徐利謀+黃長(zhǎng)遠(yuǎn)

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)路燈系統(tǒng)控制難度大、效率低等問(wèn)題，提出了一種基于GPRS和ZigBee的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該方案使用GPRS技術(shù)連接子網(wǎng)和主控計(jì)算機(jī)，并采用ZigBee技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)中設(shè)備的通信，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)路燈的狀態(tài)監(jiān)控和智能控制。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；ZigBee；GPRS；路燈監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）06-00-02

0 引 言

路燈照明系統(tǒng)在城市化進(jìn)程中發(fā)揮著重要的作用，它是每個(gè)城市發(fā)展過(guò)程中不可或缺的重要組成部分。傳統(tǒng)的路燈系統(tǒng)控制單純依靠人工現(xiàn)場(chǎng)完成，供電情況、短路跳閘、電流電壓等路燈運(yùn)行過(guò)程中的重要參數(shù)無(wú)法實(shí)時(shí)獲悉，每個(gè)路燈定時(shí)器無(wú)法實(shí)現(xiàn)開燈和關(guān)燈時(shí)間自動(dòng)控制，在暴雨等極端特殊天氣情況下，因控制手段單一，不能滿足路燈智能控制需求，造成監(jiān)控效率低、照明時(shí)間更新滯后、維護(hù)不及時(shí)等現(xiàn)象發(fā)生[1]。另外，我國(guó)城市路燈照明系統(tǒng)用電量巨大，約占每個(gè)城市用電量的十分之一左右。城市后半夜車輛和行人稀少，對(duì)路燈照明需求下降，由于缺乏科學(xué)有效的亮度調(diào)解手段，城市過(guò)度照明和電力資源浪費(fèi)現(xiàn)象比較普遍[2]。

綜上所述，針對(duì)日益擴(kuò)大的城市照明需求，借助發(fā)展快速的無(wú)線監(jiān)控、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等技術(shù)解決目前城市路燈監(jiān)控中存在的操作效率低、資源浪費(fèi)等問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)城市照明系統(tǒng)智能控制和自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，成為城市道路照明領(lǐng)域一個(gè)急需解決的問(wèn)題。文章提出了一種基于ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，構(gòu)建了對(duì)城市路燈實(shí)時(shí)調(diào)整的無(wú)線智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)每一桿燈的實(shí)時(shí)定位和控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，安裝在各條道路的路燈集中控制器上作為客戶端，路燈的實(shí)時(shí)控制和運(yùn)行狀況監(jiān)控由服務(wù)器負(fù)責(zé)，服務(wù)器是智能監(jiān)控系統(tǒng)的核心[3]。服務(wù)器和客戶端之間的網(wǎng)絡(luò)傳輸采用GPRS網(wǎng)絡(luò)，路燈集中控制器和監(jiān)控管理中心之間的數(shù)據(jù)通信通過(guò)GPRS模塊實(shí)現(xiàn)，單燈節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信通過(guò)ZigBee無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)搭建了ZigBee技術(shù)、GPRS技術(shù)和Internet網(wǎng)絡(luò)之間的溝通橋梁，開發(fā)了路燈智能監(jiān)控硬件和軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了路燈運(yùn)行狀態(tài)的即時(shí)監(jiān)控和實(shí)時(shí)控制。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)由單燈控制器、路燈集中控制器和監(jiān)控中心組成。

（1）單燈控制器：該控制器是一個(gè)ZigBee的無(wú)線接入點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置與路燈編號(hào)一一對(duì)應(yīng)的唯一的物理地址。單燈控制器接收從路燈集中控制器發(fā)送的指令，完成路燈調(diào)節(jié)、運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)等動(dòng)作[4]。

（2）路燈集中控制器：該控制器是智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)的樞紐，將STM32F303控制芯片編號(hào)后使用ZigBee和GPRS網(wǎng)絡(luò)與單燈控制器和監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信。

（3）監(jiān)控中心：監(jiān)控中心是整個(gè)路燈系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，監(jiān)控中心面向城市管理人員，可保證城市道路的路燈平穩(wěn)有序的運(yùn)行[5]。

2 單燈控制器設(shè)計(jì)

單燈控制器可監(jiān)控每個(gè)路燈的電壓、電流以及運(yùn)行狀態(tài)等，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)路燈存在的問(wèn)題，并依據(jù)惡劣天氣、擁堵時(shí)段、季節(jié)交替等不同情形對(duì)每個(gè)路燈進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)照明模式的多元化和智能化，進(jìn)一步提升城市照明系統(tǒng)的運(yùn)行效率，降低維護(hù)成本。

單燈控制器硬件由數(shù)據(jù)采集模塊、路燈控制模塊、無(wú)線信號(hào)傳輸模塊、指令執(zhí)行模塊和供電模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)將現(xiàn)場(chǎng)采集的模擬信號(hào)通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并發(fā)送到路燈控制模塊；路燈控制模塊對(duì)傳送過(guò)來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的控制方案確定路燈操作策略，發(fā)送路燈亮度調(diào)解、開關(guān)等操作指令；無(wú)線信號(hào)傳輸模塊與其它傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸和信號(hào)交換控制采用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)；供電模塊采用輕型化、大容量電池給其他硬件模塊和傳感器節(jié)點(diǎn)提供電能。

