陳育+黃梓龍+盧偉斌

摘要：針對LED智能照明管理的業(yè)務流程、ZigBee+GPRS網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點的軟硬件配置、ZigBee+GPRS物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢，提出了ZigBee+GPRS物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在LED智能照明管理平臺上的運用，以實現(xiàn)廣覆蓋性、高效性、精確性、高可靠性、節(jié)約性和智能性的LED智能照明控制需求。

關(guān)鍵詞：智能照明；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）28-0225-03

1 前言

LED進入城市照明領(lǐng)域，實現(xiàn)了城市照明第一次節(jié)能。不僅如此，由于城市照明路燈數(shù)量眾多，如果能應用無線傳感等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智能控制技術(shù)，通過實時感知天氣、室外光線亮度和交通流量的變化，借助電子通訊技術(shù)和計算機技術(shù)，實現(xiàn)城市照明系統(tǒng)自動監(jiān)測、控制路燈的運行狀況，及時發(fā)現(xiàn)故障路燈，以便及時維修，在滿足適時照明需求的同時達到二次節(jié)能與降低維護成本的目的。

2 現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的群控、組控等傳統(tǒng)路燈控制模式與有線的現(xiàn)場總線技術(shù)因施工布線復雜、可靠性差、不經(jīng)濟等問題已經(jīng)逐步被無線智能控制技術(shù)所取代。目前的無線智能控制中，因Zigbee在網(wǎng)絡容量十分巨大、低功耗、工作在2.4G免費頻段、網(wǎng)絡自愈功能、技術(shù)成本低等方面的優(yōu)勢被廣泛使用。但作為新興的無線通信技術(shù)，ZigBee也存在著一些缺點，如網(wǎng)絡深度、網(wǎng)絡容量等。從理論上說，ZigBee技術(shù)網(wǎng)絡容量能達到65536個，但現(xiàn)有的技術(shù)水平只能做到幾百個。在網(wǎng)絡深度方面，目前的技術(shù)水平也只能達到二十左右，這些給道路照明智能控制帶來了許多麻煩，因此，上層必須結(jié)合應用GPRS技術(shù)，擴展城市路燈監(jiān)控范圍。

公司于2014年下半年開始《基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的LED智能照明管理平臺》的研發(fā)，在綜合應用Zigbee和GPRS等無線通訊技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了建設(shè)二層通訊網(wǎng)絡的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)：網(wǎng)關(guān)節(jié)點到監(jiān)控中心節(jié)點之間為主干網(wǎng)，采用GPRS連接；智能化單燈終端節(jié)點到網(wǎng)關(guān)節(jié)點之間為二級子網(wǎng)，采用Zigbee傳感網(wǎng)絡。經(jīng)過近兩年的研發(fā)與實地測試，已經(jīng)顯示出技術(shù)的優(yōu)越性。結(jié)合《基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的LED智能照明管理平臺》項目的實施，現(xiàn)就ZigBee+GPRS物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在LED智能照明管理上的運用做一淺析探討。

3 LED智能照明管理的業(yè)務流程

LED智能照明管理業(yè)務流程如下圖1所示：

LED智能照明管理的業(yè)務流程如上圖所示。

服務場景：公路＼廣場＼園林是社會化路燈應用的幾個場景，在相應的場景中我們應以不同的情景模式來控制路燈，達到快速配置節(jié)能的目的。

遙控：按時間曲線和光照度由監(jiān)控中心計算機統(tǒng)一自動控制各照明節(jié)點路燈和亮化燈的開/關(guān)，并能實現(xiàn)手動單節(jié)點、分組開關(guān)燈等功能。

遙測：自動巡測為2秒鐘的時間周期，隨機手動檢測路燈的電壓、電流等工作參數(shù)，最多可檢測3×8個交流信號。

遙信：獲取路燈的狀態(tài)和控制開關(guān)狀態(tài)。

遙調(diào)：實現(xiàn)與配電柜和單燈的調(diào)壓、節(jié)能設(shè)備對接。

分組功能：節(jié)點任意分組，分別采用時控/光控、工作日/節(jié)假日/重大節(jié)日燈的多套控制方案。

故障告警：采用聲光、語音和短信多種形式報警，告警項目可配置。

GPS授時功能：采用衛(wèi)星GPS系統(tǒng)，確保監(jiān)控中心、燈光節(jié)點控制器、單燈控制器時間精準。

自主運行能力：照明節(jié)點控制器和單燈控制器具有自運行能力，確保無線通信不暢時正常開/關(guān)燈。

要實現(xiàn)上述LED智能照明管理的遙感、遙測、遙信、遙調(diào)、分組多模式功能切換、預警和自主運行等功能，就必須解決監(jiān)控中心到路燈終端的信號長距離無失真?zhèn)鬏斉c近距離高效、精確、高可靠性的通信問題。

4 ZigBee+GPRS的網(wǎng)絡拓撲

ZigBee+GPRS物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡拓撲圖如下：

局域網(wǎng)：以類似公路局，是指在某一區(qū)域內(nèi)由多臺計算機互聯(lián)成的計算機組。局域網(wǎng)可以實現(xiàn)統(tǒng)操作、系文件管理、應用軟件共享、打印機共享、工作組內(nèi)的日程安排、電子郵件和傳真通信服務等功能。智能路燈管理軟件的WEB服務器與工作人員一般都處于同一個局域網(wǎng)中。

