智慧路燈系統(tǒng)中應(yīng)用Zigbee 技術(shù)和電力線載波技術(shù)的比較

鄭重

（南通市市政工程設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司）

智慧路燈系統(tǒng)中應(yīng)用Zigbee 技術(shù)和電力線載波技術(shù)的比較

鄭重

（南通市市政工程設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司）

城市智慧路燈系統(tǒng)分別采用GPRS+Zigbee 和GPRS+電力線載波技術(shù)設(shè)計(jì)，應(yīng)用于不同路段以對比測試。從實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)行比較，指出Zigbee 和電力線載波技術(shù)成為了該領(lǐng)域的主流技術(shù)，并在不斷發(fā)展，有實(shí)際的應(yīng)用推廣價(jià)值。

Zigbee 技術(shù)；電力線載波技術(shù)；智慧路燈系統(tǒng)

1 引言

城市智慧路燈控制系統(tǒng)中應(yīng)用LED已成為一種趨勢。LED作為一種新型綠色光源，具有節(jié)能、壽命長、方便監(jiān)控等特點(diǎn)，LED 路燈的智能化控制也成為應(yīng)用熱點(diǎn)。根椐不同的運(yùn)行環(huán)境，選用合適的通信控制技術(shù)才能滿足技術(shù)，經(jīng)濟(jì)兩方面的要求。

2 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目現(xiàn)場LED路燈設(shè)計(jì)布置為：路燈采用雙側(cè)對稱布置，間距35m左右，道路邊供電電纜埋地敷設(shè)，以箱式變壓器供電，供電范圍不超過1000m。離監(jiān)控中心約3～5km。

3 短距離無線通信技術(shù)比較及選擇

短距離無線通信技術(shù)很多都可以用來做智慧路燈控制系統(tǒng)，幾種常用的路燈控制技術(shù)比較見表1。

表1 常用的路燈控制技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對比

由表1及路燈實(shí)際布置情況可見，GPRS 技術(shù)適用于遠(yuǎn)距離的傳輸，Zigbee 和電力線載波技術(shù)適用于短距離組網(wǎng)的應(yīng)用，如果把這兩種技術(shù)結(jié)合起來，可充分利用各自的優(yōu)勢。GPRS 技術(shù)負(fù)責(zé)遠(yuǎn)距離（監(jiān)控中心與現(xiàn)場）的數(shù)據(jù)傳輸，而Zigbee和電力線載波技術(shù)則負(fù)責(zé)子網(wǎng)(控制器至單燈控制器)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。對于采集點(diǎn)分散、采集環(huán)境惡劣而對實(shí)時(shí)性和可靠性要求比較高的場合，這種組網(wǎng)方式很合適。

4 應(yīng)用情況

我院在啟東呂四港路燈設(shè)計(jì)中，分別采用GPRS+Zigbee和GPRS+電力線載波技術(shù)應(yīng)用于不同路段以便對比測試。對實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)行比較，并提出一些看法供大家參考。

4.1 Zigbee組網(wǎng)圖及技術(shù)簡介

ZigBee技術(shù)是近些年出現(xiàn)的短距離無線通信技術(shù)，由2001年8月成立的ZigBee聯(lián)盟制定無線通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，采用標(biāo)準(zhǔn)的OSI分層模型，物理層和媒體接入層由IEEE802.15.4小組制定，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層由ZigBee聯(lián)盟制定。2002年下半年，國際上知名的半導(dǎo)體廠商、無線設(shè)備制造商等大公司加入聯(lián)盟，這極大地促進(jìn)了ZigBee技術(shù)的研發(fā)及ZigBee產(chǎn)品的推廣應(yīng)用。

自從ZigBee技術(shù)出現(xiàn)以來，就以低成本、低功耗、組網(wǎng)靈活的特點(diǎn)受到世界上各大無線設(shè)備制造廠家及應(yīng)用者的青睞，并逐漸應(yīng)用于各大領(lǐng)域。Zigbee組網(wǎng)圖如圖1所示。

Zigbee技術(shù)適用于智慧路燈控制系統(tǒng)，有以下幾個(gè)原因：

1) 城市車流量、人流量大，需要可操作性強(qiáng)、靈活多變的監(jiān)控系統(tǒng)，而且燈的密度比較大，無線傳輸距離比較短，Zigbee 可以很好地適應(yīng)城市復(fù)雜的環(huán)境，并充分發(fā)揮自身組網(wǎng)簡便的優(yōu)勢；

2) 在智慧路燈控制系統(tǒng)中，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很少，只需幾分鐘發(fā)送一次數(shù)據(jù)。每次發(fā)送的數(shù)據(jù)量也很小，所以ZigBee技術(shù)的低速率的特點(diǎn)恰好適合應(yīng)用于該領(lǐng)域中；

3) 利用ZigBee技術(shù)低功耗的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。ZigBeeI做在2.4G的免費(fèi)頻段上，不會(huì)像使用GPRS一樣浪費(fèi)許多無線電的資源。

Zigbee應(yīng)用于路燈系統(tǒng)一般采用樹形網(wǎng)結(jié)構(gòu)，設(shè)備既可以作為終端設(shè)備也可以作為路由設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)。

采用樹形網(wǎng)絡(luò)比星形網(wǎng)絡(luò)自由了很多，它覆蓋范圍可以很大，成本也不高，組網(wǎng)簡單；但它對動(dòng)態(tài)環(huán)境的適應(yīng)性、穩(wěn)定性稍差。

