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

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

針對路燈分布范圍廣，管理困難。大量路燈不能根據(jù)實際道路的需求自動調(diào)節(jié)的問題，本文提出一種遠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)遠程測量路燈工作電壓、電流和功耗等數(shù)據(jù)，遠程監(jiān)控路燈的工作狀態(tài)，同時根據(jù)實際環(huán)境對照明的需求遠程控制路燈的開關(guān)及照明亮度的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)智慧照明。在ZigBee路燈節(jié)點加裝傳感器模塊，檢測照度、溫度等感應(yīng)環(huán)境變化狀況，使路燈根據(jù)環(huán)境變化自動控制路燈系統(tǒng)的開關(guān)；通過ZigBee技術(shù)自組網(wǎng)進行節(jié)點間數(shù)據(jù)無線通訊，等實現(xiàn)智能監(jiān)控路燈系統(tǒng)方案，通過本項目的實施，實現(xiàn)城市路燈的單燈實時遠程監(jiān)控和管理，提高路燈管理維護效率、降低運行成本，提高城市路燈管理水平。

城市；道路照明；ZigBee技術(shù)；遠程監(jiān)控

1.傳統(tǒng)道路照明存在的問題

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)定性都相對較低，僅僅只提供亮度這單一的功能，無法完全滿足實際道路的需求和遠程管理監(jiān)控，給路燈系統(tǒng)的管理和維護造成很大的困難。傳統(tǒng)路燈系統(tǒng)伴隨著開關(guān)燈控制方式單一，因為天氣季節(jié)等變化產(chǎn)生的日出日落時間不一樣，使亮燈時間不準確；路燈的分布范圍特別廣，當出現(xiàn)損壞情況時無法找到故障路燈所在位置，導(dǎo)致巡查相當困難；處理故障路燈時，需要長時間的檢查才能夠解決故障問題，不能像智能路燈系統(tǒng)實時監(jiān)測出路燈使用狀態(tài)和智能判斷故障點，造成不能及時的進行處理，亮燈率無法把控等問題；將路燈通過ZigBee技術(shù)相互連接，利用Internet/3G技術(shù)將路燈與管控平臺進行連接，組建成無線遠程監(jiān)控路燈網(wǎng)絡(luò)，實時監(jiān)控路燈運行狀態(tài)及根據(jù)不同使用環(huán)境進行自我模式調(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)是為了滿足未來通信多樣性而產(chǎn)生，無線通信系統(tǒng)采用了不同的接入技術(shù)，將兩種技術(shù)進行融合嵌入系統(tǒng)，各自發(fā)揮其優(yōu)勢進行互補，本系統(tǒng)采用的是ZigBee與Internet/3G進行異構(gòu)融合，利用3G/Internet技術(shù)彌補ZigBee技術(shù)低速率和超長距離傳輸方面的劣勢，ZigBee技術(shù)彌補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)對路燈進行管控通訊， Zigbee聯(lián)盟如今已有200多家成員加入，隊伍仍在不斷發(fā)展壯大，技術(shù)的發(fā)展和硬件設(shè)計制造的前景是相當大的。ZigBee無線網(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，相對與其他無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)對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。其動態(tài)路由的自組織網(wǎng)特性可以自動解決路燈節(jié)點鏈中某一節(jié)點故障導(dǎo)致的通訊中斷問題，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、分布廣的問題，節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的速度響應(yīng)十分迅速，支持組播、廣播等方式，對終端應(yīng)用帶來有力的支持，低功耗的特點對于城市照明系統(tǒng)在節(jié)約電能特別有幫助，2節(jié)5號干電池足夠支持一個節(jié)點設(shè)備6-24個月，如果系統(tǒng)加入休眠狀態(tài)功能能夠使用更長時間，能夠?qū)υO(shè)備維護方面和人力方面減輕不少負擔(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)合理的運行，其速率一般在幾百kbps以上，可以同時傳輸聲音及數(shù)據(jù)信息，能夠?qū)崿F(xiàn)一對一和一對多的傳輸方法，信息的傳輸十分穩(wěn)定迅捷，目前基本全球覆蓋，對于城市道路照明系統(tǒng)隨時隨地查看運行狀況十分有利。

3.基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的管控一體化平臺框架

圖1 基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的管控一體化平臺框架圖

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

3.1 集中管控平臺

相當于人的大腦，在整個系統(tǒng)中起著核心的作用，監(jiān)控整個系統(tǒng)的運營狀況，將報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/月狀況報表等。

3.2 分控中心

分控中心是集中管控平臺的一小部分，為了達到更精確的控制和減輕集中管控平臺壓力的目標而設(shè)立，幫助集中管控平臺對數(shù)據(jù)進行處理，在信息傳輸過程中也能夠更大的防止信息的丟失，提高管控系統(tǒng)的使用和檢測效率。

3.3 集中控制器

集控器就像一個小組長，管理著一組路燈，當需要對單燈進行控制時，上位機將命令傳輸至集控器，就可以對單個路燈進行開關(guān)、模式、運行數(shù)據(jù)等進行管控。

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)集中控制器包括對各路燈控制節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)進行接收，分析各數(shù)據(jù)是否超過報警值，若超過則立馬將數(shù)據(jù)其發(fā)送給監(jiān)控中心，若未超過則固定時間發(fā)送給監(jiān)控中心，實現(xiàn)對所控路燈的監(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)點發(fā)送指令進行燈光亮度的調(diào)節(jié)；同時接收各路燈的狀態(tài)信息，對路燈進行電流、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和報警信號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)點控制器間采用樹狀多跳組網(wǎng)方式，因每個節(jié)點控制器在網(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或多個節(jié)點損壞，子系統(tǒng)能夠重新發(fā)起路由，跳過故障節(jié)點，建立新的網(wǎng)絡(luò)使節(jié)點再次加入，不影響整個網(wǎng)絡(luò)的功能。

