基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的校園路燈控制系統(tǒng)

廖春成，李業(yè)偉，姚繼良，姚念會

(北京師范大學(xué) 后勤管理處，北京 100875)

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基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的校園路燈控制系統(tǒng)

廖春成，李業(yè)偉，姚繼良，姚念會

(北京師范大學(xué) 后勤管理處，北京 100875)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)對高校路燈遠(yuǎn)程進(jìn)行分時(shí)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(diǎn)，在校園內(nèi)建立了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路燈智能控制系統(tǒng)，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無線通信傳輸，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全，用戶節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展性強(qiáng)。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(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)對校園所有路燈自動遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制，并在較短時(shí)間內(nèi)收回投資。

關(guān)鍵詞：高校；無線傳感器；ZigBee網(wǎng)絡(luò)；智能路燈；遠(yuǎn)程監(jiān)控

1引言

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

傳統(tǒng)校園路燈控制方式有多種。電力線載波進(jìn)行信息傳輸(北師大路燈改造前就是這種方式)，GPRS和CDMA遠(yuǎn)程無線通信傳輸，是目前實(shí)現(xiàn)公共路燈遠(yuǎn)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(yuǎn)程智能控制，但在信息傳輸、節(jié)能環(huán)保和運(yùn)行成本上有一定缺陷[1]。近年來隨著技術(shù)更新，新的通信系統(tǒng)進(jìn)入市場。無線網(wǎng)絡(luò)也不例外，并且這些技術(shù)更多地出現(xiàn)在人們現(xiàn)實(shí)生活中。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，做為無線網(wǎng)絡(luò)的一種新型網(wǎng)絡(luò)，能低成本實(shí)現(xiàn)短距離無線通信，具有一定的工程價(jià)值。相對于其他無線網(wǎng)絡(luò)(GPRS、WiMAX、ADSL)更合適多用戶通信[2，6]。

構(gòu)建基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)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(shí)間間隔地開啟路燈，從而降低電能消耗，達(dá)到節(jié)能目的。北京師范大學(xué)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(wǎng)絡(luò)構(gòu)建形成的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可隨時(shí)修改路燈控制方案。改造后平均每年可節(jié)省電量 11.2萬kW·h，直接產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益5.6萬元。

2平臺構(gòu)建

通過建立一個(gè)對校園路燈執(zhí)行遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺，提高自動化水平，減少管理人員運(yùn)營支出，同時(shí)節(jié)省路燈電能損耗。平臺運(yùn)用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訪問，不需要在周圍部署昂貴的有線基礎(chǔ)設(shè)施，降低資源消耗。

2.1特點(diǎn)和要求

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)對校園路燈的智能化控制，從而滿足對路燈分時(shí)段間隔開啟。這種網(wǎng)絡(luò)的建立有著一定的應(yīng)用和技術(shù)要求。

2.1.1應(yīng)用要求

(1)節(jié)點(diǎn)識別。正確識別網(wǎng)絡(luò)端點(diǎn)，并關(guān)聯(lián)到一個(gè)特定用戶。

(2)節(jié)點(diǎn)移動。一般無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要特征。實(shí)際案例中大多是端點(diǎn)不動情形。

(3)能源消耗和電池壽命。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(kuò)展性。未來隨著路燈數(shù)目的增加，很可能需要新端點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)。因此應(yīng)考慮不需要執(zhí)行特定技術(shù)設(shè)計(jì)與改造情況下，自動加大網(wǎng)絡(luò)。

(5)可靠性。平臺的基本要求，網(wǎng)絡(luò)受到攻擊或意外掉網(wǎng)，數(shù)據(jù)信息不應(yīng)丟失或被篡改。

2.1.2技術(shù)要求

(1)識別設(shè)備?；赯igBee技術(shù)的無線終端，有兩種可能的設(shè)備地址：64位MAC預(yù)編碼地址和16位網(wǎng)絡(luò)地址。其中第一個(gè)是唯一的，通常當(dāng)作一個(gè)設(shè)備加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。第二個(gè)是一個(gè)很短的地址，用來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)路由。

(2)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。ZigBee網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)(ZigBee)設(shè)備最大數(shù)量是100，是一個(gè)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(shè)備內(nèi)置于路燈桿內(nèi)，減少裝置所占空間。

(4)協(xié)調(diào)器限制。一個(gè)集線器最多只能與四個(gè)協(xié)調(diào)器直接連接。

2.2構(gòu)架

單燈控制器與傳感器安裝在每一個(gè)路燈桿里，控制器與一個(gè)傳感器連接。傳感器通過無線接口連接到協(xié)調(diào)器的專用設(shè)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(wù)器(圖1)。

