基于Zigbee協議的智慧節能路燈

薛曼玲　馮開革　宋鑫　宋雪林

摘 要：路燈作為城市照明的主要組成成分，在夜晚其照明的同時，也消耗著巨大的能量。我們的系統便是針對夜晚路燈能源消耗問題，所提出的一種智慧節能系統。道路路燈控制系統目前在城市中的用途非常廣泛，但多數的路燈控制系統的設計是根據制定好的時間來開關燈。我們為了節省能源，設計了基于Zigbee協議的智慧節能路燈，一個區域的路燈組件成一個燈聯網，單個路燈能夠根據環境中光的明暗變化自動開關燈的同時，還可以將本路燈或路段環境信息傳輸給其他路燈，使的其他路燈可以相應作出響應。比如平時夜晚時燈是低亮度，在其他路燈傳輸來或者是自身監測到人時會逐漸提高亮度。該系統基于可靠的硬件設計和穩定的軟件算法實現了理想的設計效果，達到了節能的目的。

關鍵詞：Zigbee協議；智慧；節能路燈；交通燈管制

中圖分類號：TM923.5 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）15-0010-03

Abstract： As the main component of city lighting， street lamps consume huge energy while lighting at night. Our system is a kind of intelligent energy saving system aimed at the energy consumption of street lamps at night. The road lamp control system is widely used in the city at present， but most of the design of the street lamp control system is based on the established time to switch on and off lights. In order to save energy， we designed intelligent and energy-efficient street lamps based on Zigbee protocol. The street lamp components in one area form a light network， and individual street lamps can automatically switch on and off according to the brightness and darkness of the light in the environment. The environmental information of the street lamp or road section can also be transmitted to other street lamps so that the other lamps can respond accordingly. For example， usually at night when the light is of low brightness， and when other street lights are transmitted or monitoring people， it will gradually improve the brightness. The system is based on reliable hardware design and stable software algorithm to achieve an ideal design effect and achieve the purpose of energy saving.

Keywords： Zigbee protocol； wisdom； energy-saving street lights； traffic light control

隨著城市飛速發展，市政路燈數量更是呈現出跳躍式的增長，同時其也不可避免地消耗著大量電能。城市道路照明作為城市功能性照明，是整個城市夜間運行的基礎，是不可或缺的，而城市照明系統的合理配置和有效運行，更是衡量一個城市市容、市貌的重要標志。因此，針對城市照明之路，積極實施能源管理路燈節能改造項目建設，有效推進能源管理路燈照明節能工作具有重大意義。

目前一般的傳統路燈，主要是高壓鈉燈，一盞路燈的功率約為100W-400W，一些大型路燈功率可以達到1000W以上。我們現以一盞燈250W為例來計算，假設一晚上照明時長11小時（從晚7點到第二天早6點），則可知一盞路燈消耗的電能為250×11/1000=2.75度。假設燈與燈之間的間距是15米，那么一條長1千米的道路就有2×1000/15=133盞路燈（乘2因為道路兩邊各有一盞路燈），那么道路一晚上電能消耗量為2.75×133=365.75度，1年的電能消耗量是365.75×365=13.35萬度。假設照明的有效時長為30%，那么一條街道電能浪費量就有13.35×0.7=9.3萬度。對于中等規模的城市這樣的街道可能就有100個以上，大規模城市這樣的街道就可能有數百個，這樣一個大規模城市每年只在路燈上電能的浪費量可能就高達數百到數千萬度。考慮到全國有數百個大規模城市，中小型的城市則更多，那么總的電能浪費量是非常巨大的。

為了解決這一普遍存在的路燈浪費能源這一問題，我們產生了智慧路燈的想法。我們的實行方案是有一個遠程控制終端，可對路燈實現遠程點控、組控、群控、監測的同時，路燈與路燈之間還可以相互的“交流”，實現一種路燈自主的節能。

1 系統研究內容

1.1 模塊插件功能

因為不是每個路燈節點上面都需要全部的功能，同時若每個節點都安裝上全部功能只會造成資源浪費并且成本太高。所以我們采用模塊化插件設計。每一個路燈節點都留出多個安裝端口，可擴展安裝檢測模塊，監測模塊，Zigbee無線傳輸模塊，總控模塊、太陽能充電+風力發電+電能儲蓄模塊。

1.1.1 檢測模塊

含有檢測模塊的節點可通過傳感器對周圍環境的狀況進行檢測。主要包含路況檢測、環境檢測和自身監測三大內容。

1.1.2 Zigbee傳輸模塊

包含節點間傳輸（小型Zigbee傳輸）和路段間傳輸（大型Zigbee網關）。用于節點間、路段間和節點與路段間信息的傳輸。

1.1.3 總控模塊

接收和處理各種信息，設置各個模塊的各項功能，能夠對整個系統的運轉做出控制。

1.1.4 新能源發電模塊

包含太陽能充電+風力發電+電能儲蓄模塊，主要利用太陽能、風能新能源發電。

1.2 記錄交通信息功能

每個路段都能“記憶”每晚的車流量的信息，然后通過算法智能判斷得出平均每天車流量較大的時段來關閉節能功能，即讓路燈保持長亮狀態。這樣一來，在車流量大的時段關閉節能，能達到更有效的保護路燈的目的。