4.3 集中管控平臺

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)庫平臺，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，可以進行編輯管理，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定位和鼠標拖曳和方向鍵微調(diào)的方式定位兩種方式。

5.智能路燈系統(tǒng)可實現(xiàn)功能

（1）可實現(xiàn)管控平臺對單燈遠程監(jiān)測電壓、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，實現(xiàn)不同環(huán)境下自動開/關(guān)路燈和調(diào)整燈具亮度，保證使用需要。

（3）具有路燈故障檢測功能，當有路燈損壞，可以進行聲光報警，并將故障路燈的具體位置

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

（4）具有數(shù)據(jù)統(tǒng)計和存儲功能，對路燈用電量、亮燈率和功耗等數(shù)據(jù)進行存儲，并可查詢歷

史記錄，自動生成日/周/月/年報表數(shù)據(jù)。

（5）系統(tǒng)具有休眠狀態(tài)，降低系統(tǒng)功耗和運營成本。

6.具體功能的實現(xiàn)方案

6.1 路燈監(jiān)控的實現(xiàn)

區(qū)域控制器、街道控制器、路燈節(jié)點控制器全部由ZigBee平臺分成三級進行構(gòu)建，區(qū)域傳感器通過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)點加入到此網(wǎng)絡(luò)中，最后對加入?yún)^(qū)域節(jié)點的路燈節(jié)點，以廣播方式發(fā)送集控器的數(shù)據(jù)包指令，路燈節(jié)點根據(jù)指令表判斷指令，再進行相應(yīng)的操作，對路燈進行開關(guān)或數(shù)據(jù)采集功能，達到由集控器控制某一具體路燈的功能。

6.2 通訊系統(tǒng)的實現(xiàn)

智能照明系統(tǒng)集控器與監(jiān)控中心之間的通訊運用的是3G模式，眾所周知3G網(wǎng)已遍布全球，具有靈活性、高速性和可升級性的優(yōu)點，支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊苿油ㄓ嵓夹g(shù)；路燈節(jié)點與集控器之間的通訊實現(xiàn)依托在ZigBee無線通訊技術(shù)的基礎(chǔ)上，這一技術(shù)在近距離無線通訊領(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，節(jié)點的電源甚至可以用干電池進行維持好幾個月，由于其網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)靈活，即使某一節(jié)點若出現(xiàn)問題仍可保持系統(tǒng)信息的正常傳遞。

6.3 系統(tǒng)集成的實現(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。通過串口配置界面設(shè)置相應(yīng)的串口配置參數(shù)；通過Zigbee 的配置程序可讀取Zigbee模塊的網(wǎng)絡(luò)ID號、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、波特率；通過路燈調(diào)試界面可以讀取該街道路燈的環(huán)境光強、路燈光強、功耗、是否故障等信息，可以對該路燈進行調(diào)光測試及設(shè)置該路燈工作時間；確保各部分運行在正常范圍內(nèi)。

7.經(jīng)濟與社會效益

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

此系統(tǒng)在路燈方面展現(xiàn)動態(tài)智能化管理，根據(jù)天氣變化或者人與車的流量自動變化不同的模式，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；通過系統(tǒng)調(diào)節(jié)后的路燈沒有長期處在高強度工作，能夠延長路燈的使用壽命，減少了路燈的維修費用，于此同時，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)模式能夠在霧霾嚴重時提高亮度，讓每一位司機看清前方，減少事故的發(fā)生率，系統(tǒng)對于路燈調(diào)節(jié)能夠達到節(jié)約電能的目的，減少的維修費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的建設(shè)，讓這座城市更加的具有歸屬感以及獨特的魅力。無論從節(jié)能環(huán)保，還是經(jīng)濟、社會效益的角度看，智能路燈的建設(shè)都具有長遠而深刻的實際意義。

8.結(jié)論

本系統(tǒng)采用Zigbee協(xié)議實現(xiàn)了路燈控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化管理。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)擴展靈活、現(xiàn)場易于安裝，操作界面友好、管理方便。全程采用無線控制，免布線。對路燈的控制可按設(shè)計的時間進行合理控制，實現(xiàn)全年365天每天精確的開關(guān)燈時間，可以把全年節(jié)假日的特殊開關(guān)燈時間進行設(shè)置，有突發(fā)事件時，可以設(shè)置臨時時間方案，并可根據(jù)當?shù)氐奶鞖馇闆r適時亮滅燈。路燈的遠程智能化控制節(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。智能路燈遠程無線智能化控制是大勢所趨。智能化和網(wǎng)絡(luò)化控制路燈是未來路燈控制的發(fā)展方向和必然趨勢。隨著技術(shù)的進步和城市發(fā)展的需求，無線傳感節(jié)點集成度會越來越高，價格會越來越低，智慧城市控制系統(tǒng)的功能會越來越多，自動化管理和無線通信技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用也必然會越來越廣泛。

[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]．國外電子測量技術(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)的路燈無線控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．工業(yè)控制計算機,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,胡國珍,范生凱．基于ZigBee技術(shù)的節(jié)能型路燈自動控制無線網(wǎng)絡(luò)[J]．電信快報,2007(11)：44-46[2017-09-19]．

[7]俞建．基于ZigBee無線傳感網(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[D]．南京信息工程大學(xué),2014．

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

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