基于物聯網的智能路燈電源管控系統研究

孫皓月，張 梁，祁愛華，董小慶

(1.河北建筑工程學院，河北張家口0750002；2.涿鹿縣住房和城鄉規劃建設局，河北張家口075000)

基于物聯網的智能路燈電源管控系統研究

孫皓月1，張 梁1，祁愛華1，董小慶2

(1.河北建筑工程學院，河北張家口0750002；2.涿鹿縣住房和城鄉規劃建設局，河北張家口075000)

將物聯網技術引入管控系統可以提高系統的智能化水平。針對傳統的城市路燈管控效率低下等問題以及城市路燈智能化建設的現實需求，對城市路燈電源的管控系統進行了基于物聯網技術的研究分析。著重研究了在物聯網感知層下的基于ZigBee無線自組網技術在現場設備有效控制以及信息可靠傳輸方面的應用。最后提出了基于GIS路燈定位信息庫的設計方案，提高系統的管控水平。

物聯網;智能路燈;管控系統;ZigBee

隨著城市化進程的進一步深化，越來越多的人選擇了城市生活。現在我國大多數城市路燈照明系統采用的是高壓鈉燈和金屬鹵化物燈，這種氣體放電發光式的路燈雖然能耗較傳統的白熾燈明顯降低，但是據有關部門的統計顯示，全國城市公共照明用電在我國照明耗電中占30%，占全國發電總量的10%～12%。城市公共照明耗電成為了政府主要財政支出之一，在保障正常照明的前提下，降低城市路燈耗能成為城市建設的重要內容。傳統的路燈管理系統多是通過人工巡視，這些重復性的工作耗費了大量的人力物力并且效率低下，難以滿足現代化城市建設的要求。

物聯網的概念最早是1999年被提出，自提出之始便備受關注。物聯網是結合了計算機技術、通信技術以及控制技術等多種技術的交叉型領域，物聯網技術的發展被稱為第三次科技浪潮。簡單而言，物聯網就是物物相連的網絡，即網絡的終端不僅僅是傳統的計算機，而成為了一切可以連入網絡的智能設備。這種物物相連的網絡為解決傳統路燈電源管控系統控制力差、控制效率低等問題提出了新的思路。

1 管控系統的整體結構

城市的路燈系統是一個規模非常龐大而復雜的系統，并且分布于城市的每條道路上，實現實時性有效管理相對困難。本研究的主要目的是將物聯網技術應用于路燈電源的管控系統之中，從而賦予每個路燈智能化，實現每個路燈模塊能夠進行自我信息處理、自我調整、自我環境配置和相對獨立的做出決策。要實現每個路燈變成“有思想的路燈”，就要實現路燈與路燈之間，路燈與人之間的有效信息傳輸[1]。針對路燈的實際特點以及物聯網感知層、網絡層和應用層三層架構提出了如圖1所示的智能路燈電源管控系統的整體設計結構。

圖1 智能路燈電源整體設計結構

由圖1所示可知，本系統主要由三個部分組成：單燈電源控制模塊、路燈集中控制模塊和遠程監控中心。單燈電源控制模塊為系統的最底層，安裝了系統必需的傳感器以及開關設備。每一個控制器均為一個ZigBee無線自組網的接入點，分配唯一的物理地址。路燈集中控制模塊通過GPRS協議實現與遠端監控中心實現數據的交互，是整個系統的中樞環節。遠程監控中心則采用C/S架構，路燈設備管理人員通過遠程監控中心實現對路燈系統的監控、管理。

2 基于物聯網的系統設計

感知層是物聯網的最底層，感知層采集的信息是整個系統數據的來源，在三層體系結構中占有極其重要的地位。在城市路燈實現智能化的過程中首先要完成的便是對設備工作狀態的獲取，即在物聯網感知層實現信息采集獲取。

2.1 基于ZigBee的感知層組網方案

ZigBee協議是以IEEE802.15.4協議為基礎的無線通信協議。筆者通過比較諸如Bluetooth協議(藍牙協議)、ZigBee協議以及紅外協議等無線傳感網協議，決定選擇低功耗、短距離、低速率的ZigBee協議作為路燈基本模塊的信息傳輸協議[2]。本文基于ZigBee協議設計的現場信息傳輸機制如圖2所示。采用的ZigBee無線通信模塊為CC2530，這是由TI公司生產的具有8051內核的核心控制模塊。