1.3 Zigbee信息傳輸

Zigbee是一種新興的無線短距離、低速率的傳輸技術。因其功耗小、價格低、延時短、安全性高且最多支持65000個無線數傳模塊的特點。我們采用無線Zigbee協議進行數據的傳輸。

1.3.1 節點交互

路燈節點之間都可以通過Zigbee傳輸協議進行信息的“交流”即數據的傳輸。

1.3.2 分級傳輸

每個路燈節點的數據都可以傳輸到本路段或其他路段Zigbee網關處再由Zigbee網關迅速傳輸到控制終端。

1.3.3 交通燈智能管理

目前交通燈基本都是采用定時切換的工作方式，這種方式效率很低。我們在傳統模式的定時切換的基礎上，根據路燈節點反饋的路況信息，判斷出每條道路上需要通過車輛的數量和路口處行人的數量，再通過Zigbee網絡將各路口車輛和行人數據匯總到交通燈中心的處理器上，根據每條道路的車流量，按照一定的算法就可以計算出最優化的交通燈切換時間。這樣可以將車輛整體的排隊等待時間減少，提高道路的利用效率，同時減少了汽車因為等待造成尾氣的排放量，這也是一種環境保護的方式。

1.3.4 終端遠程控制

接入路燈“燈聯網”，通過Zigbee實現遠程監控、節能管理每一盞燈，實現路燈“四遙”監控功能。路燈“遙控”：點控、間控、組控、群控；單燈“遙調”：單燈調光范圍30～100%；單燈“遙測”：實時測量單燈電壓、電流、當日開關燈次數等參數。

1.3.5 移動端遠程控制

市民可以通過移動端（手機，平板）來通過網絡接口來訪問控制終端進行路況查看以方便出行，但市民只有訪問權限無法控制路燈。同時有專門的遠程移動控制器，可以實現遠程可移動的對路燈進行控制。

1.3.6 節點自動報警

在路燈節點故障、Zigbee網關故障或線纜損壞時進行報警通過短信或郵件，提醒管理者及時處理。

1.4 多種照明模式

照明模式可以通過終端和移動控制端進行調整設置（默認有兩個模式，管理者可增加）。

1.4.1 間滅燈模式

一段時間未檢測到車隔一個燈亮一個，當自身檢測到周圍一定距離有人或車或者是由交互信息得知周圍一定距離內有人或車時，滅的燈就逐漸全亮。之后檢測不到時就再慢慢返回間滅燈模式。

1.4.2 半夜燈模式

一段時間未檢測到人或車以微弱亮度（40%-50%）照明，當檢測到一定距離有人或車或者是由交互信息得知周圍一定距離內有人或車時，燈的亮度就逐漸增亮。之后一段時間內檢測不到人或車時就慢慢變暗。

2 系統關鍵問題

2.1 基于Zigbee協議的節點交互

本系統需要數據采集和監測的節點比較多，并且要求設備成本低，要求數據傳輸可靠性高，但傳輸的數據量不大。

Zigbee協議適應無線傳感器的低花費、低能量、低容錯率等的要求，且在數千個微小的傳感器之間相互通訊效率非常高，這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，滿足我們的需求。

2.2 分級傳輸

每一個路段都有一個大型的Zigbee網關，每個路燈節點的數據都可以傳輸到本路段或其他路段Zigbee網關處再由Zigbee網關迅速傳到控制終端（如圖2）。而由終端控制節點時先反饋給網關，再由網關反饋到節點。

2.3 終端營建和移動端的支持

本項目需要一個總控端，具有控制功能和一個信息呈現功能。

2.3.1 控制功能

終端可以實現對節點的遠程遙控。控制終端接入路燈“燈聯網”，通過Zigbee實現遠程監控、節能管理每一盞燈，實現路燈“四遙”監控功能。路燈“遙控”：點控、間控、組控、群控；單燈“遙調”：單燈調光范圍30～100%；單燈“遙測”：實時測量單燈電壓、電流、當日開關燈次數等參數。

2.3.2 信息呈現功能

來對各個節點上傳的信息進行整合并呈現在網絡上，方便民眾出行。民眾能用手機訪問終端了解路況，以合理選擇出行路線。

3 系統的實施方案

方案計劃一共有兩個終端。路燈節點和遠程控制體系。

3.1 路燈節點

主要是包含總控模塊、Zigbee無線傳輸模塊、太陽能充電+風力發電+電能儲蓄模塊、檢測、監測模塊、路段大型Zigbee傳輸模塊的路燈節點的搭建。

3.2 遠程控制體系

主要包含遠程PC控制端、遠程移動控制端和網絡端的一套遠程監測和控制體系。

4 結束語

下面提出本系統需要優化完備的功能：

4.1 Zigbee通訊網絡的優化

Zigbee網絡需要進行算法處理的優化，以減少通信延時，提高通信的精準度和效率。

4.2 路燈交互處理算法的優化

路燈與路燈之間的交互很重要，既需要保證交互的準確性，又要保證數據的完整性。

4.3 交通燈智能管理算法優化

基于交互網絡的交通燈智能管制，需要龐大的信息處理，算法較復雜需要繼續優化。

參考文獻：

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