溫軍燕，劉海浪，崔學(xué)玲，李小亞

(杭州中恒派威電源有限公司，浙江 杭州 310000)

引言

ZigBee技術(shù)[1]是一種應(yīng)用于短距離和低速率下的無線通信技術(shù)，底層是采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的媒體訪問層與物理層，具有低速、低耗電、低成本、支持大量網(wǎng)上節(jié)點、支持多種網(wǎng)上拓?fù)?、?fù)雜度低、快速、可靠、安全，已廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中，如智能照明、智能電網(wǎng)、智能家居、工業(yè)自動化、智能建筑、環(huán)境保護(hù)、數(shù)字化醫(yī)療等領(lǐng)域。

ZigBee技術(shù)的安全性較高[2]，其安全性源于其系統(tǒng)性的設(shè)計：采用AES加密(高級加密系統(tǒng))；其次，ZigBee采用蜂巢結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，每個設(shè)備不僅能通過多個方向與集中控制器通信，保障網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性；而且每個設(shè)備還具有無線信號中繼功能，并進(jìn)行信號強(qiáng)度增強(qiáng)，點對點通信距離可達(dá)到1 000 m，傳輸通信信息可以不斷接力下去。路燈照明間隔在35～40 m，可以輕松地實現(xiàn)ZigBee組網(wǎng)通信。

1 ZigBee智控電源

相對于傳統(tǒng) ZigBee智能照明控制系統(tǒng)[3]，ZigBee智控電源系統(tǒng)最大的區(qū)別是將單燈控制器與驅(qū)動電源相結(jié)合，ZigBee通信單元內(nèi)置于驅(qū)動電源中，省去單燈控制器，監(jiān)控平臺對集中控制器下達(dá)指令，集中控制器再將指令傳達(dá)到智控電源(內(nèi)置ZigBee通信模塊)，智控電源調(diào)節(jié)電流，從而實現(xiàn)對LED的二次節(jié)能；同時智控電源將其狀態(tài)反饋到監(jiān)控平臺，進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，實現(xiàn)對 LED 照明進(jìn)行監(jiān)測和分析。

ZigBee智控電源集成供電和通信功能與一體，是銜接集中控制器和LED燈具的重要設(shè)備。一方面它恒流輸出，為LED燈具穩(wěn)定供電；另一方面它具備ZigBee通信功能，可以接收集中控制器下發(fā)的指令，執(zhí)行調(diào)光命令，同時也可以將電源的用電信息上傳到集中控制器，便于控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的分析處理。圖1為智控電源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為傳統(tǒng)ZigBee方案和ZigBee智控電源方案差異示意圖。

圖1 ZigBee智控電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 傳統(tǒng)ZigBee方案和ZigBee智控電源方案差異

2 山東沂源縣路燈改造項目的建設(shè)與實施

沂源縣隸屬于山東省淄博市，位于山東省中部，主城區(qū)照明路燈桿2600余個，路燈3613余盞，光源普遍使用高壓鈉燈，單燈功率主要為250 W和150 W。由于此批高壓鈉燈使用年限久，光衰嚴(yán)重，道路照度遠(yuǎn)低于國家道路照明標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，且鈉燈功率較大，能耗高，為提高道路照明亮度，節(jié)約能耗，沂源縣采用合同能源管理(EMC)的模式對主城區(qū)的照明路燈進(jìn)行改造。

業(yè)主將路燈委托給合同能源公司管理，對路燈進(jìn)行改造，采用LED照明，道路照明亮度提升，并建設(shè)智能照明控制系統(tǒng)，實現(xiàn)路燈的調(diào)光節(jié)能，故障告警；同時對部分人流量密集區(qū)域的路燈加裝攝像頭，加強(qiáng)對周圍行人和車輛的監(jiān)控。ZigBee智控電源是該項目方案的亮點之一。

2.1 交流配電柜控制

為實現(xiàn)交流供配電的開關(guān)控制及ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的建立，在現(xiàn)有的交流配電柜中加裝集中控制器(圖3)，根據(jù)接線端子的定義，接入三相交流電、回路控制、電流采樣等接線端子，可實現(xiàn)三相電電壓、電流采集、回路開關(guān)控制功能。

由于交流配電柜處于戶外道路上，鋪設(shè)網(wǎng)線不便，采用4G無線通信的方式進(jìn)行控制，在集中控制器中安裝物聯(lián)網(wǎng)卡，即可實現(xiàn)集中控制器與管理平臺的通信與控制。ZigBee通信組網(wǎng)利用集中控制器上的ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行組網(wǎng)，考慮到城市照明環(huán)境中WiFi信號較多，ZigBee與WiFi同屬與2.4G頻段的通信[4]，ZigBee的信道的選擇應(yīng)盡可能避免與WiFi信道的重疊(圖4、圖5)。

WiFi(中國)最常用的信道是1、6、11，和ZigBee信道對比后發(fā)現(xiàn)，無重疊的部分可以是WiFi信道4個邊角。WiFi邊界頻點2.402GHz偏左，對應(yīng)ZigBee的11信道，頻點2.405 GHz。WiFi的3、4信道間，頻點為2.422到2.427 GHz之間，對應(yīng)ZigBee的15信道，頻點2.425 GHz。WiFi的8、9信道間，頻點為2.447到2.452 GHz之間，對應(yīng)ZigBee的20信道，頻點2.450GHz。WiFi邊界頻點2.483 GHz偏右，對應(yīng)ZigBee的26信道，頻點2.480 GHz。所以，要避免ZigBee收到Wifi的影響，最合理的信道要配置在11、15、20、26。