根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)和單燈控制器的功能要求，路燈控制模塊選用具有現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、支持各種復(fù)雜控制技術(shù)以及實(shí)時(shí)控制技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)的可編程邏輯器件FPGA，其語(yǔ)言支持以及高速并行運(yùn)行特性為路燈控制模塊的實(shí)現(xiàn)提供了重要支撐。ZigBee無(wú)線通信模塊選用Chipcon As公司2.4 GHz射頻芯片CC2420，滿足了低成本通信要求。

由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量較大，為了便于操作，協(xié)調(diào)器、路由和終端節(jié)點(diǎn)的識(shí)別全部交由監(jiān)控中心軟件實(shí)現(xiàn)。硬件方面除了協(xié)調(diào)器具有通用異步收發(fā)接口UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART）外，其他都是相同的。各節(jié)點(diǎn)微控制器MCU（Microcontroller Uint，MCU）均采用TI公司的2.4 G射頻芯片CC2530，該芯片支持專有802.15.4市場(chǎng)及ZigBee標(biāo)準(zhǔn)。路端單燈測(cè)控器的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 路燈集中控制器設(shè)計(jì)

路燈集中控制器處在單燈控制器和監(jiān)控中心之間，是城市照明系統(tǒng)的運(yùn)行狀況獲取、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)控制的樞紐，是城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。路燈集中控制器負(fù)責(zé)將獲取的電流、電壓等路燈運(yùn)行狀態(tài)信息傳送到監(jiān)控中心，接收監(jiān)控中心發(fā)送來(lái)的參數(shù)信息、路燈調(diào)節(jié)命令，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)對(duì)城市路燈進(jìn)行參數(shù)設(shè)定或?qū)崟r(shí)調(diào)整，保證監(jiān)控中心對(duì)智能路燈系統(tǒng)的監(jiān)控和管理。

路燈集中控制器將GPRS無(wú)線通信模塊、電參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊、調(diào)試電路以及單燈通信的ZigBee無(wú)線通信模塊等集成到嵌入式微控制器STM32F303中。路燈集中控制器的模塊框圖如圖3所示，GPRS無(wú)線通信模塊、ZigBee無(wú)線通信模塊與STM32F303之間的數(shù)據(jù)交換通過(guò)串行口電路實(shí)現(xiàn)，電參數(shù)測(cè)量模塊采用三相電能芯片通過(guò)SPI總線與STM32F303進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

4 監(jiān)控中心軟件的實(shí)現(xiàn)

監(jiān)控中心軟件對(duì)道路兩旁的路燈進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)傳輸采用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和GPRS/Internet網(wǎng)絡(luò)，一方面接收來(lái)自路燈集中控制器發(fā)送的電參數(shù)、運(yùn)行狀況等數(shù)據(jù)信息，完成對(duì)狀態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)的保存或顯示等操作；另一方面向路燈控制器發(fā)送即時(shí)的狀態(tài)調(diào)整和路燈控制命令。監(jiān)控中心和路燈集中控制器之間通過(guò)GPRS無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)相連，路燈數(shù)據(jù)采集、開關(guān)、事故報(bào)警等功能通過(guò)監(jiān)控中心軟件對(duì)路燈集中控制器參數(shù)的設(shè)定來(lái)實(shí)現(xiàn)。

監(jiān)控中心是智能監(jiān)控系統(tǒng)和城市路燈管理人員交互的接口，是監(jiān)控系統(tǒng)管理的核心。監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)界面簡(jiǎn)潔，操作方便，管理人員使用簡(jiǎn)單的按鍵即可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)路燈系統(tǒng)的管理和維護(hù)。監(jiān)控中心主要的功能如下：

（1）保存城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)中路燈狀態(tài)配置信息，構(gòu)建保存路燈集中控制器和單燈控制器的位置信息、路燈調(diào)整措施等數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

（2）使用GPRS無(wú)線通信模塊和ZigBee無(wú)線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)城市路燈運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，有效統(tǒng)計(jì)安裝在路燈上的各類控制器的運(yùn)行狀況，并自動(dòng)生成匯總數(shù)據(jù)。

（3）根據(jù)不同條件完成對(duì)范圍內(nèi)每個(gè)或者每組路燈的亮度調(diào)節(jié)和開關(guān)控制。

數(shù)據(jù)處理模塊后臺(tái)采用SQL Server 2014數(shù)據(jù)庫(kù)，主要存儲(chǔ)從路燈集中控制器獲取的電參數(shù)、開關(guān)策略、錯(cuò)誤信息等數(shù)據(jù)，方便路燈管理人員把握路燈系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，快速獲取故障信息。網(wǎng)絡(luò)通信模塊通過(guò)查詢和控制命令的收發(fā)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的收集和路燈遙控功能。監(jiān)控中心軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著我國(guó)城市的擴(kuò)容和改造，城市照明實(shí)時(shí)控制和節(jié)能等問(wèn)題受到了越來(lái)越多的關(guān)注，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到城市照明監(jiān)控系統(tǒng)中可以實(shí)時(shí)檢測(cè)并控制城市照明設(shè)施狀態(tài)，使得照明設(shè)施便于維修和管理，維護(hù)照明設(shè)施所需的人力和物力成本大幅減少。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，智能控制在環(huán)境保護(hù)、交通運(yùn)輸、食品安全以及數(shù)字家居等領(lǐng)域的應(yīng)用將越來(lái)越普遍，智慧城市將變成現(xiàn)實(shí)。

參考文獻(xiàn)

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