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      基于ZigBee+GPRS物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的LED智能照明管理系統(tǒng)的研究

      2016-12-21 12:46陳育黃梓龍盧偉斌
      電腦知識與技術(shù) 2016年28期
      關(guān)鍵詞:單燈關(guān)節(jié)點路燈

      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。

      參考文獻:

      [1] 宋劍飛.基于Zigbee的智能路燈控制研究[D].河北科技大學,2011.

      [2] 張偉,王宏剛,程培溫.基于GPRS的智能路燈遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].計算機測量與控制,2010,18(9).

      [3] 閆超,倪建成.基于GPRS的智能路燈Web監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].軟件導刊,2012,11(4).

      [4] http://www.qianjia.com/special/lighting/li-2013007.

      [5] 汪麗.基于物聯(lián)網(wǎng)和GPRS的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)[D].杭州電子科技大學,2013.

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