基于異構網絡的城市道路照明管控一體化系統實現

江西省新能源工藝及裝備工程技術研究中心（東華理工大學） 何俊劍 羅先喜

基于異構網絡的城市道路照明管控一體化系統實現

江西省新能源工藝及裝備工程技術研究中心（東華理工大學） 何俊劍 羅先喜

針對路燈分布范圍廣，管理困難。大量路燈不能根據實際道路的需求自動調節的問題，本文提出一種遠程管控路燈的控制系統方案。該方案采用Internet，3G和ZigBee共存的異構通訊網絡技術遠程測量路燈工作電壓、電流和功耗等數據，遠程監控路燈的工作狀態，同時根據實際環境對照明的需求遠程控制路燈的開關及照明亮度的調節，實現智慧照明。在ZigBee路燈節點加裝傳感器模塊，檢測照度、溫度等感應環境變化狀況，使路燈根據環境變化自動控制路燈系統的開關；通過ZigBee技術自組網進行節點間數據無線通訊，等實現智能監控路燈系統方案，通過本項目的實施，實現城市路燈的單燈實時遠程監控和管理，提高路燈管理維護效率、降低運行成本，提高城市路燈管理水平。

城市；道路照明；ZigBee技術；遠程監控

1.傳統道路照明存在的問題

路燈是一座城市必不可少的最常見的基礎設施，但現有的傳統路燈智能化程度和穩定性都相對較低，僅僅只提供亮度這單一的功能，無法完全滿足實際道路的需求和遠程管理監控，給路燈系統的管理和維護造成很大的困難。傳統路燈系統伴隨著開關燈控制方式單一，因為天氣季節等變化產生的日出日落時間不一樣，使亮燈時間不準確；路燈的分布范圍特別廣，當出現損壞情況時無法找到故障路燈所在位置，導致巡查相當困難；處理故障路燈時，需要長時間的檢查才能夠解決故障問題，不能像智能路燈系統實時監測出路燈使用狀態和智能判斷故障點，造成不能及時的進行處理，亮燈率無法把控等問題；將路燈通過ZigBee技術相互連接，利用Internet/3G技術將路燈與管控平臺進行連接，組建成無線遠程監控路燈網絡，實時監控路燈運行狀態及根據不同使用環境進行自我模式調節，有效的提高路燈的使用效率和功能效率，使照明系統更多元化和靈活性。

2.異構網絡

異構網絡是為了滿足未來通信多樣性而產生，無線通信系統采用了不同的接入技術，將兩種技術進行融合嵌入系統，各自發揮其優勢進行互補，本系統采用的是ZigBee與Internet/3G進行異構融合，利用3G/Internet技術彌補ZigBee技術低速率和超長距離傳輸方面的劣勢，ZigBee技術彌補3G技術大規模組網成本高等不足。

本系統采用ZigBee網絡技術對路燈進行管控通訊， Zigbee聯盟如今已有200多家成員加入，隊伍仍在不斷發展壯大，技術的發展和硬件設計制造的前景是相當大的。ZigBee無線網絡通訊技術具有低功耗、低復雜度及自組織等特點，相對與其他無線網絡通訊技術對于城市路燈的控制不管在成本還是在控制上都是非常有優勢。其動態路由的自組織網特性可以自動解決路燈節點鏈中某一節點故障導致的通訊中斷問題，其網絡層的路由具有大規模組網的特性，能夠合理的解決路燈數量大、分布廣的問題，節點加入網絡的速度響應十分迅速，支持組播、廣播等方式，對終端應用帶來有力的支持，低功耗的特點對于城市照明系統在節約電能特別有幫助，2節5號干電池足夠支持一個節點設備6-24個月，如果系統加入休眠狀態功能能夠使用更長時間，能夠對設備維護方面和人力方面減輕不少負擔。

Internet/3G網絡是高速數據傳輸的通訊技術，將其加入系統中保證組織架構更加科學合理的運行，其速率一般在幾百kbps以上，可以同時傳輸聲音及數據信息，能夠實現一對一和一對多的傳輸方法，信息的傳輸十分穩定迅捷，目前基本全球覆蓋，對于城市道路照明系統隨時隨地查看運行狀況十分有利。