以太網(wǎng)：工作人員的網(wǎng)絡主是以一個以太網(wǎng)的方式存在。

英特網(wǎng)：英特網(wǎng)主要是外圍有權(quán)限的操作員（外線維修員）及連接智能硬件GPRS網(wǎng)絡。

GPRS網(wǎng)：通過利用GSM網(wǎng)絡中未使用的TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞，以達到無線控制路燈集中控制器的目的。

ZigBee區(qū)域網(wǎng)：ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽谩Ｋ行Ч?jié)省大規(guī)模部署路燈的GPRS模塊的成本，使一個區(qū)域的路燈在個區(qū)域的集中器的集中操作。

5 Zigbee與GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點的軟硬件配置

在基于ZigBee/GPRS/互聯(lián)網(wǎng)的遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)中，網(wǎng)絡被分成主干網(wǎng)和二級子網(wǎng)兩層，主干網(wǎng)運行的是TCP/IP協(xié)議，通過GPRS連接；二級子網(wǎng)運行的ZigBee協(xié)議。由于兩級網(wǎng)絡分別使用不同協(xié)議，因此，需要網(wǎng)關(guān)節(jié)點完成協(xié)議的轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)兩級網(wǎng)絡之間數(shù)據(jù)的透明傳輸。

5.1 網(wǎng)關(guān)節(jié)點的硬件配置

Zigbee與GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點負責將無線傳感器網(wǎng)絡通過GPRS接入互聯(lián)網(wǎng)絡。該網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過Zigbee模塊和所轄線路的單燈控制器相連，收集單燈控制器上傳的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并下傳控制信令。另外，經(jīng)由GPRS模塊將收集到的數(shù)據(jù)上傳至遠程監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心進行相應處理。

Zigbee與GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點原理框圖如圖3所示。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點可采用基于ARM7或ARM9核RISC結(jié)構(gòu)的微處理器，ZigBee無線射頻模塊可采用基于Freescale、Chipcon、Helicomm等公司的系列專用芯片，GPRS通訊模塊可選用Motorola公司的G20、Siemens公司的MC39i及SIMCOM公司的SIMl00等產(chǎn)品，完成基于GPRS網(wǎng)絡的移動數(shù)據(jù)通信。主存儲器方面，使用Flash存儲器和SDRAM，F(xiàn)lash存儲器可存放已調(diào)試好的用戶應用程序、嵌入式操作系統(tǒng)或其它在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)等，SDRAM為操作系統(tǒng)和應用程序提供運行空間，并為通信提供接收和發(fā)送數(shù)據(jù)緩存區(qū)。直流穩(wěn)壓電路、LED檢測電路、LED調(diào)光電路、功率控制電路等電路設(shè)計與單燈控制器中的電路相同。

5.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點的軟件設(shè)計

軟件分層結(jié)構(gòu)如圖4所示。

6 Zigbee+GPRS在LED智能照明管理平臺上運用的優(yōu)勢

LED智能照明管理平臺有效結(jié)合應用ZigBee和GPRS網(wǎng)絡，具有如下優(yōu)勢、特點：

①長短的距離互補，能夠?qū)崿F(xiàn)大距離范圍內(nèi)（如一個城市）的城市路燈監(jiān)控。

②低成本的軟硬件結(jié)合，使得技術(shù)可行性高。

③GPRS具有實時在線的特性，數(shù)據(jù)傳輸時延小，能很好地滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸實時性的要求。

④GPRS采用完善的頻分復用機制，具有很強的抗干擾性能，數(shù)據(jù)傳輸可靠。ZigBee技術(shù)采用了碰撞避免機制，具有低的丟包率和傳輸出錯率，這使得整個系統(tǒng)的信息收集和傳遞具有很高的可靠性。

⑤二層通訊網(wǎng)絡的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)擴展了網(wǎng)絡覆蓋范圍，同時網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)可靈活配置，以適應不同的應用。在企業(yè)內(nèi)部，由于范圍不大，路燈數(shù)量有限，控制相對簡單，可只配置一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點，其余節(jié)點均為智能化單燈終端節(jié)點，構(gòu)成一個基于Zigbee的小范圍、低成本傳感網(wǎng)絡。相反，如果是城市公共路燈，由于覆蓋范圍廣，環(huán)境復雜，此時的路燈遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)將由眾多的Zigbee傳感網(wǎng)絡組成，傳感網(wǎng)絡之間通過GPRS連接，并需要大量增加網(wǎng)關(guān)節(jié)點數(shù)量，以緩解終端節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點、監(jiān)控中心節(jié)點等節(jié)點間通訊壓力。

7 總結(jié)

根據(jù)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的LED智能照明管理平臺項目實施的實際情況，并借鑒其他LED智能控制系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)劣勢，ZigBee+GPRS物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)憑借廣覆蓋性、高效性、精確性、高可靠性、節(jié)約性和智能性，符合LED智能照明控制發(fā)展的趨勢，系統(tǒng)軟硬件配置合理，功能完備，性能突出，不僅可以滿足LED智能照明管理平臺的控制、監(jiān)視、測量和報警等要求，也為LED智能照明管理平臺后續(xù)功能復雜化、融入智慧城市實現(xiàn)單一的業(yè)務服務向綜合性服務體系的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)社會公共服務向民生應用領(lǐng)域的延伸提供可行性。

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