基于ZigBee的城市路燈控制系統(tǒng)研究

張作鵬

摘 要：路燈照明系統(tǒng)是城市基礎(chǔ)設(shè)施中的重要組成部分，與人們的日常生活及城市交通安全息息相關(guān)，所以對(duì)其控制系統(tǒng)展開(kāi)研究具有十分重要的意義。對(duì)基于ZigBee的城市路燈控制系統(tǒng)展開(kāi)了研究，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee通信技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于控制城市的LED路燈。

關(guān)鍵詞：ZigBee；城市路燈；遠(yuǎn)程監(jiān)控；控制系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.23.079

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的要求不斷提高，城市路燈照明系統(tǒng)作為城市基礎(chǔ)設(shè)施中的重要組成部分，越來(lái)越受人們的重視。當(dāng)前，傳統(tǒng)的路燈開(kāi)關(guān)和巡檢方式已無(wú)法滿(mǎn)足城市發(fā)展的需求，如何節(jié)約能源、提高路燈能源的利用率，有效實(shí)現(xiàn)對(duì)城市路燈的遠(yuǎn)程監(jiān)控是當(dāng)前的一個(gè)重要課題。而ZigBee作為一種新興無(wú)線通信技術(shù)，以其低能耗、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用?；诖耍P者進(jìn)行了相關(guān)介紹。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

ZigBee技術(shù)是一種在近距離內(nèi)使用的雙向無(wú)線通訊技術(shù)，其具有功耗低、成本低、傳輸速率低的特點(diǎn)，所以在短距離無(wú)線通訊領(lǐng)域十分常用。根據(jù)照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，可以按照?qǐng)D1的方式來(lái)設(shè)計(jì)照明控制系統(tǒng)。

城市路燈照明控制系統(tǒng)主要是控制路燈、路燈調(diào)節(jié)器、路燈的燈桿、配電箱、中心連接器等設(shè)備。照明控制系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，要把路燈調(diào)節(jié)器和路燈燈桿結(jié)合，將路燈調(diào)節(jié)器和中心連接器相連接，使路燈燈桿和配電箱的位置相匹配，把路燈和其

他設(shè)備按實(shí)際情況分組，設(shè)置好照明控制系統(tǒng)的控制方案等。照明控制系統(tǒng)除了對(duì)主動(dòng)獲取的信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以外，還要定期檢查每個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，檢測(cè)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，并予以保存，便于日后的統(tǒng)計(jì)工作。

城市路燈照明控制系統(tǒng)服務(wù)層里各種類(lèi)型的服務(wù)器都安裝在核心控制室內(nèi)，用來(lái)組建控制系統(tǒng)的核心部分，也便于統(tǒng)一操作，信息收集后也可以統(tǒng)一處理；中心連接器是照明控制系統(tǒng)總網(wǎng)關(guān)和ZigBee子網(wǎng)的主要連接手段，上傳數(shù)據(jù)時(shí)，用3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的方式上傳數(shù)據(jù)，而下載數(shù)據(jù)時(shí)，則使用Zinebee近距離無(wú)線通信收集所檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)的分析制訂運(yùn)行計(jì)劃，將各運(yùn)行指令分配到各個(gè)路燈，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況調(diào)整路燈，并將路燈的運(yùn)行參數(shù)發(fā)送到中心連接器。

2 路燈調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

2.1 路燈調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)

路燈調(diào)節(jié)器的主要作用是控制調(diào)節(jié)路燈的狀態(tài)、采集路燈運(yùn)行的參數(shù)并將參數(shù)上傳給中心連接器。路燈調(diào)節(jié)器是整個(gè)照明控制系統(tǒng)當(dāng)中使用頻率最高的設(shè)備，而且由于大多都是安裝在室外，所以路燈調(diào)節(jié)器很容易受到外界環(huán)境影響，所以對(duì)路燈調(diào)節(jié)器的防護(hù)措施要求更加嚴(yán)格。

路燈調(diào)節(jié)器與路燈相連接的位置有路燈開(kāi)關(guān)和燈光亮度調(diào)節(jié)器。路燈開(kāi)關(guān)是由繼電器支持，而燈光亮度調(diào)節(jié)器有1～10 V電壓的選擇。主控CPU價(jià)格比較便宜，而且性能比較好。除此之外，調(diào)節(jié)器還預(yù)留了接口，可以使用數(shù)據(jù)傳輸線，方便數(shù)據(jù)的采集和運(yùn)輸。

2.2 路燈調(diào)節(jié)器的運(yùn)行狀態(tài)