如圖1中，將整個(gè)路徑分為兩段，從端點(diǎn)到集線器作為短距離段，從集線器到管理服務(wù)器作為長距離段，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)包括四個(gè)部分，每個(gè)部分彼此間相互聯(lián)系，分別扮演著不同的角色，組合完成自動控制的整個(gè)過程。

(1)端點(diǎn)。作為網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)元，實(shí)現(xiàn)了用戶定點(diǎn)的物理邏輯轉(zhuǎn)換，從而與單燈控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)的現(xiàn)場交互。

圖1路燈控制系統(tǒng)構(gòu)架

(2)協(xié)調(diào)器。負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)，給結(jié)點(diǎn)成員按照一定規(guī)則分配網(wǎng)絡(luò)地址，負(fù)責(zé)創(chuàng)建并維護(hù)一個(gè)局域網(wǎng)并實(shí)現(xiàn)路由功能。

(3)集線器。負(fù)責(zé)收集和匯總幾個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有端點(diǎn)信息。為端點(diǎn)和服務(wù)器平臺的通訊，提供邏輯接口。

(4)管理服務(wù)器。作為服務(wù)器平臺，負(fù)責(zé)儲存結(jié)點(diǎn)開關(guān)數(shù)據(jù)，路燈開啟時(shí)間及方案設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)智能化管理的數(shù)據(jù)平臺。

短距離段通常對應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，通過串行或通過Wi-Fi直接連接到一個(gè)集線器。集線器收集所有區(qū)域內(nèi)路燈開關(guān)信息，再通過長距離段將數(shù)據(jù)反饋給服務(wù)器。ZigBee是一種低成本、低功耗的無線技術(shù)，在定位和流量使用上非常適合這個(gè)網(wǎng)絡(luò)要求。若集線器距離ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端較遠(yuǎn)時(shí)，可以用Wi-Fi來實(shí)現(xiàn)集線器與ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端間的數(shù)據(jù)傳遞。

長距離段是集線器與服務(wù)器之間數(shù)據(jù)橋梁，一般可由GPRS?、UMTS、 Wi-Fi、WiMAX通信技術(shù)組成。它將所有信息匯總，傳給管理服務(wù)器。

當(dāng)然目前還有一些其他的通信方式來實(shí)現(xiàn)上述數(shù)據(jù)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(gè)端點(diǎn)。直接使用GPRS連接每一端點(diǎn)，特別是規(guī)模宏大的時(shí)成本比較高[7]。PLC具有一定帶寬的限制使用不夠靈活，同時(shí)還需要有線來支持，材料使用和改造及其不方便。

3組網(wǎng)關(guān)鍵

要能夠成功地獲得所有的路燈開關(guān)信息，并能使系統(tǒng)的成本、可靠性、可擴(kuò)展性和其他都具有相對的優(yōu)越性。關(guān)鍵主要集中在三個(gè)方面：傳感器的識別是否正確。讓管理服務(wù)器能正確識別到每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)絡(luò)是否安全。建立一定的認(rèn)證機(jī)制，確保數(shù)據(jù)保密、完整、可利用；容量規(guī)劃是否合理，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模設(shè)計(jì)一定數(shù)量的集線器、協(xié)調(diào)器、傳感器等。

3.1傳感器的識別、尋址和命名

當(dāng)對每一個(gè)傳感器結(jié)點(diǎn)進(jìn)行訪問時(shí)，ZigBee通過搜索所有路徑，分析它們的位置關(guān)系以及遠(yuǎn)近，然后選擇其中的一條路徑與該傳感器結(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)一條路徑發(fā)生擁擠或者是斷開時(shí)，立刻分析下一條路徑，直到搜索到相應(yīng)的傳感器結(jié)點(diǎn)。

這種搜索的方法存在一些潛在的問題，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，數(shù)據(jù)訪問效率會降低。每次管理服務(wù)器要與客戶結(jié)點(diǎn)建立聯(lián)絡(luò)時(shí)，它首先必須查閱數(shù)據(jù)庫獲取相應(yīng)設(shè)備的MAC地址。這樣當(dāng)管理平臺為了與某個(gè)端點(diǎn)建立聯(lián)系，首先必須發(fā)送請求到每一個(gè)集線器，一旦一個(gè)集線器接收請求時(shí)，通過與相應(yīng)協(xié)調(diào)器的接口建立連接獲得MAC地址。相反，使用MAC地址在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中輪流搜索相應(yīng)設(shè)備。這樣增加了搜索過程的復(fù)雜性。

