基于物联网技术的城市路灯无线网络监控系统

王 颖

(山西省交通信息通信公司，山西太原030003)

1 城市路灯监控的发展与现状

近年来，随着城市化的高歌猛进，城市照明的建设也蓬勃发展，城区已形成了规模庞大、错综复杂的路灯线路，城市路灯的监控和管理水平虽然也在不断的提高，但远远赶不上城市化的扩张步伐。

国内的路灯监控系统从上世纪80年代末至今，已走过了近二十年，从控制技术方面看，经历了定时控制、经纬度时间控制、光照度控制、光控与时控结合;从监控方式方面看，已经历了本地控制、路灯回路监控二个阶段，现正向单灯远程监控的方向发展;从数据传输方面看，尝试过用电力线、电话线载波的数据传输方式、230MHz专用频道无线数据传输方式、短消息SMS和GPRS/CDMA无线公网数据传输方式等。数据传输是制约路灯监控发展水平的关键环节，以上数据传输方式由于投资高昂，可靠性差，设备繁多，系统复杂，维护难度大，工程量浩大，系统的灵活性、扩展性差等原因均未能投入规模化实用。

目前，全国大部分小城市以及城镇仍然处于本地控制的发展阶段，而大中城市的照明监控和管理已经基本实现了路灯回路的远程监控。但无论上述哪种监控方式，大部分路灯设施均靠人工巡检，或者采取定期更换灯具的办法，造成巨大的人力和设备资源的浪费;集中亮灯时电流、电压的瞬间剧烈变化对专用变压器和灯具造成的巨大冲击，时常造成设备的损害，大大缩短了设备的使用寿命。这与“分时间、分路段、分情景”的智能化管理目标相距甚远，更谈不上根据实际情况科学调度，节能减排，实现绿色照明。

几十年来路灯监控的发展历程和现实需求表明，城市路灯监控管理的根本发展方向是实施单灯级别的远程监控，运用先进的大型计算机和无线网络技术，实现对城市路灯的集中监控，智能调度和科学管理。这其中，最关键的技术环节是数据传输，是解决数量庞大，地域分布广阔的路灯监控点的信息交换，彻底解决“最后1公里、甚至100米、10米”的数据通信问题。

2 城市路灯监控的需求分析

(1)必须实现单灯监控:从路灯监控的发展过程和现实需求来看，单灯监控是必然和必须的选择，否则，调度方式简单，电能浪费，设备资源浪费，维护困难等问题就都不能得到解决。

(2)实现节能减排，绿色照明:众所周知，城市公共照明系统的电能消耗是相当巨大的，据上海市的数据，上海照明用电约占全市用电的33.7%，一般的城市这个比例也在20%以上。因此，大幅降低城市公共照明系统的电能消耗，实现绿色照明，就成为节能减排，建设节能型城市的重要一环［1］。

(3)信息节点数量庞大:每盏路灯就是一个测控点，是信息网络中的一个信息交换节点。现在，即便是中小城市，路灯的数量也数以万计，至于象北上广这样的特大型城市，路灯的数量更是数以百万计。

(4)分布区域广大:路灯分布在城市的每一个角落，分布在几十公里甚至几百平方公里的广大区域，因此需要强大的通讯覆盖范围。

(5)投资成本低:如此庞大的信息节点规模，如果单灯成本不能很低的话，最终的投资规模将是无法承受的。

(6)施工简便，工程量小:对于如此庞大的路灯数量和广大的分布区域，无论是新建还是改造，都必须要求施工简便，现场的工程量小，那种需要大兴土木的方式显然是无法接受的。

(7)可靠性高:事关安全出行的每个人，极高的可靠性要求是对系统的基本要求。

(8)扩展性好:随着城市的发展和规模扩张，监控系统的规模及信息量会越来越大，因此要求系统具有良好的扩展性。

3 Zigbee技术特点

ZigBee技术和RFID技术在2004年就被列为当今世界发展最快，市场前景最广阔的十大最新技术中的两个，是物联网应用最关键的技术之一。众所周知，物联网发展的关键在于解决位于网络末梢的海量信息终端的数据通讯问题，ZigBee就是解决“最后1公里、甚至100米、10米”数据通信的理想技术。

ZigBee是个仿生学名词，来源于蜂群中蜜蜂相互通讯时的螺旋形“Z”字舞蹈，使用免费的工业、科学、医疗专用频段(2.4G －ISM)，它是 IEEE 802.15.4 协议的代名词，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能［2］。其主要特点可以概括为“三低两高”:

(1)近距离:传输范围一般在10～100 m之间，这指的是相邻节点间的距离。通过路由和节点间通信的接力，传输距离可以更远;

(2)低功耗:在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6个月－24个月，甚至更长;

(3)低成本:通过大幅简化协议降低了通信控制器成本(不足蓝牙的1/10)，而且ZigBee的协议专利免费;