路燈調(diào)節(jié)器運(yùn)行狀態(tài)主要有正常工作狀態(tài)、出廠設(shè)置狀態(tài)、遠(yuǎn)程升級(jí)狀態(tài)等，運(yùn)行狀態(tài)之間的關(guān)系如圖2所示。

首先系統(tǒng)會(huì)對(duì)代碼進(jìn)行檢測(cè)，如果一切正常，就開(kāi)始初始化，準(zhǔn)備正常運(yùn)行。正常運(yùn)行時(shí)，要定期對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行抽查，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析判斷系統(tǒng)是否存在故障。如果有故障，要及時(shí)啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。如果代碼還存在缺陷，那么就需要進(jìn)行遠(yuǎn)程升級(jí)。遠(yuǎn)程升級(jí)是按照系統(tǒng)自帶的代碼進(jìn)行的，ZigBee無(wú)線通訊系統(tǒng)作為信息傳播的手段，將遠(yuǎn)程升級(jí)所需要的固定代碼發(fā)送到系統(tǒng)，然后開(kāi)始遠(yuǎn)程升級(jí)。

2.3 路燈調(diào)節(jié)器的升級(jí)

路燈調(diào)節(jié)器投入使用的時(shí)間并不長(zhǎng)，所以對(duì)于路燈調(diào)節(jié)器的應(yīng)用和功能還不太了解。要想使得路燈調(diào)節(jié)器的應(yīng)用范圍更加廣泛、使用效果更好，就得經(jīng)過(guò)更多的實(shí)踐，在實(shí)踐當(dāng)中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。目前所使用的路燈調(diào)節(jié)器為第四代調(diào)節(jié)器，比起初代調(diào)節(jié)器來(lái)，第四代調(diào)節(jié)器在適用性、功能性和防護(hù)措施等方面都有明顯的提升。

3 中心連接器和配電箱控制的設(shè)計(jì)

中心連接器和配電箱是通過(guò)控制器直接控制的。控制器位于現(xiàn)場(chǎng)，其通過(guò)3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與核心控制室內(nèi)的通信服務(wù)器相連。

中心連接器是服務(wù)器與路燈調(diào)節(jié)器聯(lián)系的媒介，也是ZigBee子網(wǎng)的核心。中心連接器通過(guò)ZigBee無(wú)線通訊和路燈調(diào)節(jié)器聯(lián)系，并可以接收到中心服務(wù)器的指令，對(duì)路燈調(diào)節(jié)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集或?qū)崿F(xiàn)對(duì)路燈的控制。中心連接器自帶臨時(shí)運(yùn)行方案，當(dāng)中心連接器無(wú)法接收到中心服務(wù)器的指令時(shí)，臨時(shí)運(yùn)行方案自動(dòng)開(kāi)啟，以供系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。中心連接器的臨時(shí)運(yùn)行方案開(kāi)啟時(shí)，可以將收集到的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到臨時(shí)空間內(nèi)，待與中心服務(wù)器的聯(lián)系恢復(fù)正常，即可將這些數(shù)據(jù)上傳。

為了方便中心連接器與路燈調(diào)節(jié)器之間的聯(lián)系，提高ZigBee無(wú)線通訊的效率，中心連接器優(yōu)化了ZigBee無(wú)線通訊方式的路由算法，并為路燈調(diào)節(jié)器的路由表設(shè)置了緩沖結(jié)構(gòu)。

配電箱的主要作用是給路燈供電，并收集路燈供電線路的運(yùn)行參數(shù)，且配電箱的結(jié)構(gòu)與中心連接器有相似之處。

4 設(shè)備的通訊方案的設(shè)計(jì)

設(shè)備的通訊方案設(shè)計(jì)對(duì)于照明控制系統(tǒng)而言具有十分重要的作用，設(shè)備的通訊主要有服務(wù)器與中心連接器、中心連接器與路燈調(diào)節(jié)器、服務(wù)器與配電箱等，這些通訊總的來(lái)說(shuō)可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是核心控制室內(nèi)的服務(wù)器與現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備之間的通訊，另一類(lèi)是現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備與設(shè)備之間的聯(lián)系。為了簡(jiǎn)化通訊方式，在這里引入通訊幀的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)各設(shè)備之間的通訊。

5 城市路燈照明控制系統(tǒng)的具體應(yīng)用

城市路燈照明控制系統(tǒng)已經(jīng)設(shè)計(jì)完成，并且開(kāi)始投入生產(chǎn)，已經(jīng)在許多地區(qū)廣泛應(yīng)用。

某城市的道路總數(shù)為118條，道路總長(zhǎng)度約為198 km，道路所使用的路燈總數(shù)為12 002盞。在之前一直使用的高壓鈉燈，城市主要道路使用了5 420盞功率為380 W的路燈，而次要道路使用了4 312盞功率為240 W的路燈，支路使用了2 398盞功率為240 W的路燈。在將城市照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用到該城市當(dāng)中后，主要道路的路燈功率降低到170 W，次要道路路燈功率降低到100 W，支路路燈功率降低到60 W，而且路燈亮度控制方案也有所調(diào)整，主要道路的路燈亮度在下半夜的時(shí)間段內(nèi)控制在50%，而次要道路和支路的路燈亮度在下半夜時(shí)間段內(nèi)控制在20%.