圖1 Zigbee組網(wǎng)圖

圖2 電力線載波技術(shù)組網(wǎng)圖

4.2 電力線載波技術(shù)組網(wǎng)圖及技術(shù)簡介

電力線是世界上覆蓋最廣的一種物理媒介，由其構(gòu)成的電力網(wǎng)是一個(gè)近乎天然的網(wǎng)絡(luò)。電力線載波技術(shù)（簡稱PLC：Power Line Carrier Communication）以電力網(wǎng)作為傳輸信道，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)之間以及與其他通信網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和信息交換，是唯一不需要線路投資的有線通信方式，具有分布廣、低成本、高速率、即插即用（插上電源即可聯(lián)網(wǎng)使用）等特點(diǎn)。電力線載波技術(shù)組網(wǎng)如圖2所示。

PLC 有不同的分類方式，對于路燈系統(tǒng)，窄帶和低速通信速率就可滿足要求。其發(fā)展所面臨的三大挑戰(zhàn)是電力線上的噪聲、阻抗匹配以及載波信號的耦合。電力線主要是用來傳輸電能的，傳輸介質(zhì)對通信來說為非理想的隨機(jī)參數(shù)通信信道。由于用電負(fù)載及負(fù)荷的不同，不同地點(diǎn)頻率響應(yīng)特性及干擾特性也不同，因而可能導(dǎo)致通信的效率低下甚至失敗。實(shí)際上，各種電器都可能是電力線載波技術(shù)的噪聲源，接收信號的信噪比必須足夠大才能被接收器正確解調(diào)；然而電磁兼容規(guī)范限制了PLC信號的發(fā)射電平，使得不能通過單純提高發(fā)射信號強(qiáng)度來提升通信效果。

如前所述，在智慧路燈控制系統(tǒng)中，只需幾分鐘發(fā)送一次數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)量很小，因此選用窄帶BPSK 電力線載波技術(shù)，該技術(shù)在世界各地有成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，適應(yīng)各種復(fù)雜的應(yīng)用場合。

Echelon公司的窄帶BPSK技術(shù)稱為二進(jìn)制相移鍵控（Binary Phase Shift Keying）調(diào)制技術(shù)，當(dāng)工作在C波段時(shí)，兩個(gè)載波頻率分別是：第一載波頻率為132k Hz，第二載波頻率為115kHz。在每個(gè)載波頻率上使用6kHz的頻率帶寬。第一載波頻率具有更好的畸變糾正能力和更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)包分辨能力及抗噪聲能力，第二載波頻率比第一載波頻率的誤差校正能力強(qiáng)。當(dāng)工作在A波段時(shí)，第一載波頻率是86kHz，第二載波頻率為75kHz。

5 現(xiàn)場測試情況

在道路現(xiàn)場安裝1個(gè)集中器和30個(gè)單燈控制器，線路總長1km。在路燈線路中測試電力線載波技術(shù)、Zigbee的通信效果(集中器端電壓：225V，末端單燈控制器電壓：200V)。通信效果比較見表2。

表2 通信效果的對比

從測試結(jié)果中，可以看到這兩種通信方式均可進(jìn)行命令的傳遞和單燈狀態(tài)信息的回饋。

通過兩層通信機(jī)制，構(gòu)成智慧路燈控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對LED路燈的“四遙”功能，但Zigbee系統(tǒng)在防電纜偷盜測試中，偶爾會(huì)出現(xiàn)誤報(bào)情況。

6 結(jié)束語

智慧路燈控制系統(tǒng)中傳送數(shù)據(jù)量不大，Zigbee、電力線載波技術(shù)等都被應(yīng)用于 LED 路燈的控制和管理中，國內(nèi)公司已有不少產(chǎn)品推出。電力線載波技術(shù)通過市電電線就可以傳輸數(shù)據(jù)，方便快捷，但也存在傳送距離短、信號損失大、脈沖干擾嚴(yán)重等缺點(diǎn)，需要選擇合適的技術(shù)及成熟的方案；而Zigbee技術(shù)具有能耗低、成本低、易控制等優(yōu)點(diǎn)，但穩(wěn)定性有待提高，所以Zigbee技術(shù)和電力線載波技術(shù)已成為智慧路燈控制領(lǐng)域的主流技術(shù)，并在不斷發(fā)展，有實(shí)際的應(yīng)用推廣價(jià)值。

[1] 吳春海,賴常華,李振.LED路燈智能控制模式研究及應(yīng)用研究[J].建筑電氣,2014(09):51-56.

[2] 劉永.Echelon 公司的電力線載波通信技術(shù)[J].儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量,2005(04):20-23.

[3] 李震.基于 Zigbee 技術(shù)的大功率 LED 路燈監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].廣州:華南理工大學(xué),2014.

Comparison Between Zigbee and Power Line Carrier Technology in Intelligent Street Lamp System

ZHENG Zhong

(Nantong Municipal Engineering Design Institute Co., Ltd.)

Outdoor LED lighting intelligent management system based on GPRS+Zigbee and GPRS+ Power line carrier communication technology was designed to apply in different section of street , comparison of test result shows that both Zigbee technology and Power line carrier communication technology has become the mainstream communication technology in this field and in the continuous development,has the practical application value.

Zigbee technology; power line carrier communication technology; outdoor led lighting intelligent management system

10.13655/j.cnki.ibci.2015.11.019