(4)高容量:最多可组成65000个节点的大网;

(5)高可靠性:由于采用网状网(Mesh网络)拓扑结构，自动路由，动态组网，直序扩频(DSSS)的方式。因而抗干扰性强，能够很好适应工业自动化控制现场的复杂状况。通常，符合如下条件之一的短距离通信就可以考虑应用Zig-Bee:

①需要数据采集或监控的网点多，有大量终端设备的网络;

②要求传输的数据量不大，而要求设备成本低;

③要求数据传输可靠性高，安全性高;

④要求设备体积很小;

⑤地形复杂，发布区域广大，需要较大的网络覆盖。

对照ZigBee技术的特点和路灯监控的需求，我们不难发现，基于ZigBee的物联网技术是解决单灯监控数据通信问题的理想技术途径。

4 系统设计与实现

4.1 无线网络通信系统的设计

在城市的照明设施中，灯杆沿着道路两侧均匀分布，每个灯杆的距离在25 m～50 m之间，遍布在城市广大的区域之中。据此，我们设计以ZigBee技术构建二级子网，在每杆路灯上安装一个ZigBee通信模块，作为网络中的一个节点，节点与节点之间采用多跳通信协议，通过对等通讯形成自组织网络，解决短距离无线通信的问题;以GPRS技术构建无线骨干网络，解决远距离无线通信的问题。每100～200盏路灯，方圆1～2 km的范围内组成一个二级子网，每个节点通过二级子网，以无线接力的方式与中继器双向数据通信，然后中继器通过GPRS与监控中心的计算机管理系统进行双向数据通信，这样，通过无线接力的方式，最终形成覆盖整个城市的无线网络，从而实现对每一盏路灯的远程监控。

4.1.1基于ZigBee技术的二级子网

Zigbee技术最重要的特点之一就是支持mesh网络。无线Mesh网络(无线网状网络)也称为“多跳(multi－hop)”网络，它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。在传统的无线局域网(WLAN)中，每个客户端均通过一条与AP相连的无线链路来访问网络，用户如果要进行相互通信的话，必须首先访问一个固定的接入点(AP)，这种网络结构被称为单跳网络。而在无线Mesh网络中，任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。数据在网络中自动寻找效率最高的传输路径，直到到达目的地，没有固定的路由。添加或移动设备时，网络能够自动发现拓扑变化，并自动调整通信路由，以获取最有效的传输路径。

图1 Meish网络的拓扑结构示意图

Mesh网络的这些特点和优势特别适合城市路灯监控的需求，通过在每杆路灯上安装一个ZigBee通信模块，就可以自动组成一个理想的物联网应用环境，实现海量节点的数据传输。

4.1.2基于GPRS的骨干网

GPRS特别适用于间断的、突发性的和频繁的数据传输，理论带宽可达171.2 kb/s，实际应用带宽大约在10～70 kb/s，在此信道上提供TCP/IP连接，可以用于INTERNET连接、数据传输等应用。

其主要特点是:

(1)可靠性高:GPRS网络本身具备完善的频分复用机制，并具备极强的抗干扰性能，完全避免了传统数传电台的多机频段“碰撞”现象。

(2)实时性强:GPRS具有实时在线的特性，数据传输时延小，目前GPRS实际数据传输速率在30 kbps左右，完全能满足系统数据传输速率(≥10 kbps)的需求。

(3)监控范围广:GPRS网络已经实现全国范围内覆盖，并且扩容无限制，接入地点无限制，能满足城市路灯的监控需求。

(4)系统建设成本低:由于采用GPRS公网平台，无需建设网络，建设成本低。

(5)系统运营成本低:采用GPRS公网通信，可按数据实际通信流量计费，也可以按包月不限流量收费，从而实现了系统的低成本通信，并且免去了网络维护费用。

因此，GPRS是无线骨干网的理想选择。

4.2 监控系统的设计

监控系统主要包括三个部分:

(1)路灯管理中心中央控制系统:该系统配置于城市照明管理中心，包括计算机系统，数据库系统，监控系统软件，远程网络访问系统和无线传输管理系统，综合运用在线监测、自动化控制、地理信息系统(GIS)、远程无线网络通信等先进技术，建立起一个连接整个城市路灯照明设备网络的无线通信平台、资源管理共享平台与监控管理平台。用户既可以在本地访问服务器，也可以通过网络远程访问服务器。所有的路灯工作状态以及故障报警等历史信息都通过无线网络汇聚到管理中心的数据库以备查询和统计分析，所有的控制指令都可以在管理中心编程后发到位于每盏路灯上的无线监控终端。

