基于ZigBee網絡的校園路燈控制系統

廖春成，李業偉，姚繼良，姚念會

(北京師范大學 后勤管理處，北京 100875)

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基于ZigBee網絡的校園路燈控制系統

廖春成，李業偉，姚繼良，姚念會

(北京師范大學 后勤管理處，北京 100875)

摘要：為了實現對高校路燈遠程進行分時段間隔開啟，以減少校園路燈電能消耗，考慮到高校路燈種類型號多，分布分散等特點，在校園內建立了基于無線傳感器網絡的路燈智能控制系統，通過ZigBee網絡實現無線通信傳輸，使整個網絡數據安全，用戶節點擴展性強。以北師大校園路燈智能化控制改造為例，論證了此種方案能較經濟地實現對校園所有路燈自動遠程、實時監測與控制，并在較短時間內收回投資。

關鍵詞：高校；無線傳感器；ZigBee網絡；智能路燈；遠程監控

1引言

高校作為國家公共建筑一部分，落實建筑節能降耗政策，對社會有著引領示范作用。為有效地降低校園內的電能消耗，不少教育工作者做出了很多努力。

傳統校園路燈控制方式有多種。電力線載波進行信息傳輸(北師大路燈改造前就是這種方式)，GPRS和CDMA遠程無線通信傳輸，是目前實現公共路燈遠程控制的兩種主要方式。雖然這兩種方式能較好完成對路燈的遠程智能控制，但在信息傳輸、節能環保和運行成本上有一定缺陷[1]。近年來隨著技術更新，新的通信系統進入市場。無線網絡也不例外，并且這些技術更多地出現在人們現實生活中。ZigBee無線傳感網絡，做為無線網絡的一種新型網絡，能低成本實現短距離無線通信，具有一定的工程價值。相對于其他無線網絡(GPRS、WiMAX、ADSL)更合適多用戶通信[2，6]。

構建基于ZigBee無線傳感網絡的校園路燈控制平臺，將全校路燈無線連接在一起，可先前指定時間間隔地開啟路燈，從而降低電能消耗，達到節能目的。北京師范大學路燈有6 m以上高桿道路燈、庭院燈、草坪燈大約750盞，通過網絡構建形成的無線網絡系統，可隨時修改路燈控制方案。改造后平均每年可節省電量 11.2萬kW·h，直接產生經濟效益5.6萬元。

2平臺構建

通過建立一個對校園路燈執行遠程監控平臺，提高自動化水平，減少管理人員運營支出，同時節省路燈電能損耗。平臺運用無線網絡進行訪問，不需要在周圍部署昂貴的有線基礎設施，降低資源消耗。

2.1特點和要求

基于無線傳感器網絡應用技術，來實現對校園路燈的智能化控制，從而滿足對路燈分時段間隔開啟。這種網絡的建立有著一定的應用和技術要求。

2.1.1應用要求

(1)節點識別。正確識別網絡端點，并關聯到一個特定用戶。

(2)節點移動。一般無線傳感器網絡的一個重要特征。實際案例中大多是端點不動情形。

(3)能源消耗和電池壽命。無線傳感器網絡需要能源供給，才能保證傳感器正常工作，特別是單元電池的供電壽命。

(4)可擴展性。未來隨著路燈數目的增加，很可能需要新端點接入網絡。因此應考慮不需要執行特定技術設計與改造情況下，自動加大網絡。

(5)可靠性。平臺的基本要求，網絡受到攻擊或意外掉網，數據信息不應丟失或被篡改。

2.1.2技術要求

(1)識別設備。基于ZigBee技術的無線終端，有兩種可能的設備地址：64位MAC預編碼地址和16位網絡地址。其中第一個是唯一的，通常當作一個設備加入ZigBee網絡。第二個是一個很短的地址，用來進行網絡路由。

(2)網絡規模。ZigBee網絡的大小，理論上是有確定的16位地址限制。然而，由于物理限制，該網絡(ZigBee)設備最大數量是100，是一個小得多的量。

(3)傳感器。傳感器通過串行接口與路燈回路連接，無線設備內置于路燈桿內，減少裝置所占空間。

(4)協調器限制。一個集線器最多只能與四個協調器直接連接。

2.2構架

單燈控制器與傳感器安裝在每一個路燈桿里，控制器與一個傳感器連接。傳感器通過無線接口連接到協調器的專用設備，然后通過集線器將路燈控制信息傳給校園路燈管理服務器(圖1)。

如圖1中，將整個路徑分為兩段，從端點到集線器作為短距離段，從集線器到管理服務器作為長距離段，整個網絡包括四個部分，每個部分彼此間相互聯系，分別扮演著不同的角色，組合完成自動控制的整個過程。

