ZigBee智控電源在山東沂源縣路燈改造項目中的應用

溫軍燕，劉海浪，崔學玲，李小亞

(杭州中恒派威電源有限公司，浙江 杭州 310000)

引言

ZigBee技術[1]是一種應用于短距離和低速率下的無線通信技術，底層是采用IEEE 802.15.4標準規范的媒體訪問層與物理層，具有低速、低耗電、低成本、支持大量網上節點、支持多種網上拓撲、復雜度低、快速、可靠、安全，已廣泛應用于物聯網產業鏈中，如智能照明、智能電網、智能家居、工業自動化、智能建筑、環境保護、數字化醫療等領域。

ZigBee技術的安全性較高[2]，其安全性源于其系統性的設計：采用AES加密(高級加密系統)；其次，ZigBee采用蜂巢結構組網，每個設備不僅能通過多個方向與集中控制器通信，保障網絡的穩定性；而且每個設備還具有無線信號中繼功能，并進行信號強度增強，點對點通信距離可達到1 000 m，傳輸通信信息可以不斷接力下去。路燈照明間隔在35～40 m，可以輕松地實現ZigBee組網通信。

1 ZigBee智控電源

相對于傳統 ZigBee智能照明控制系統[3]，ZigBee智控電源系統最大的區別是將單燈控制器與驅動電源相結合，ZigBee通信單元內置于驅動電源中，省去單燈控制器，監控平臺對集中控制器下達指令，集中控制器再將指令傳達到智控電源(內置ZigBee通信模塊)，智控電源調節電流，從而實現對LED的二次節能；同時智控電源將其狀態反饋到監控平臺，進行數據的交互，實現對 LED 照明進行監測和分析。

ZigBee智控電源集成供電和通信功能與一體，是銜接集中控制器和LED燈具的重要設備。一方面它恒流輸出，為LED燈具穩定供電；另一方面它具備ZigBee通信功能，可以接收集中控制器下發的指令，執行調光命令，同時也可以將電源的用電信息上傳到集中控制器，便于控制系統對數據的分析處理。圖1為智控電源的內部結構示意圖。圖2為傳統ZigBee方案和ZigBee智控電源方案差異示意圖。

圖1 ZigBee智控電源拓撲結構

圖2 傳統ZigBee方案和ZigBee智控電源方案差異

2 山東沂源縣路燈改造項目的建設與實施

沂源縣隸屬于山東省淄博市，位于山東省中部，主城區照明路燈桿2600余個，路燈3613余盞，光源普遍使用高壓鈉燈，單燈功率主要為250 W和150 W。由于此批高壓鈉燈使用年限久，光衰嚴重，道路照度遠低于國家道路照明標準規范要求，且鈉燈功率較大，能耗高，為提高道路照明亮度，節約能耗，沂源縣采用合同能源管理(EMC)的模式對主城區的照明路燈進行改造。

業主將路燈委托給合同能源公司管理，對路燈進行改造，采用LED照明，道路照明亮度提升，并建設智能照明控制系統，實現路燈的調光節能，故障告警；同時對部分人流量密集區域的路燈加裝攝像頭，加強對周圍行人和車輛的監控。ZigBee智控電源是該項目方案的亮點之一。

2.1 交流配電柜控制

為實現交流供配電的開關控制及ZigBee通信網絡的建立，在現有的交流配電柜中加裝集中控制器(圖3)，根據接線端子的定義，接入三相交流電、回路控制、電流采樣等接線端子，可實現三相電電壓、電流采集、回路開關控制功能。

由于交流配電柜處于戶外道路上，鋪設網線不便，采用4G無線通信的方式進行控制，在集中控制器中安裝物聯網卡，即可實現集中控制器與管理平臺的通信與控制。ZigBee通信組網利用集中控制器上的ZigBee協調器進行組網，考慮到城市照明環境中WiFi信號較多，ZigBee與WiFi同屬與2.4G頻段的通信[4]，ZigBee的信道的選擇應盡可能避免與WiFi信道的重疊(圖4、圖5)。

WiFi(中國)最常用的信道是1、6、11，和ZigBee信道對比后發現，無重疊的部分可以是WiFi信道4個邊角。WiFi邊界頻點2.402GHz偏左，對應ZigBee的11信道，頻點2.405 GHz。WiFi的3、4信道間，頻點為2.422到2.427 GHz之間，對應ZigBee的15信道，頻點2.425 GHz。WiFi的8、9信道間，頻點為2.447到2.452 GHz之間，對應ZigBee的20信道，頻點2.450GHz。WiFi邊界頻點2.483 GHz偏右，對應ZigBee的26信道，頻點2.480 GHz。所以，要避免ZigBee收到Wifi的影響，最合理的信道要配置在11、15、20、26。