图2 监控系统结构示意图

(2)中继器(或子网控制器RPT):中继器采用GPRS公共无线网络与ZigBee无线集群结合的模式，主要由连接公共无线网络的GPRS通讯接口，用于连接有线网络的TCP/IP网络接口，用于连接无线监控终端的基于IEE802.15.4标准的无线通讯模块和ARM控制系统组成。ARM控制器内部自带256K高速FLASH和64KSRAM，在控制器的控制下，由无线终端传送来的路灯监测信息，通过GPRS的方式上传到中央控制系统;由中央控制系统下传的控制指令，通过GPRS的方式下传到中继器，再由中继器的无线通讯模块转发到每个无线监控终端。

图3 中继器原理结构示意图

(3)无线监控终端(TM):无线监控终端串接在每杆路灯的供电回路中，使用路灯的交流220 V供电电源。每个终端配置两路控制开关，由ARM控制器控制通断，从而实现对路灯的开关控制。配套功率可调的整流器，即可实现对高压钠灯的调光，LED光源的调光控制已经内置在终端里。终端内置的电流、电压传感器和通断传感器将采集到的路灯工作状态，电流、电压，功率因数等数据经A/D变换后发送到接近目标的相邻终端，并通过终端之间的通讯接力，汇聚到中继器，然后发送到监控中心计算机系统;同理，由监控中心计算机系统发出的针对具体某一盏灯或变压器的控制指令，通过反向的路径传送到无线监控终端，从而实现对每一盏灯或每一台变压器的控制。

5 软件功能设计

软件功能的设计充分考虑了监控系统现实的需求和未来的发展，采用模块式架构，主要由以下功能模块组成:

图4 无线监控终端原理结构示意图

(1)信息显示查询模块:显示当前的路灯工作状态信息，如路灯的亮灭状态、工作电压、电流、功率因数等，并可以进行统计分析。既可以显示和查询单灯的状况，也可以显示和查询某一回路的状况。用户还可以设定具体区域，查询该区域内路灯的工作状态信息。

(2)控制方案管理模块:用户可以根据不同时段、不同地段、不同情境的照明需求，预设多种自动控制方案，根据需要调用。

(3)人工控制管理模块:用户可以通过人工的方式干预正在执行的控制方案或者直接设定控制命令。

(4)报警显示查询模块:一旦系统检测到路灯故障，或者其他异常情况，在中央控制系统工作站上会有报警提示，用户也可以立刻查询故障的时间、位置等信息，第一时间做出维修响应。

(5)历史记录模块:记录所有的路灯工作状态，技术参数等历史信息，以及控制指令信息，以便总结分析，为科学管理提供强大数据支持。

(6)系统维护管理模块:系统软件的维护和管理。

6 系统特点优势

(1)精确化管理:对整个照明设施的监测和控制从回路一级精确到单灯(杆)，实现了管理上的精准和具体。

(2)智能化管理:通过上位管理计算机系统的软件编程，就可以根据需要实现千变万化的路灯开关组合方案。

(3)大幅节能:当夜深人静，浩如星河的路灯依然照耀着空旷的街道。此时，我们完全可以根据照明需要，灵活地选择关掉其中的部分路灯，实现大幅的节能。系统的调光功能，还可以在后半夜照度要求不高的情况下调低光源的功率，同样达到大幅节能的目的。

(4)投资的节约化:无需铺设专用线缆，只需要在灯头前串接一个小巧的无线监控终端即可以完成系统的改造，在城市管网日益拥挤、金属材料价格日益昂贵的今天，一方面减少施工难度，另一方面节省人力、物力，将有效地降低工程成本。

(5)大幅降低人力资源的需求和人工工作强度:由于系统可以实现自动巡检，故障报警，改人工的现场巡检为监控室等待出警，极大地节约人力和车辆等资源，降低工作强度。

(6)延长照明设施使用寿命，减少电网冲击:系统可以通过计算机编程，逐次点亮每个路灯，避免了集中亮灯关灯时电流、电压的瞬间剧烈变化对专用变压器和灯具造成的巨大冲击。

7 结束语

本文设计实现了一个基于物联网技术的城市路灯无线网络监控管理系统，该系统组网成本低，系统可靠性高，组网的灵活性和扩展性好，网络易维护，可以实现路灯的高度智能化和精确化管理，大幅节能减排，实现绿色照明，具有良好的社会经济效益。同时也可为城市数字化管理提供一种崭新的通讯平台，若再将传感器延伸到城市交通信号灯、城市道路流量监控点、公交汽车等上，便可以实现停车诱导、智能交通等多方面的应用，具有广阔的应用前景和社会效益。目前本系统已经获得国家专利，并在数个城市获得成功应用。

［1］IEEE Std 802.15.4d －2009，Sponsor:LAN/MAN Standards Committee of the IEEE Computer Society［S］.Approved 19 March 2009，IEEE － SA Standards Board，2009.

［2］李铁楠，李景色，孙卫平，等.CJJ45－2006城市道路照明设计标准［S］.中华人民共和国建设部发布，2007.7.