基于ZigBee的城市路燈控制系統研究

張作鵬

摘 要：路燈照明系統是城市基礎設施中的重要組成部分，與人們的日常生活及城市交通安全息息相關，所以對其控制系統展開研究具有十分重要的意義。對基于ZigBee的城市路燈控制系統展開了研究，設計了一種基于ZigBee通信技術的遠程監控和數據采集系統，用于控制城市的LED路燈。

關鍵詞：ZigBee；城市路燈；遠程監控；控制系統

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.23.079

隨著我國社會經濟的快速發展，人們對城市基礎設施建設的要求不斷提高，城市路燈照明系統作為城市基礎設施中的重要組成部分，越來越受人們的重視。當前，傳統的路燈開關和巡檢方式已無法滿足城市發展的需求，如何節約能源、提高路燈能源的利用率，有效實現對城市路燈的遠程監控是當前的一個重要課題。而ZigBee作為一種新興無線通信技術，以其低能耗、網絡容量大、可靠性高等優點得到了廣泛的應用。基于此，筆者進行了相關介紹。

1 系統方案設計

ZigBee技術是一種在近距離內使用的雙向無線通訊技術，其具有功耗低、成本低、傳輸速率低的特點，所以在短距離無線通訊領域十分常用。根據照明系統的設計要求，可以按照圖1的方式來設計照明控制系統。

城市路燈照明控制系統主要是控制路燈、路燈調節器、路燈的燈桿、配電箱、中心連接器等設備。照明控制系統在運行時，要把路燈調節器和路燈燈桿結合，將路燈調節器和中心連接器相連接，使路燈燈桿和配電箱的位置相匹配，把路燈和其

他設備按實際情況分組，設置好照明控制系統的控制方案等。照明控制系統除了對主動獲取的信息和數據進行分析以外，還要定期檢查每個設備的運行狀態，檢測設備的運行參數，并予以保存，便于日后的統計工作。

城市路燈照明控制系統服務層里各種類型的服務器都安裝在核心控制室內，用來組建控制系統的核心部分，也便于統一操作，信息收集后也可以統一處理；中心連接器是照明控制系統總網關和ZigBee子網的主要連接手段，上傳數據時，用3G無線網絡的方式上傳數據，而下載數據時，則使用Zinebee近距離無線通信收集所檢測到的數據，然后根據對數據的分析制訂運行計劃，將各運行指令分配到各個路燈，根據實際運行情況調整路燈，并將路燈的運行參數發送到中心連接器。

2 路燈調節器的設計

2.1 路燈調節器的結構

路燈調節器的主要作用是控制調節路燈的狀態、采集路燈運行的參數并將參數上傳給中心連接器。路燈調節器是整個照明控制系統當中使用頻率最高的設備，而且由于大多都是安裝在室外，所以路燈調節器很容易受到外界環境影響，所以對路燈調節器的防護措施要求更加嚴格。

路燈調節器與路燈相連接的位置有路燈開關和燈光亮度調節器。路燈開關是由繼電器支持，而燈光亮度調節器有1～10 V電壓的選擇。主控CPU價格比較便宜，而且性能比較好。除此之外，調節器還預留了接口，可以使用數據傳輸線，方便數據的采集和運輸。

2.2 路燈調節器的運行狀態

路燈調節器運行狀態主要有正常工作狀態、出廠設置狀態、遠程升級狀態等，運行狀態之間的關系如圖2所示。

首先系統會對代碼進行檢測，如果一切正常，就開始初始化，準備正常運行。正常運行時，要定期對系統運行參數進行抽查，通過對數據的分析判斷系統是否存在故障。如果有故障，要及時啟動報警系統。如果代碼還存在缺陷，那么就需要進行遠程升級。遠程升級是按照系統自帶的代碼進行的，ZigBee無線通訊系統作為信息傳播的手段，將遠程升級所需要的固定代碼發送到系統，然后開始遠程升級。

2.3 路燈調節器的升級

路燈調節器投入使用的時間并不長，所以對于路燈調節器的應用和功能還不太了解。要想使得路燈調節器的應用范圍更加廣泛、使用效果更好，就得經過更多的實踐，在實踐當中總結經驗。目前所使用的路燈調節器為第四代調節器，比起初代調節器來，第四代調節器在適用性、功能性和防護措施等方面都有明顯的提升。

3 中心連接器和配電箱控制的設計

中心連接器和配電箱是通過控制器直接控制的。控制器位于現場，其通過3G無線網絡與核心控制室內的通信服務器相連。

中心連接器是服務器與路燈調節器聯系的媒介，也是ZigBee子網的核心。中心連接器通過ZigBee無線通訊和路燈調節器聯系，并可以接收到中心服務器的指令，對路燈調節器的數據進行采集或實現對路燈的控制。中心連接器自帶臨時運行方案，當中心連接器無法接收到中心服務器的指令時，臨時運行方案自動開啟，以供系統繼續運行。中心連接器的臨時運行方案開啟時，可以將收集到的數據儲存到臨時空間內，待與中心服務器的聯系恢復正常，即可將這些數據上傳。

