基于物聯網技術的智能照明控制系統

張文彬

（深圳佳比泰智能照明股份有限公司，廣東深圳 518000）

傳統的城市照明系統一般采用分散受控燈光與時控燈光兩大方式，即在路燈配電箱中安裝定時器，并按照預定時間自行開關燈。這種技術管理方式相對死板，只能在統一時間開關燈，同時需要人工干預來調整開關時間，且其電力載波控制受到電力線強磁場干擾，整體看通信環境相當惡劣，信號衰減時變性表現較大。現如今，應遵循智能化建設原則，采用物聯網技術，運用ZigBee 通信技術+傳感器技術來組成聯合網絡，有效解決傳統照明控制中所存在的諸多問題，實現城市照明系統的自動化、智能化控制。

1 物聯網技術與ZigBee通信協議

1.1 物聯網技術

物聯網技術概念早在1999年就已經被提出，它是基于互聯網、RFID、EPC 等技術標準所提出的，在計算機互聯網基礎上合理利用射頻識別技術和無線數據通信技術，構造了一個能夠實現信息實時共享的實物互聯網，即物聯網（Internet of Things）。現如今，物聯網又被稱之為“傳感網”，它是互聯網與移動通信網的結合體，在感知技術內容方面有所豐富。物聯網所體現出的系統性、聚合性創新應用特征已經掀起了信息技術的第三次革命，它在識別通信特征、強調物物通信功能方面表現出色，同時具有網絡系統的自我反饋與智能控制功能。

1.2 ZigBee通信協議

在物聯網技術體系中，ZigBee通信協議不得不提，它通過一種特殊肢體語言來告知系統信息源位置，所以還被稱為“ZiZag 舞蹈”，代表了一種信息的簡單傳達方式，就像蜜蜂之間工作配合所演繹的舞蹈，所以才被稱為“ZigBee”通信協議。作為一種無線電通信技術，ZigBee 通信協議中包含了超過70 000個無線數傳模塊，它們共同組成了一個完整的無線數傳網絡平臺，在整個網絡范圍內實現了網絡數傳模塊的相互通信，確保每個網絡節點之間的距離都能從標準距離到75m 距離無限延展。ZigBee 技術的低功耗、低速率、近距離雙向無線通信技術表現強大，它對于典型周期性、間歇性數據的傳輸到位，同時也能建立數據傳輸應用技術體系，保證ZigBee 技術能夠主動嵌入到某些消費性電子設備中，形成小范圍內無線通信控制與自動化、智能化操作。

在當前的城市智能化照明系統中，物聯網技術的應用是相當廣泛的，為有效體現城市現代化形象，調整亮燈率、開關燈準確率非常有必要，同時也必須提高照明系統的故障檢測效率與實時性維修機制。為此就必須做好技術改造，保證物聯網技術與ZigBee 通信協議發揮其應有功能作用，滿足新形勢下城市建設與發展的現實需求。具體來說，就是要將物聯網技術中的GPRS 與ZigBee 技術聯系起來，有效組建新型的城市照明燈控制模式，如此對實現城市中照明系統的單燈控制、大幅度節約能源都有一定幫助，同時也能夠實現對國家低碳環保節能要求的全面響應。另外，ZigBee 也能將終端層的運行數據通過主節點層直接反饋到服務器層，保證監控中心能夠實時動態掌握照明系統中燈的實時運行狀態。

2 基于物聯網的城市智能照明控制系統設計要點

2.1 系統總體設計要點

基于物聯網的城市智能照明控制系統在總體設計方面主要圍繞終端層、主節點層、服務器層展開，具體如下。

2.1.1 終端層的設計要點

在城市智能照明控制系統設計過程中，對于終端層的設計首當其沖，要采用物聯網技術來分析路端單燈測控器，保證與終端層核心控制器相互連接，形成無線傳感網絡節點。而對網絡節點的通信控制則通過ZigBee 通信協議實現，其主要功能就是控制和檢測路燈狀態，實現對燈具的有效開關與功率升降。即要在每一個單燈測控器位置都設置ZigBee 網絡協議，組成物物聯通網絡。如可在城市景觀區安裝物聯網絡智能照明控制系統，形成區域獨立的照明智能化網絡。

在終端層設計過程中，需要做好MCU 晶振模塊設計，在設計過程中降低系統成本因素，同時考慮采用物聯網配合CLKO 時鐘來輸出作為MCU 的外部時鐘源，建立低成本、高精度的MCU 時鐘供給方案。另外在終端層中還要設計射頻模塊，體現物聯網技術應用優勢，通過射頻模塊來增加測控器網絡通信距離，同步增加低噪聲放大器、射頻收發開關的IC 功能。其射頻模塊電路圖如圖1所示。

