制無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[J]．電信快報(bào),2007(11)：44-46[2017-09-19]．

[7]俞建．基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的LED智能照明控制系統(tǒng)的研究[D]．浙江工業(yè)大學(xué),2012．

[8]盧明喬．基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的LED智能照明系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D]．南京信息工程大學(xué),2014．

何俊劍（1993—），男，湖南益陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向：嵌入式系統(tǒng)與自動(dòng)控制。

本項(xiàng)目得到中國(guó)留學(xué)基金委（No．201508360120）；江西省基金項(xiàng)目（JXNE2014-14，GJJ13466，GJJ13467）資助。