基于ZigBee的城市路燈智能監控系統的設計

朱玲媛，徐文濤，劉邦超，陳 殷，王政偉

（1.南京航空航天大學 計算機科學與技術學院，江蘇 南京 210016；2.南京航空航天大學 理學院，江蘇 南京 210016；3.南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京 210016）

隨著國家城市化進程的發展，城市規模不斷變大，人們對城市照明的需求也不斷提高，方便高效的路燈監控系統對于一個城市現代化發展具有重要意義。很多發達國家已普遍采用計算機技術來實現對路燈的監控，大大節約了人力資源。與發達國家相比，我國的城市路燈控制系統還處于計時器/光感控制階段[1]，智能化的研究還處于初期階段，表現為：通過人工巡查及群眾反映等方式實現路燈的開關控制以及故障排查；城市夜晚沒有行人時，路燈也照常工作，浪費了能源；路燈工作狀態沒有存檔，不方便日后的查詢。以上缺點不但消耗了大量的人力、物力和財力，而且實時性差，故障的上報率較低，故障處理率也低。最重要的是路燈控制手段不靈活，無法實現單點控制和按需照明，導致照明能耗的浪費，因此實現路燈的智能監控刻不容緩[2]。

ZigBee技術是一門新興通信技術[3]，利用該技術可以實現終端節點的聯網，并通過互聯網對終端進行跟蹤和管理，ZigBee技術的發展使路燈的網絡化和智能化管理成為可能。在本路燈智能監控系統中，使用ZigBee節點將路燈與傳感器組成一個無線傳感網絡，傳感器對路燈工作狀態，如有無行人、路燈是否出現故障和光強等信息進行采集，通過無線傳感網絡將狀態信息通過網關上傳至網絡服務器中，實現用戶遠程監測與控制。

1 系統整體方案設計

本系統設計了基于ZigBee/GSM和WEB服務器的智能路燈監控系統。該系統通過多種傳感器采集工作環境參數（如光強）并通過ZigBee終端節點將參數傳輸至ZigBee協調器。ZigBee協調器將數據通過串口傳輸至計算機服務器，本系統在計算機上搭建了WEB服務器，最終可由互聯網終端利用瀏覽器訪問服務器網站實現實時監測和遠程控制。為了實現對路燈的本地控制功能，本系統在單片機網關中對實時采集到的數據加以分析，并反饋調節路燈亮度，同時啟用故障檢測功能，若出現故障，利用GSM模塊將報警短信發送至路燈維修人員處。綜上，本系統在路燈信息監測、路燈故障報警、路燈遠程控制三方面對城市路燈進行高效、智能化、網絡化的管理。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖Fig.1 Structure diagram of system

2 系統硬件設計

硬件部分主要包括：ZigBee模塊、傳感器模塊、UART接口、GTM900C、計算機等。本系統中，傳感器單元中包含霍爾電流傳感器、紅外傳感器和光敏傳感器，分別用于采集路燈故障信息、行人信息和光強信息。ZigBee模塊選用TI公司生產的C2530芯片，該芯片集成了Z-Stack協議棧，可以方便的實現自組網，建立無線傳感網絡。為實現故障報警功能，系統通過串口將GSM模塊與ZigBee協調器相連，當出現路燈故障時，GSM模塊以短信的形式將故障信息發送至相關負責人。本系統硬件結構如圖2所示。

圖2 硬件結構圖Fig.2 Structure of hardware

ZigBee的無線傳輸網絡為樹形拓撲結構，結點按層次進行連接，主要在上、下結點之間進行信息交換，即終端與路由器交換信息、路由器與協調器交換信息，適用于匯集信息的應用要求[4]。ZigBee無線傳輸網絡圖如圖3所示。

3 系統軟件設計

圖3 ZigBee無線傳輸網絡Fig.3 ZigBee wireless transmission network

本系統采用B/S模式使用戶實現遠程監控路燈的功能，B/S模式由3個模塊組成，包括客戶端、WEB服務器和數據庫服務器。客戶端僅僅使用瀏覽器即可訪問服務器，事務處理放在服務器端，數據處理則由數據庫服務器進行，這樣用戶就可以通過網絡進行異地數據訪問，最終實現路燈的監控。系統軟件平臺為Microsoft Visual Studio2010和Microsoft SQL Server2005，主要工作包括WEB服務器的搭建，數據庫建立及事件處理和服務器端程序的開發。當系統為監測模式時，計算機通過串口，按照設定的時間定時通過串口向ZigBee協調器發送數據采集命令，對ZigBee協調器的數據進行接收，并將數據傳送至控制中心，控制中心通過入庫線程將數據入庫，同時更新最新的路燈狀態；當系統為控制模式時，通過外部中斷的方式向ZigBee協調器發送控制命令，由無線傳感網絡進行轉發，最終由ZigBee終端節點通過路燈控制單元對路燈進行控制。由于是B/S結構，所以使用普通瀏覽器即可查看或控制[5]。普通用戶登陸只能查看路燈狀況，管理員身份登陸還可以控制路燈工作狀態。服務器端程序流程圖如圖4所示。

圖4 服務器軟件流程圖Fig.4 Flow chat of Web software

4 系統測試

4.1 測試方法

系統調試主要分為硬件測試和軟件調試兩部分[6]。硬件測試主要檢測系統的硬件是否正常工作，包括ZigBee結點的硬件測試和嵌入式網關的硬件測試。采用方法：人工改變路燈的運行狀態，設置虛假“緊急”情況，檢測是否能收到報警短信。軟件調試是在硬件正常工作的基礎上來檢測軟件是否能實現遠程監控以及自己搭建的服務器的壓力測試。采用的方法：人工改變路燈的運行狀態，檢測是否能正確顯示以及控制是否有效；壓力測試方面，由于用于搭建服務器的主機為個人電腦，所以實際抗壓性能并不強，但是作為模型檢測，它是可行的。系統軟硬件整合后，通過計算機對系統進行雙向的監控。

4.2 效果圖

整體調試的效果圖如圖5所示。

圖5 效果圖Fig.5 Monitoring interface

5 結 論

本系統將物聯網技術應用到對路燈的管理中，利用了ZigBee技術，計算機技術和傳感器技術構建了智能城市路燈監控系統。經過測試，本系統可以實現對路燈的遠程監控和管理，并能夠實現故障定位和自動報警功能，節約了路燈維護工作的人力成本，并減小了照明能耗，為傳統的路燈管理方法創新提供了新的思路。

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

[2]甘典文.基于ZigBee/GSM的無線糧情遠程數據傳輸終端的研究與實現[D].北京：北京郵電大學，2011.

[3]張慧，王建華.基于ZigBee的高校宿舍防火防盜監控系統設計[J].電子設計工程，2014，22（6）：148-149 ZHANG Hui，WANG Jian-hua.Design of a fireproof and burglar-proof monitoring system for university dormitories based on ZigBee technology[J].Electronic Design Engineering，2014，22（6）:148-149.

[4]張穎斐.基于GSM智能路燈監控系統的研究與設計[D].甘肅：蘭州交通大學，2013.

[5]陳鑫.路燈監控系統設計與實現[D].福建：廈門大學，2006.

[6]劉佶，徐群.ZigBee無線傳感網絡技術在油田信息采集系統中的應用[J].電子設計工程，2014，22（5）：157-160.LIU Ji，XU Qun.Smart oil field information collection system design based on ZigBee[J].Electronic Design Engineering，2014，22（5）:157-160.