考慮全城ZigBee通信組網的分布(圖6)，應遵從相鄰的ZigBee協調器的信道及PANID應不重合[5]，首先全局考慮集中控制器的分布，信道選擇11、15、20、26，PANID以8191起始，依次遞減。

圖3 集中控制器接線端子

圖4 WiFi信道在2.4GHz頻段上分布

圖5 ZigBee信道在2.4GHz頻段上分布

2.2 燈具數據錄入

為實現單燈控制和定位，在燈具安裝時，使用手機APP掃碼的方式錄入數據，通過APP掃描智控電源上的IEEE地址碼，輸入燈桿編號，可自動獲取當前位置的經緯度，一鍵上傳，即可完成數據的錄入工作(圖7)。

圖7 APP掃碼錄數據

2.3 小巷子照明控制

對于一些燈具數量較少的小巷子，如隆福路、新華街、興利街、學府佳苑等路段，僅有5—10盞路燈，為節省成本，對此類場景的配電開關控制采用經緯度時控器實現供電的開關控制，將其路燈歸屬到主路上，如隆福路、新華街、歸屬到“魯山路_工商銀行”集中控制器進行控制，實現路燈的調光控制及狀態反饋。

2.4 場景預設

1)開關控制。全縣城路燈開關控制全部采用預設配置自動開關燈的模式。該縣城中主要有普通路燈和智慧路燈(燈頭上帶有監控攝像)組成，對于這兩種路燈我們采用兩種配置來實現自動開關燈。

?普通路燈組：采用集中控制器根據經緯度的日出日落時間自動控制回路的開關；

?智慧路燈組：采用回路24h閉合形式，日出后將所有路燈亮度調至0%，日落后將亮度調至100%。

2)二次節能[6]。在保障全城夜晚亮燈的情況下，為節約電力資源，采用深夜調光節能方案。在夜晚23點，將全城路燈亮度調至50%，凌晨2點再次調光將全城路燈亮度調至30%，根據真實數據顯示相比于整晚100%亮度該方案可省電30%。

3)自動控制。用戶設置的自動運行參數將下發到集中控制器中，實現本地自動運行，即使上行通信故障，仍可脫機使用，終端能根據預先設定的方案定時開/關燈，可確保照明系統正常運行。系統配置Web端和手機APP控制，客戶需要臨時開燈、調節亮燈均可直接通過手機APP操作，迅速且便捷。

4)故障告警。系統提供短信推送和平臺展示方式，向用戶提醒設備工作異常的問題，如單燈故障、批量離線、回路異常、集中控制器離線等情況，系統將記錄狀態，并且短信推送，保證出現的問題能被及時發現及解決。

2.5 項目運行效果分析

1)投資建設。沂源縣采用ZigBee智控電源方案，相對于傳統單燈控制器加LED驅動電源的方案，可節省設備投資費用約18萬元。ZigBee智控電源的集成式設計，簡化了安裝接線工作，傳統方案需要連接交流輸入、交流輸出、直流輸出、調光控制四組線路，集成式設計僅需要連接交流輸入和直流輸出兩組線路，提高了裝配效率約50%，同時也降低了誤操作的可能性。

2)運營維護。沂源縣路燈節能改造使用LED燈替換傳統的鈉燈，除人民路新增342套雙挑臂路燈以外，原鈉燈總功率為792.73 kW，改造成LED燈后總功率為390.87 kW，整體功率下降50%，通過調光節能的方式，在人流量和車流量較為稀少的深夜，可降低LED的亮度，實現二次節能，可再節電30%，整體運行相對于改造前節電65%。沂源縣路燈節能改造后的實景照明效果如圖8所示。

圖8 沂源縣路燈節能改造后的實景照明效果圖

3 結束語

本文介紹了ZigBee智控電源在山東沂源縣路燈改造項目中的應用，ZigBee智控電源質保時間長、設備少、故障點少，降低路燈項目后期運維的成本。通過ZigBee智能照明控制系統，用戶可以通過手機及電腦實時監控路燈的運行狀態，實現路燈的遠程管理，無需每晚對路燈進行巡查，降低人力和物力的成本。