在城市路燈照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用以后，所節(jié)約的電能如表1所示，每年可以節(jié)省約1.0×107 kW·h的電能，按照每千瓦時(shí)電0.85元的價(jià)格來(lái)算，一年就可以節(jié)約大概850萬(wàn)元的電費(fèi)。在實(shí)際情況中，城市照明控制系統(tǒng)會(huì)自帶光衰補(bǔ)償，所以實(shí)際的電能節(jié)約效果比理論的還要高。此外，城市照明控制系統(tǒng)還自帶故障報(bào)警功能，可以大大延長(zhǎng)路燈的使用年限，減少路燈的維修頻率和維修成本。

注：一年按365 d來(lái)算，每天路燈開(kāi)啟的時(shí)間按10 h計(jì)算，下半夜按5 h計(jì)算。

城市路燈照明控制系統(tǒng)投入使用已有幾年的時(shí)間，其各方面的性能都有顯著提升，但是就目前而言，還存在一定的問(wèn)題：①ZigBee無(wú)線通訊技術(shù)在應(yīng)用到城市照明控制系統(tǒng)當(dāng)中時(shí)，應(yīng)用的條件比較復(fù)雜，而且需要覆蓋的范圍比較廣，所以通訊節(jié)點(diǎn)會(huì)比較多，無(wú)線通訊的穩(wěn)定性得不到保證；②路燈調(diào)節(jié)器與中心連接器之間的聯(lián)系穩(wěn)定性有待提升，而且急需提高用戶(hù)的體驗(yàn)感以及系統(tǒng)投入使用以后為用戶(hù)創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益；③城市照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢之后的施工工藝十分復(fù)雜，其中包括路燈的排序編號(hào)、各路燈的定位數(shù)據(jù)采集、路燈和中心連接器的合理分配等，這些都需要大量的人力，加大了管理難度，也增加了施工難度；④由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備需要與中心服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊，所以需要利用移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，會(huì)產(chǎn)生一定的流量費(fèi)用；⑤新設(shè)計(jì)的應(yīng)用需要與城市發(fā)展逐漸匹配，所以會(huì)有一段時(shí)間的適應(yīng)期。

我國(guó)某些地區(qū)的政府已經(jīng)將城市路燈照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在城市當(dāng)中進(jìn)行試點(diǎn)，并且已經(jīng)有部分企業(yè)開(kāi)始關(guān)注這套城市路燈照明控制系統(tǒng)，并積極參與到設(shè)計(jì)規(guī)范的討論當(dāng)中去。相信經(jīng)過(guò)眾多企業(yè)的共同研究和開(kāi)發(fā)，經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐以后，城市路燈照明控制系統(tǒng)會(huì)越來(lái)越發(fā)達(dá)，為我國(guó)帶來(lái)更多的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)束語(yǔ)

城市照明控制系統(tǒng)是重要的城市基礎(chǔ)設(shè)施，它直接關(guān)系到城市居民的日常生活以及城市交通的安全性，所以政府部門(mén)要重視起城市路燈照明控制系統(tǒng)的應(yīng)用，采用ZigBee無(wú)線通訊技術(shù)，合理控制城市的路燈照明系統(tǒng)。這樣做一方面可以節(jié)約電能，減少電費(fèi)成本，另一方面可通過(guò)自動(dòng)化管理有效減少故障的發(fā)生，減少維修頻率，節(jié)約維修成本。本文對(duì)基于ZigBee無(wú)線通訊技術(shù)的城市路燈照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)分析，希望能為城市路燈照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

參考文獻(xiàn)

[1]昝永信，陳偉利.基于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)的城市路燈節(jié)能防盜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究[J].通訊世界，2015（09）.

[2]經(jīng)偉，許堃，余建波.基于GPRS和ZigBee的節(jié)能型LED路燈智能控制系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2015（05）.

〔編輯：王霞〕

文章編號(hào)：2095-6835（2016）23-0081-02