基于ZigBee網絡的城市道路智能照明控制系統設計研究

甘肅有色冶金職業技術學院 劉 航 田建榮

金川集團股份有限公司 吳小娟 吳金娟

目前，城市路燈依舊存在浪費資源、維護不及時等問題，不僅影響民眾的正常出行，還易形成不確定隱患，同時也不符合當前建設綠色城市的發展理念。本文研究的智能照明系統正可以消除部分問題。

1 城市道路照明

道路照明是城市建設中的關鍵組成內容，自動進入網絡時代以來，道路照明也趨向于智能化，并已然成為當前的建設總體趨勢。在城市發展期間，照明關乎整個城市的運轉時長，若其控制設計較為現代化，會予以民眾良好且更加安全的出行空間。但現如今，部分城市的照明控制系統存在一系列問題有待處理，限制著城市發展的腳步。比如，在道路不斷擴建的過程中，道路照明用具持續增加，不僅增加后期運維的費用投入量，還浪費諸多資源，存有諸多負面作用。另外，夜間車流量及行人均會大幅減少，此時路燈依舊如初入夜時繼續明亮，勢必會造成電能的浪費。加之由此導致路燈的長期使用，縮短燈具的使用周期，加劇資源浪費的問題。同時，路燈長期處于露天工作環境中，極易被自然因素影響，導致燈具損壞，喪失照明功能的同時，可能還會形成部分安全隱患，而此類故障無法在第一時間被發現。

運用智能照明系統，可以實現實時掌握照明用具的工作狀態，并了解其內部無法通過肉眼觀察到的隱性問題，可有效處理傳統道路照明工具的弊端。智能照明是借助電力線的載波通訊以及各類通信網絡、ZigBee等，達到節能式的集中管控。在路燈正式投入運營前，會在系統中設定控制程序，包括亮度、警報等單元，以控制電能的消耗，并保證道路交通的安全性，提升對運維費用的管控效果。筆者以ZigBee為主，從該方面研究此類智能系統的設計過程，如圖1所示。

圖1 智能照明控制系統結構圖

2 基于ZigBee網絡的城市道路智能照明控制系統設計分析

2.1 系統總體設計

智能化的道路照明系統中，包括照明燈具的終端節點及相連的無線通信網絡，后臺管控中心。在照明終端節點需和道路中的每個燈具相連，屬于一種網絡化的控制節點。而無線網絡則起到類似于傳感器的作用，借助鏈狀樹形的組織框架，達到連通網絡的效果，多個燈具終端節點和一個網絡節點共同組成道路間的局域網。傳感網絡是借助ZigBee實現相互之間的數據交換。系統實際運轉期間，網關節點會把采集到的信息傳給對應IP服務器，而后發送到相應的后臺管控中心。操作工作者能通過電腦或移動終端接收信息，并通過進一步地信息處理分析，改變控制照明網絡的模式。路燈啟動后，管理員會通過控制程序查看路燈當前的工作狀態，如若發現異常，現場檢測數據會直接通過服務器來到到控制中心，而后，管理員將故障數據傳給維修技術員，故障信息需要包括故障類型、具體故障點等，及時安排技術員到現場處理維護。

2.2 系統硬件選型

在智能照明系統中，硬件通常涉及到ZigBee單元、傳感裝置以及GPRS單元等。筆者本次的系統設計，傳感裝置共選用兩種，即光敏電阻以及光照傳感，并分別負責檢測燈具工作狀態及周邊自然光線強度情況。ZigBee單元中加入CC2530芯片，其包括Z-Stack協議棧，能提高自組網的效率，打造道路燈具的傳感網絡。而上文提到的最后一種模塊，筆者選擇M260模塊，其本身使用性能已經達到工業級，集中無線通訊以及定位功能，借助SIM卡與合作運營商予以的無線通訊，實現遠程設置，快速得到所需的地理坐標數據。此外，借助串口與被監測裝置之間穩定銜接，實現數據通訊。此模塊中包含的協議棧，可利用云平臺或移動終端SDK，提升系統設計的便利性。具體設計如下：