3.基于異構網絡的管控一體化平臺框架

圖1 基于異構網絡的管控一體化平臺框架圖

本系統由集中臺、分控中心、集控器三個部分構成整個系統。

3.1 集中管控平臺

相當于人的大腦，在整個系統中起著核心的作用，監控整個系統的運營狀況，將報警信息傳輸至大屏幕顯示，將數據保存至云服務器，生成日/周/月狀況報表等。

3.2 分控中心

分控中心是集中管控平臺的一小部分，為了達到更精確的控制和減輕集中管控平臺壓力的目標而設立，幫助集中管控平臺對數據進行處理，在信息傳輸過程中也能夠更大的防止信息的丟失，提高管控系統的使用和檢測效率。

3.3 集中控制器

集控器就像一個小組長，管理著一組路燈，當需要對單燈進行控制時，上位機將命令傳輸至集控器，就可以對單個路燈進行開關、模式、運行數據等進行管控。

4.硬件結構及工作原理

4.1 集中控制器

路燈系統內集中控制器包括對各路燈控制節點發送的數據進行接收，分析各數據是否超過報警值，若超過則立馬將數據其發送給監控中心，若未超過則固定時間發送給監控中心，實現對所控路燈的監控。

集中控制器包括照度傳感器、煙霧傳感器、雨雪傳感器等感知系統，根據不同的天氣變化，給路燈節點發送指令進行燈光亮度的調節；同時接收各路燈的狀態信息，對路燈進行電流、電壓數據采集，若數據有異常，能夠將發出該路燈特有的唯一編號和報警信號一層一層往上傳遞到監控中心顯示。

4.2 通信系統

采用雙層異構網絡：底層Zigbee,上層網絡為3G/Internet商業公共網絡。節點控制器間采用樹狀多跳組網方式，因每個節點控制器在網絡中的地位相同，都具有路由功能，則可自由互換，實現接力傳輸；組建的ZigBee樹狀多跳網絡，具有自愈功能，網絡中除集中控制器外任何一個或多個節點損壞，子系統能夠重新發起路由，跳過故障節點，建立新的網絡使節點再次加入，不影響整個網絡的功能。

4.3 集中管控平臺

硬件包括云端服務器、大屏幕、軟件。

4．3．1 服務器

CPU核心不低于八核，網絡控制器雙端口自適應千兆網卡，可拓展四口千兆網卡，內存容量不小于2GB，硬盤容量不少于2T。

4．3．2 監控中心軟件

采用Windows2012/2003這一安全性和穩定性最好的操作系統，配置SQL Server2008數據庫平臺，采用C/S+B/S架構，支持瀏覽器/服務器查詢模式，支持IE6以上版本兼容瀏覽。

4．3．3 大屏幕

應用GIS平臺，可以進行編輯管理，主控箱、單燈等組件可自由添加、編輯。組件的添加采用直接輸入坐標定位和鼠標拖曳和方向鍵微調的方式定位兩種方式。

5.智能路燈系統可實現功能

（1）可實現管控平臺對單燈遠程監測電壓、功耗等數據，控制開/關并可調節燈具亮度。

（2）可根據傳感器采集數據并數據融合后模擬的天氣環境、人車流量環境，實現不同環境下自動開/關路燈和調整燈具亮度，保證使用需要。

（3）具有路燈故障檢測功能，當有路燈損壞，可以進行聲光報警，并將故障路燈的具體位置

以及故障路燈當時電流、電壓等數據發至管控平臺，方便維修人員及時找到故障點。

（4）具有數據統計和存儲功能，對路燈用電量、亮燈率和功耗等數據進行存儲，并可查詢歷

史記錄，自動生成日/周/月/年報表數據。

（5）系統具有休眠狀態，降低系統功耗和運營成本。

6.具體功能的實現方案

6.1 路燈監控的實現

區域控制器、街道控制器、路燈節點控制器全部由ZigBee平臺分成三級進行構建，區域傳感器通過ZigBee電路接收監控中心的數據包指令，然后建立網絡，附近相應路燈節點加入到此網絡中，最后對加入區域節點的路燈節點，以廣播方式發送集控器的數據包指令，路燈節點根據指令表判斷指令，再進行相應的操作，對路燈進行開關或數據采集功能，達到由集控器控制某一具體路燈的功能。