(1)端點。作為網絡的基礎元，實現了用戶定點的物理邏輯轉換，從而與單燈控制器進行數據的現場交互。

圖1路燈控制系統構架

(2)協調器。負責ZigBee網絡協調，給結點成員按照一定規則分配網絡地址，負責創建并維護一個局域網并實現路由功能。

(3)集線器。負責收集和匯總幾個ZigBee網絡內所有端點信息。為端點和服務器平臺的通訊，提供邏輯接口。

(4)管理服務器。作為服務器平臺，負責儲存結點開關數據，路燈開啟時間及方案設計，實現智能化管理的數據平臺。

短距離段通常對應于一個或多個ZigBee網絡，通過串行或通過Wi-Fi直接連接到一個集線器。集線器收集所有區域內路燈開關信息，再通過長距離段將數據反饋給服務器。ZigBee是一種低成本、低功耗的無線技術，在定位和流量使用上非常適合這個網絡要求。若集線器距離ZigBee網絡終端較遠時，可以用Wi-Fi來實現集線器與ZigBee網絡終端間的數據傳遞。

長距離段是集線器與服務器之間數據橋梁，一般可由GPRS?、UMTS、 Wi-Fi、WiMAX通信技術組成。它將所有信息匯總，傳給管理服務器。

當然目前還有一些其他的通信方式來實現上述數據的傳遞，比如在短距離段用PLC(線載通信)代替ZigBee，或使用GPRS直接連接到每個端點。直接使用GPRS連接每一端點，特別是規模宏大的時成本比較高[7]。PLC具有一定帶寬的限制使用不夠靈活，同時還需要有線來支持，材料使用和改造及其不方便。

3組網關鍵

要能夠成功地獲得所有的路燈開關信息，并能使系統的成本、可靠性、可擴展性和其他都具有相對的優越性。關鍵主要集中在三個方面：傳感器的識別是否正確。讓管理服務器能正確識別到每一個網絡節點；網絡是否安全。建立一定的認證機制，確保數據保密、完整、可利用；容量規劃是否合理，根據網絡規模設計一定數量的集線器、協調器、傳感器等。

3.1傳感器的識別、尋址和命名

當對每一個傳感器結點進行訪問時，ZigBee通過搜索所有路徑，分析它們的位置關系以及遠近，然后選擇其中的一條路徑與該傳感器結點進行數據傳輸。當一條路徑發生擁擠或者是斷開時，立刻分析下一條路徑，直到搜索到相應的傳感器結點。

這種搜索的方法存在一些潛在的問題，隨著網絡規模的增大，數據訪問效率會降低。每次管理服務器要與客戶結點建立聯絡時，它首先必須查閱數據庫獲取相應設備的MAC地址。這樣當管理平臺為了與某個端點建立聯系，首先必須發送請求到每一個集線器，一旦一個集線器接收請求時，通過與相應協調器的接口建立連接獲得MAC地址。相反，使用MAC地址在ZigBee網絡中輪流搜索相應設備。這樣增加了搜索過程的復雜性。

為解決上述問題，提出了基于IP的虛擬網絡地址，主要思想是建立一個完整的IP網絡，通過不同的網段來有針對性地訪問各個傳感器結點，從而節省搜索時間。

3.2網絡和數據的安全

該AMR平臺主要是基于無線網絡，這種網絡與有線網絡相比面臨諸多漏洞[8]。比如只要范圍內和知道傳輸頻率的任何人都可以直接訪問網絡，而形成攻擊，常見的攻擊類型有：拒絕服務造成干擾，利用在無線網絡中特別是ZigBee和Wi-Fi網絡，CSMA/CA協議(載波偵聽多路訪問/碰撞檢測)的脆弱性[9]；攻擊數據保密性；重復攻擊；取代端點。

在自動的背景下，取代的端點是最有可能發生的攻擊，因此，必須要建立一定的認證機制，來確保數據的保密性、完整性、可利用性。

3.3認證

短距離段的通信一般是ZigBee或Wi-Fi網絡。ZigBee技術在數據加密過程中，可以使用三種基本密鑰，分別是主密鑰、鏈接密鑰和網絡密鑰[10]。主密鑰是兩個設備長期安全通信的基礎，也可以作為一般的鏈接密鑰使用。所以必須維護主密鑰的保密性和正確性。當在網絡傳輸過程中，采用主密鑰可以阻止竊聽[11]。在CCM*(counter with cipher block chain-ing-message authentication code)加密模式下執AES-128加密算法，保證了通信的安全。在這種模式下，所有的信息都是加密的，兩個點之間的握手，是建立在由一個主密鑰生成的點對點之間。提供了加密、數據完整性檢查和鑒權功能，有較高的安全性，同時避免了內部攻擊。