一方面，路燈的終端節點。此部分位于智能系統的末端，其需要為控制中心提供實地數據，借助傳感裝置采集信息。根據控制中心反饋的指令，調整對應的路燈及PWM，以此改變亮度。各終端節點都安裝芯片及光敏電阻、照明燈具。其中光敏電阻是借助對燈具光照信息的采集感知，辨別其的工作狀態，如果發現異常，會直接把異常數據傳至控制中心。燈具則借助芯片調整PWM占空對比燈具亮度，實現智能管控。另一方面，無線網關的節點。其位于智能系統的中心位置，每個節點需要和多個傳感網絡相連，并完成信息交換。道路照明燈具運行期間產生的數據會經過終端達到該節點，并由此傳給服務器后，進入控制中心，管理員查看處理分析數據后，直接將調整指令通過服務器傳輸給網關節點，最終達到路燈末端，執行控制指令。各區的網關節點會有配套的光感傳感裝置，以感知自然條件下光照情況，并傳輸給控制中心加以分析，靈活改變路燈的運行方案。所有網關節點中都包含CC2530、M260以及傳感裝置，并且前兩個模塊是借助串口實現信息通訊，以此滿足ZigBee與GPRS的協議構建。最后的傳感裝置是借助通訊協議完成信息采集工作。

圖2 智能照明系統控制器

2.3 系統軟件程序

智能照明系統中的軟件有信息通訊幀、傳感網絡及控制中心三個部分的軟件程序。為提高收發信息的穩定性，需依托于數據幀，以降低控制中心及系統末端兩處的信息分析難度。同時，傳感網絡應當利用準確地編程，完成對組網模式及外設單元等部分的設計，而控制中心需要功能齊全的操作界面，確保管控程序得以簡化。

首先，通訊數據幀。筆者考慮到智能系統的實際應用，提前規劃系統的控制方案，具體而言，以當地的車流量較大的時間段、多個路燈同時工作及單燈模式工作時間、基于自然條件下的光線照明度三個指標，進行路燈的智能調控。此外，還涉及到末端燈具運行異常的警報數據及對客觀環境的數據采集限制。為保證智能系統擁有穩定的數據傳輸，加入節點指令控制幀以及信息傳送幀，以提高系統程序處理信息的便利性。一方面，指令控制幀，其應用在系統控制中心，通過無線網絡下達控制指令，以此操控終端節點，開關道路上的燈具，達到調整亮度及群組的目的。此部分的控制幀包括四個字節，各自負責開關、控制方案、節點號數據以及亮度調節工作。另一方面，節點信息傳送幀，其傳送的信息有光照情況、路燈異常數據，并借助井字符號進行分隔，實現同時顯示兩個信息的目的。控制中心在獲取由此傳送的信息后，需要通過拆解字符串，進行歸類整理，最終顯示在操作界面上，經過辨別分析后處理并解決問題，下達執行指令。

其次，終端節點的軟件設計。此節點主要的工作是實時采集路燈當下的工作狀態，而后借助傳感網絡將數據傳送至網關節點。在獲取控制中從網關節點傳達的執行指令后，會先進行數據解析，判斷指令具體的意圖，而后完成對色路燈的調整任務，并發送PWM調整后的路燈工作信息。再次，網關節點的軟件設計。該節點需進行上電初始化設置，并確定適宜穩定的信道，完成網絡構建后，才會開啟監控工作。運用控制終端節點，并配以傳感網絡中的協調裝置，和光照傳感裝置建立聯系，實現對路燈所處的光照條件數據進行感知收集，之后將實地獲取的數據利用串口，傳送至GPRS單元后，進入相連服務器。而后終端節點會反饋照明用具當前工作情況數據，協調裝置接受后，利用串口完成轉發動作。在GPRS單元獲取到控制中心下達的執行指令時，會借助串口將信息轉發給協調裝置，由此借助系統內的廣播，將信息發送至區域網結構內的所有終端節點，并完成管理命令的內容操作。

最后，控制中心的軟件設計。控制中心地運作是依托于遙感傳輸平臺，其屬于一種即時的通訊協議，利用IBM云計算技術得以構成實現，在物聯網中具有較高的地位。此協議能應用在現有的全部平臺上，推動集約化管控，可以實現系統內全部的物品與外部建立聯系，在傳感裝置及制動裝置中均有應用。筆者的智能控制軟件，實現利用移動終端進行操作，并能實現信息的動態更新。管理員能直接查看控制中心界面，掌握系統末端設備的工作狀態，采取自動或手動的模式，完成對路燈的管控調整。在此期間，如果出現異常數據，軟件程序會立即發出提醒信號，通過使用電子地圖準確定位到對應的路燈，以便及時找到故障路燈，完成維修。

結束語：筆者設計的照明系統是依托于ZigBee以及GPRS實現，配以服務器及遙感控制中心。系統通過檢測后，基本達到預期的成效，具有故障識別準確、通訊效率高等優勢，可用于智慧城市建設，提升城市管理水平。