6.2 通訊系統的實現

智能照明系統集控器與監控中心之間的通訊運用的是3G模式，眾所周知3G網已遍布全球，具有靈活性、高速性和可升級性的優點，支持高速數據傳輸的移動通訊技術；路燈節點與集控器之間的通訊實現依托在ZigBee無線通訊技術的基礎上，這一技術在近距離無線通訊領域廣泛應用，功耗小、網絡結構靈活、成本低的優點，節點的電源甚至可以用干電池進行維持好幾個月，由于其網絡拓撲結構靈活，即使某一節點若出現問題仍可保持系統信息的正常傳遞。

6.3 系統集成的實現

系統的集成包括串口配置、Zigbee讀取及配置、路燈調試、井蓋調試、泵站調試。通過串口配置界面設置相應的串口配置參數；通過Zigbee 的配置程序可讀取Zigbee模塊的網絡ID號、波特率、網絡地址、MAC 地址，可以方便的設置Zigbee模塊的網絡ID號、波特率；通過路燈調試界面可以讀取該街道路燈的環境光強、路燈光強、功耗、是否故障等信息，可以對該路燈進行調光測試及設置該路燈工作時間；確保各部分運行在正常范圍內。

7.經濟與社會效益

城市智能管理系統投入使用，能帶來巨大的社會效益，大大減少由于管理得不足，維護不及時所造成的交通事故，意外事故，人員傷亡。

此系統在路燈方面展現動態智能化管理，根據天氣變化或者人與車的流量自動變化不同的模式，天氣晴朗則降低路燈照度，能夠更加節約電能，人車流量高則提高路燈照度，提高使用的合理性，使電力資源更加合理的利用；通過系統調節后的路燈沒有長期處在高強度工作，能夠延長路燈的使用壽命，減少了路燈的維修費用，于此同時，不同模式下的路燈能夠使人們的生活更加便利，小巷胡同內也將處于燈火通明的狀態，路燈的調節模式能夠在霧霾嚴重時提高亮度，讓每一位司機看清前方，減少事故的發生率，系統對于路燈調節能夠達到節約電能的目的，減少的維修費用也能夠使資源更多的注重于使群眾更加便利的其他基礎設施服務；一套完整的智慧城市系統使人民的生活更加有保障，能夠更加專注的投入社會的建設，讓這座城市更加的具有歸屬感以及獨特的魅力。無論從節能環保，還是經濟、社會效益的角度看，智能路燈的建設都具有長遠而深刻的實際意義。

8.結論

本系統采用Zigbee協議實現了路燈控制系統的實時監控和網絡化管理。系統網絡擴展靈活、現場易于安裝，操作界面友好、管理方便。全程采用無線控制，免布線。對路燈的控制可按設計的時間進行合理控制，實現全年365天每天精確的開關燈時間，可以把全年節假日的特殊開關燈時間進行設置，有突發事件時，可以設置臨時時間方案，并可根據當地的天氣情況適時亮滅燈。路燈的遠程智能化控制節約電能，大大減少了管理部門的工作壓力、提高管理效率。從社會效益和可行性分析，都要比原城市管理系統更完善，更智能，更高效。智能路燈遠程無線智能化控制是大勢所趨。智能化和網絡化控制路燈是未來路燈控制的發展方向和必然趨勢。隨著技術的進步和城市發展的需求，無線傳感節點集成度會越來越高，價格會越來越低，智慧城市控制系統的功能會越來越多，自動化管理和無線通信技術的結合應用也必然會越來越廣泛。

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何俊劍（1993—），男，湖南益陽人，碩士研究生，研究方向：嵌入式系統與自動控制。

本項目得到中國留學基金委（No．201508360120）；江西省基金項目（JXNE2014-14，GJJ13466，GJJ13467）資助。