為解決上述問題，提出了基于IP的虛擬網(wǎng)絡(luò)地址，主要思想是建立一個(gè)完整的IP網(wǎng)絡(luò)，通過不同的網(wǎng)段來有針對性地訪問各個(gè)傳感器結(jié)點(diǎn)，從而節(jié)省搜索時(shí)間。

3.2網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)的安全

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

在自動的背景下，取代的端點(diǎn)是最有可能發(fā)生的攻擊，因此，必須要建立一定的認(rèn)證機(jī)制，來確保數(shù)據(jù)的保密性、完整性、可利用性。

3.3認(rèn)證

短距離段的通信一般是ZigBee或Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。ZigBee技術(shù)在數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)密鑰[10]。主密鑰是兩個(gè)設(shè)備長期安全通信的基礎(chǔ)，也可以作為一般的鏈接密鑰使用。所以必須維護(hù)主密鑰的保密性和正確性。當(dāng)在網(wǎng)絡(luò)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(zhí)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(gè)點(diǎn)之間的握手，是建立在由一個(gè)主密鑰生成的點(diǎn)對點(diǎn)之間。提供了加密、數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，有較高的安全性，同時(shí)避免了內(nèi)部攻擊。

當(dāng)使用Wi-Fi時(shí)，可以利用目前被認(rèn)為是安全的Wi-Fi安全標(biāo)準(zhǔn)802.11i(WPA/WPA2)與802.1x認(rèn)證(EAP)，為加強(qiáng)其安全性，還可以考慮多種機(jī)制： IPSec VPN：用以提供公用和專用網(wǎng)絡(luò)的端對端加密和驗(yàn)證；MAC地址過濾：只有經(jīng)過授權(quán)的設(shè)備允許訪問網(wǎng)絡(luò)，有效控制用戶上網(wǎng)權(quán)限；隱藏：隱藏訪問接入點(diǎn)。

3.4網(wǎng)絡(luò)容量規(guī)劃

網(wǎng)絡(luò)容量規(guī)劃，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際的限制和約束，合理地規(guī)劃設(shè)備數(shù)量、帶寬、網(wǎng)段，使系統(tǒng)在最佳條件下工作，設(shè)計(jì)過程中主要考慮的參數(shù)有：節(jié)點(diǎn)數(shù)、ZigBee協(xié)調(diào)器數(shù)、集線器數(shù)、在每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)段的端點(diǎn)數(shù)、每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的最大數(shù)量、傳感器數(shù)目、采樣時(shí)間間隔等。

在實(shí)際情況下，合理配置上述參數(shù)，對網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定、有效性具有一定的意義。當(dāng)然還要結(jié)合其他參數(shù)，如與建筑物間距離，地區(qū)通信條件和信號覆蓋等環(huán)境條件限制情況等。

4效益分析

北師大校園路燈總計(jì)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(shí)段間隔開啟運(yùn)行方案。每盞燈按150 W功率，100盞路燈計(jì)算，每日運(yùn)行12 h，電費(fèi)按0.5元/kW·h收費(fèi)，兩種路燈運(yùn)行方式能耗比較如表1。

表1　百盞路燈運(yùn)行方式能耗比較

按照上述分時(shí)段方案，按照節(jié)電率42%，學(xué)校路燈750盞節(jié)電估算如表2。

表2　全校路燈節(jié)能估算

預(yù)計(jì)可日節(jié)電306余kW·h，年節(jié)電11.2萬余kW·h。

根據(jù)估算，對全校750盞路燈進(jìn)行分時(shí)段開啟投資總額需68余萬元，按照年節(jié)省電費(fèi)5.6萬元(年節(jié)電11.2萬余kW·h)計(jì)算，投資回收期在13年。

5結(jié)語

通過基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)智能路燈控制平臺構(gòu)建，分析平臺組網(wǎng)結(jié)構(gòu)、容量規(guī)劃、安全與擴(kuò)展性。建立全校范圍內(nèi)校園路燈智能化遠(yuǎn)程控制方案是可行并經(jīng)濟(jì)的。組網(wǎng)中，傳感器將路燈開關(guān)信息采集通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳遞給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再將數(shù)據(jù)傳遞給集線器，再通過遠(yuǎn)距離段無線技術(shù)，如Wi-Fi、WiMAX、3G、GPRS將數(shù)據(jù)傳到數(shù)據(jù)中心，形成了一個(gè)完整的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)路燈分時(shí)段間隔開啟，路燈節(jié)電率達(dá)42%，節(jié)省了校園公共照明設(shè)施對電能的消耗，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

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[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(xiàn)標(biāo)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(shù)、軌道交通電源系統(tǒng)的研究。

收稿日期：2015-12-04