圖1 城市智能照明控制系統中的射頻模塊原理

2.1.2 主節點層的設計要點

主節點層的設計要點主要從城市智能照明控制系統的路端通信裝置開始，保證匯集底層傳感信息，通過GPRS 網絡來發送數據信息到應用層監控中心中。在這里，需要設置Internet 與路燈網絡接口網關，配合5G 技術與無線傳感網絡技術來將數據直接發送到監控中心服務器之中。整體來講，主節點層中所有裝置都采用了高性能芯片作為控制單元，結合無線傳感網絡形成微控制器，滿足數據傳輸要求。在配合5G技術過程中，也能夠針對城市中的不同要求選擇適合的通信方式，建立主節點層。

在主節點層的硬件設計方面，需要對硬件模型進行設計，保證路端通信裝置中硬件總體框架設計到位，確保系統結合控制監測路端燈箱，實現IIC 與SPI 接口的有效擴展，體現硬件系統總體設計的靈活性以及可擴展性。如圖2所示。

圖2 城市智能照明控制系統的路端通信裝置硬件總體設計

2.1.3 服務器層的設計要點

在服務器層設計過程中，需要圍繞其核心內容展開設計，即設計管理軟件與通信軟件。以通信軟件設計為例，其主要結合ZigBee 通信協議展開設計，聯合GPRS 技術來獲取數據庫中的未處理控制指令內容，確保某些信息指令都能放入到數據庫中，建立通信軟件偵聽服務器TCP 端口。在服務器運行過程中，需要保證通信軟件設計采用Service 形式，配合服務運行監控中心服務器來偵聽TCP 端口內容，保證系統路端通信裝置通信到位。目前的城市智能照明控制系統一般采用多線程Socket 機制進行通信軟件設計，其通信軟件也附屬了ZigBee 通信協議，配合哈希表記錄路端通信裝置，形成TCP 客戶端。TCP 客戶端是對應Socket 句柄的，它能夠有效減少服務器層設計開發的復雜度，最大限度提高系統運營穩定性。

2.2 系統軟件設計要點

2.2.1 管理軟件設計

管理軟件設計主要是設計系統模塊，有效增加、刪除和修改照明控制內容，確保系統能夠靈活自主調整軟件功能，例如建立手工控制模塊。而在手工控制模塊中，則要設計對燈箱的開關、功率調節機制，保證實現對系統景觀燈控制的要求，建立整條路段的燈箱控制機制，在無線傳感網絡中實現對路燈的單燈控制。

在實時數據統計模塊中，則需要建立智能管理軟件，并與城市地理信息系統相互結合，滿足數據信息統計要求，確保用戶能夠相對直觀地觀測到燈箱的實時運行狀態。

2.2.2 通信軟件設計

在通信軟件設計過程中，需要建立基于GPRS 與ZigBee 通信協議聯合的數據庫管理機制，保證通信軟件設計到位，在服務器上運行通信軟件，偵聽服務器的TCP 端口。在TCPSvr 類封裝系統中，需要建立網絡通訊事件模型，提供TCPSvr 事件分析機制，然后才能對通信軟件進行科學合理化編程。在這里，需要為通信軟件設計提供具有自定義形式的服務器偵聽技術體系，避免通信阻塞問題出現。例如要采用到哈希表中的數據結構來存儲TCP 客戶端信息，同時封裝形成Session，體現通信軟件的強大擴展性與靈活性。當然，也要建設Coder 編碼解碼機制，在該基礎上實現數據編碼、解碼與加密操作，提高通信軟件運行安全性，方便解析報文數據內容。

2.3 系統功能實現要點

城市智能照明控制系統在功能實現方面也相當突出，在控制模式選擇方面需要對路燈控制模式進行設置，其中就包括了自由控制模式、經緯度控制模式、節假日控制模式以及夏季運行控制模式。其系統能夠控制路燈進行分區域照明，有效調整控制功率與控制類型。以控制類型為例，它設置了包括城市、區域、街道、主控箱在內的四大不同級別，保證路燈功率能夠到80%以上，甚至實現無極限調節。

在自由控制模式中，則需要保證所選擇的控制類型，能夠確保城市智能照明控制系統的輸入功率可以從0～100%有效調節，同時實現單模式背景下的單燈控制。以節假日控制為例，其開燈時間與關燈時間控制相對嚴謹，要結合手工設置與手工控制記錄來控制系統照明范圍，同時設置電感景觀燈，提高系統運行功率。圖3為城市智能照明控制系統的夏季照明模式運行控制界面。

圖3 城市智能照明控制系統的夏季照明模式運行控制界面

3 結束語

綜上所述，本文中探討了基于物聯網技術與ZigBee 通信協議的城市照明智能綜合控制系統。系統中對于技術的應用要點多、應用范圍大、應用深度較深，在制定相對統一的控制模式過程中也提高了城市照明效率，真正做到了城市智能化、自動化照明操作，為城市美化建設創造了有利條件，也為城市建立了市政景觀照明傳感網，深層次感知城市區域交通、環境以及居民工作生活各方面變化，建立了真正意義上的物聯網世界。