圖2 系統網絡拓撲結構

在路燈電源系統中對其進行的管控主要設計兩個方面：其一為工作狀態的采集，其二為實現路燈的定時關閉開啟和遠程人工干預。本系統通過電壓傳感器與電流傳感器實現對路燈設備工作狀態的檢測，同時為了在保障正常照明的前提下使智能路燈能夠根據實時光照情況實現智能的開關操作，筆者還在現場布置了大量的光敏傳感器感知實時光強。這些布置在現場的傳感器定時將數據通過ZigBee協議傳輸到路由節點。為了保障數據的實時性，本系統設計每3 s上傳一次數據。路由節點經由路由轉發將數據匯聚到協調器節點，數據在協調器節點實現預處理，打包轉發給路燈集中控制器，再經由GPRS協議實現進一步的信息傳輸。

2.2 路燈終端的設計方案

由上文的數據傳輸方案可知在現場有3種不同類型的終端節點：普通終端、路由終端和協調器終端。普通終端是采集信息的主要設備，由獨立的電路模塊以及相應的傳感器組成，具體的終端設計方案如圖3所示。

圖3 路燈終端設計方案

在路燈終端的硬件電路設計中，光敏電阻主要分為兩種不同的功能：一種布置在燈柱上采集外界的光強，根據采集光強從而判斷是否需要發出路燈打開的請求；另一種布置在路燈的發光源附近，通過采集路燈的光強判斷路燈是否在正常工作以及是否需要調節路燈的亮度。電流及電壓檢測電路是通過檢測干路電流，判斷電路的工作狀態是否正常。除此之外還設計了振動傳感器與聲音傳感器，其主要在夜間，尤其是后半夜開始工作。當夜間車流較少時，可以降低路燈的亮度以達到節能的目的，當檢測到有車輛通過時則可以適當的調節路燈亮度。故障檢測模塊則是現場的控制模塊，當檢測到現場故障時，根據預設的程序選擇斷電處理等操作，從而保護現場設備。同時故障模塊通過與路燈集中控制器通信，向遠端的控制中心發出警報。

2.3 基于地理信息系統(GIS)的路燈終端定位設計

在城市路燈電源的管控系統中，有一個必不可少的問題：如何實現路燈定位。關于路燈的定位本系統設計了兩種定位方式：ZigBee通信模塊的物理地址定位和基于GIS的定位。其中基于GIS的上位機設計可以有效地確定設備的精確地理位置信息。

實現智能路燈的自動化信息系統首先便是要構建路燈的資料信息庫。主要包括兩個方面：路燈基本信息庫和路燈實時工作狀態信息庫。本系統中路燈基本信息庫包括路燈ZigBee終端編號，路燈地理位置，路燈的搭建日期，所使用的材料，功率等等。路燈實時性的工作狀態信息庫包含信息為路燈的工作狀態，電壓、電流參數以及當下該路燈所處的外界天氣情況等等。

3 結語

近年來隨著物聯網技術的發展，利用物聯網技術進行城市智能化建設成為未來城市發展的主流。本文針對物聯網感知層的相關技術，提出了基于物聯網的智能路燈電源管控系統。該系統通過ZigBee協議實現了底層感知數據的實時性感知與傳輸，提高了系統的智能化程度，實現了遠程實時性控制。筆者最后還對基于GIS的路燈終端定位系統做了簡要說明，設計了路燈的資料信息庫，實現了路燈的精確定位。

[1]丁亮.基于物聯網的城市路燈監控系統架構及相關技術實現[D].杭州:杭州電子科技大學，2012:6-7.

[2]董玉德.基于物聯網的路燈可視化監控系統設計[J].高技術通訊，2015(5):515-523.

Study on intelligent street lamp power supply management and control system based on Internet of Things

SUN Hao-yue1,ZHANG Liang1,QI Ai-hua1,DONG Xiao-qing2
(1.Hebei University of Architecture,Zhangjiakou Hebei 075000,China;2.Zhuolu County of Housing and Urban-Rural Development Bureau,Zhangjiakou Hebei 075000,China)

Introducing the Internet of Things technology into management and control system can improve the intelligence level of the system.Aiming at the problem of low efficiency of urban street lamp control and the practical demand of urban street lamp intelligent construction,The research and analysis on the control system of city street lamp power based on Internet of Things technology was conducted. The efficient control of field equipment and information transmission was focused on under the sensing layer of Internet of Things based on ZigBee.Finally,the design scheme based on GIS streetlight location information base was put forward to improve the level of management and control of the system.

Internet of Things;intelligent street lights;control system;ZigBee

TM 7

A

1002-087 X(2017)07-1071-02

2016-12-03

河北省高等學校科學技術研究項目(QN2016220);河北建筑工程學院校級科研基金項目(2016XJJQN15)

孫皓月(1980—)，男，河北省人，碩士，副教授，主要研究方向為計算機網絡和物聯網技術。