為了方便中心連接器與路燈調節器之間的聯系，提高ZigBee無線通訊的效率，中心連接器優化了ZigBee無線通訊方式的路由算法，并為路燈調節器的路由表設置了緩沖結構。

配電箱的主要作用是給路燈供電，并收集路燈供電線路的運行參數，且配電箱的結構與中心連接器有相似之處。

4 設備的通訊方案的設計

設備的通訊方案設計對于照明控制系統而言具有十分重要的作用，設備的通訊主要有服務器與中心連接器、中心連接器與路燈調節器、服務器與配電箱等，這些通訊總的來說可以分為兩類，一類是核心控制室內的服務器與現場的設備之間的通訊，另一類是現場的設備與設備之間的聯系。為了簡化通訊方式，在這里引入通訊幀的方式來實現各設備之間的通訊。

5 城市路燈照明控制系統的具體應用

城市路燈照明控制系統已經設計完成，并且開始投入生產，已經在許多地區廣泛應用。

某城市的道路總數為118條，道路總長度約為198 km，道路所使用的路燈總數為12 002盞。在之前一直使用的高壓鈉燈，城市主要道路使用了5 420盞功率為380 W的路燈，而次要道路使用了4 312盞功率為240 W的路燈，支路使用了2 398盞功率為240 W的路燈。在將城市照明控制系統設計應用到該城市當中后，主要道路的路燈功率降低到170 W，次要道路路燈功率降低到100 W，支路路燈功率降低到60 W，而且路燈亮度控制方案也有所調整，主要道路的路燈亮度在下半夜的時間段內控制在50%，而次要道路和支路的路燈亮度在下半夜時間段內控制在20%.

在城市路燈照明控制系統設計應用以后，所節約的電能如表1所示，每年可以節省約1.0×107 kW·h的電能，按照每千瓦時電0.85元的價格來算，一年就可以節約大概850萬元的電費。在實際情況中，城市照明控制系統會自帶光衰補償，所以實際的電能節約效果比理論的還要高。此外，城市照明控制系統還自帶故障報警功能，可以大大延長路燈的使用年限，減少路燈的維修頻率和維修成本。

注：一年按365 d來算，每天路燈開啟的時間按10 h計算，下半夜按5 h計算。

城市路燈照明控制系統投入使用已有幾年的時間，其各方面的性能都有顯著提升，但是就目前而言，還存在一定的問題：①ZigBee無線通訊技術在應用到城市照明控制系統當中時，應用的條件比較復雜，而且需要覆蓋的范圍比較廣，所以通訊節點會比較多，無線通訊的穩定性得不到保證；②路燈調節器與中心連接器之間的聯系穩定性有待提升，而且急需提高用戶的體驗感以及系統投入使用以后為用戶創造的經濟效益；③城市照明系統設計完畢之后的施工工藝十分復雜，其中包括路燈的排序編號、各路燈的定位數據采集、路燈和中心連接器的合理分配等，這些都需要大量的人力，加大了管理難度，也增加了施工難度；④由于現場設備需要與中心服務器進行遠程通訊，所以需要利用移動數據網絡，會產生一定的流量費用；⑤新設計的應用需要與城市發展逐漸匹配，所以會有一段時間的適應期。

我國某些地區的政府已經將城市路燈照明控制系統的設計在城市當中進行試點，并且已經有部分企業開始關注這套城市路燈照明控制系統，并積極參與到設計規范的討論當中去。相信經過眾多企業的共同研究和開發，經過多年的實踐以后，城市路燈照明控制系統會越來越發達，為我國帶來更多的經濟效益。

6 結束語

城市照明控制系統是重要的城市基礎設施，它直接關系到城市居民的日常生活以及城市交通的安全性，所以政府部門要重視起城市路燈照明控制系統的應用，采用ZigBee無線通訊技術，合理控制城市的路燈照明系統。這樣做一方面可以節約電能，減少電費成本，另一方面可通過自動化管理有效減少故障的發生，減少維修頻率，節約維修成本。本文對基于ZigBee無線通訊技術的城市路燈照明控制系統設計進行了詳細分析，希望能為城市路燈照明控制系統設計提供一定的參考。

參考文獻

[1]昝永信，陳偉利.基于ZigBee無線通信技術的城市路燈節能防盜網絡系統研究[J].通訊世界，2015（09）.

[2]經偉，許堃，余建波.基于GPRS和ZigBee的節能型LED路燈智能控制系統[J].計算機測量與控制，2015（05）.

〔編輯：王霞〕

文章編號：2095-6835（2016）23-0081-02