當使用Wi-Fi時，可以利用目前被認為是安全的Wi-Fi安全標準802.11i(WPA/WPA2)與802.1x認證(EAP)，為加強其安全性，還可以考慮多種機制： IPSec VPN：用以提供公用和專用網絡的端對端加密和驗證；MAC地址過濾：只有經過授權的設備允許訪問網絡，有效控制用戶上網權限；隱藏：隱藏訪問接入點。

3.4網絡容量規劃

網絡容量規劃，根據網絡實際的限制和約束，合理地規劃設備數量、帶寬、網段，使系統在最佳條件下工作，設計過程中主要考慮的參數有：節點數、ZigBee協調器數、集線器數、在每一個網絡段的端點數、每一個ZigBee網絡節點的最大數量、傳感器數目、采樣時間間隔等。

在實際情況下，合理配置上述參數，對網絡的穩定、有效性具有一定的意義。當然還要結合其他參數，如與建筑物間距離，地區通信條件和信號覆蓋等環境條件限制情況等。

4效益分析

北師大校園路燈總計750盞，改造前路燈夜間的12 h全開啟，改造后全校路燈按照18：00～23：00期間路燈全部開啟，23：00到次日2：00路燈隔一亮一，2：00到6：00隔二亮一的分時段間隔開啟運行方案。每盞燈按150 W功率，100盞路燈計算，每日運行12 h，電費按0.5元/kW·h收費，兩種路燈運行方式能耗比較如表1。

表1　百盞路燈運行方式能耗比較

按照上述分時段方案，按照節電率42%，學校路燈750盞節電估算如表2。

表2　全校路燈節能估算

預計可日節電306余kW·h，年節電11.2萬余kW·h。

根據估算，對全校750盞路燈進行分時段開啟投資總額需68余萬元，按照年節省電費5.6萬元(年節電11.2萬余kW·h)計算，投資回收期在13年。

5結語

通過基于無線傳感網絡智能路燈控制平臺構建，分析平臺組網結構、容量規劃、安全與擴展性。建立全校范圍內校園路燈智能化遠程控制方案是可行并經濟的。組網中，傳感器將路燈開關信息采集通過ZigBee網絡將數據傳遞給協調器，協調器再將數據傳遞給集線器，再通過遠距離段無線技術，如Wi-Fi、WiMAX、3G、GPRS將數據傳到數據中心，形成了一個完整的遠程控制系統。該系統能實現路燈分時段間隔開啟，路燈節電率達42%，節省了校園公共照明設施對電能的消耗，經濟效益可觀。

參考文獻：

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[5]劉穎.基于ZigBee和GPRS的遠程無線抄表系統設計與實現[J].科學技術與工程，2012,30(12):8058～8062.

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[9]彭瑜.低功耗、低成本、高可靠性、低復雜度的無線電通信協議Zigbee[J].自動化儀表，2005,5(26):1～4.

[10]楊斌.基于TC和AES的ZigBee標準安全性分析[J].計算機工程與設計,2010,31(11):2439～2441.

[11]ZigBee Alliance document[EB/OL].http://www. zigbee.Org.

Campus Street Light Control System Based on ZigBeeNetwork

Liao Chuncheng,Li Yawei,Yao Jiliang,Yao Nianhui

(DepartmentofLogisticsManagement,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)

Abstract:To reduce the power consumption of campus street lamp,it designs the remote control of opening street lampsin differentperiods of time in colleges and universities.The article has considered the fact that there are varioustypes of street lamps and the scattered distribution of lamps.The article designsan intelligent control system of campus street lamp based on wireless sensor network.Through the ZigBee network,the system realizesthewireless communication,assurance of data security and strong extensibility of user node.Takingintelligent control reformationof campus street lamp in Beijing normal university for example,the result shows that the reasonable planning can realize the automatic remote control ofall street lamps on campus,real-time monitoring and control,and to the planning can recoup its investment in a relatively short time.

Key words:university; wireless sensor;ZigBee network;intelligent streetlight;remote monitoring and control

文章編號：1674-9944(2016)02-0159-03

中圖分類號：TM925

文獻標識碼：A

作者簡介：廖春成(1987—)，男，碩士，助理工程師，主要從事建筑電氣及智能化、電力電子技術、軌道交通電源系統的研究。

收稿日期：2015-12-04