考慮全城ZigBee通信組網(wǎng)的分布(圖6)，應(yīng)遵從相鄰的ZigBee協(xié)調(diào)器的信道及PANID應(yīng)不重合[5]，首先全局考慮集中控制器的分布，信道選擇11、15、20、26，PANID以8191起始，依次遞減。

圖3 集中控制器接線端子

圖4 WiFi信道在2.4GHz頻段上分布

圖5 ZigBee信道在2.4GHz頻段上分布

2.2 燈具數(shù)據(jù)錄入

為實現(xiàn)單燈控制和定位，在燈具安裝時，使用手機(jī)APP掃碼的方式錄入數(shù)據(jù)，通過APP掃描智控電源上的IEEE地址碼，輸入燈桿編號，可自動獲取當(dāng)前位置的經(jīng)緯度，一鍵上傳，即可完成數(shù)據(jù)的錄入工作(圖7)。

圖7 APP掃碼錄數(shù)據(jù)

2.3 小巷子照明控制

對于一些燈具數(shù)量較少的小巷子，如隆福路、新華街、興利街、學(xué)府佳苑等路段，僅有5—10盞路燈，為節(jié)省成本，對此類場景的配電開關(guān)控制采用經(jīng)緯度時控器實現(xiàn)供電的開關(guān)控制，將其路燈歸屬到主路上，如隆福路、新華街、歸屬到“魯山路_工商銀行”集中控制器進(jìn)行控制，實現(xiàn)路燈的調(diào)光控制及狀態(tài)反饋。

2.4 場景預(yù)設(shè)

1)開關(guān)控制。全縣城路燈開關(guān)控制全部采用預(yù)設(shè)配置自動開關(guān)燈的模式。該縣城中主要有普通路燈和智慧路燈(燈頭上帶有監(jiān)控攝像)組成，對于這兩種路燈我們采用兩種配置來實現(xiàn)自動開關(guān)燈。

?普通路燈組：采用集中控制器根據(jù)經(jīng)緯度的日出日落時間自動控制回路的開關(guān)；

?智慧路燈組：采用回路24h閉合形式，日出后將所有路燈亮度調(diào)至0%，日落后將亮度調(diào)至100%。

2)二次節(jié)能[6]。在保障全城夜晚亮燈的情況下，為節(jié)約電力資源，采用深夜調(diào)光節(jié)能方案。在夜晚23點，將全城路燈亮度調(diào)至50%，凌晨2點再次調(diào)光將全城路燈亮度調(diào)至30%，根據(jù)真實數(shù)據(jù)顯示相比于整晚100%亮度該方案可省電30%。

3)自動控制。用戶設(shè)置的自動運行參數(shù)將下發(fā)到集中控制器中，實現(xiàn)本地自動運行，即使上行通信故障，仍可脫機(jī)使用，終端能根據(jù)預(yù)先設(shè)定的方案定時開/關(guān)燈，可確保照明系統(tǒng)正常運行。系統(tǒng)配置Web端和手機(jī)APP控制，客戶需要臨時開燈、調(diào)節(jié)亮燈均可直接通過手機(jī)APP操作，迅速且便捷。

4)故障告警。系統(tǒng)提供短信推送和平臺展示方式，向用戶提醒設(shè)備工作異常的問題，如單燈故障、批量離線、回路異常、集中控制器離線等情況，系統(tǒng)將記錄狀態(tài)，并且短信推送，保證出現(xiàn)的問題能被及時發(fā)現(xiàn)及解決。

2.5 項目運行效果分析

1)投資建設(shè)。沂源縣采用ZigBee智控電源方案，相對于傳統(tǒng)單燈控制器加LED驅(qū)動電源的方案，可節(jié)省設(shè)備投資費用約18萬元。ZigBee智控電源的集成式設(shè)計，簡化了安裝接線工作，傳統(tǒng)方案需要連接交流輸入、交流輸出、直流輸出、調(diào)光控制四組線路，集成式設(shè)計僅需要連接交流輸入和直流輸出兩組線路，提高了裝配效率約50%，同時也降低了誤操作的可能性。

2)運營維護(hù)。沂源縣路燈節(jié)能改造使用LED燈替換傳統(tǒng)的鈉燈，除人民路新增342套雙挑臂路燈以外，原鈉燈總功率為792.73 kW，改造成LED燈后總功率為390.87 kW，整體功率下降50%，通過調(diào)光節(jié)能的方式，在人流量和車流量較為稀少的深夜，可降低LED的亮度，實現(xiàn)二次節(jié)能，可再節(jié)電30%，整體運行相對于改造前節(jié)電65%。沂源縣路燈節(jié)能改造后的實景照明效果如圖8所示。

圖8 沂源縣路燈節(jié)能改造后的實景照明效果圖

3 結(jié)束語

本文介紹了ZigBee智控電源在山東沂源縣路燈改造項目中的應(yīng)用，ZigBee智控電源質(zhì)保時間長、設(shè)備少、故障點少，降低路燈項目后期運維的成本。通過ZigBee智能照明控制系統(tǒng)，用戶可以通過手機(jī)及電腦實時監(jiān)控路燈的運行狀態(tài)，實現(xiàn)路燈的遠(yuǎn)程管理，無需每晚對路燈進(jìn)行巡查，降低人力和物力的成本。