基于无线传感网络的智能路灯照明系统分析

孔令荣，王 昊

(南京理工大学泰州科技学院 电子电气工程学院，江苏 泰州225300)

1 课题背景

当代社会，城市路灯照明/景观照明建设不仅带给人们光明与视觉享受，也成为展现城市魅力的重要窗口，但在带来明亮、绚丽色彩的同时也带来了诸多，如:管理、费用、用电、电缆被盗等问题。

灯光照明用电消耗约占总用电量的20%，降低用电消耗是节约能源的重要途径。目前我国为实现可持续发展，大力发展绿色照明。关于绿色照明目前市场上主要是针对LED节能光源产品进行开发，而城市照明系统是一个具有潜力的绿色照明系统，通过智能照明控制装置，合理调整照明时间，不仅可以节省照明系统20%以上的用电量，照明灯具的使用寿命也得到了较大幅度的延长，同时也降低了管理费用。

但是，当前国内外对于路灯照明系统科学高效的控制和资源整合产品较少，功能不全，而基于短距离无线通信技术的LED路灯远程控制方案正是根据目前国内现状而生的产物。LED照明技术是一种高效能、环保、安全、耐用的新型照明技术。普通路灯用的荧光灯和HID灯虽价格便宜，但光效低、寿命短、维护工作量大，若使用LED，不仅光效高，且寿命长，目前水平可连续工作时间10 000 h以上，大幅减小维护工作量。另外LED光源还具有使用低压电源、耗能少、适用性强、稳定性高、响应时间短、体积小、对环境无污染、坚固耐用、多色发光等优点，虽价格较贵，但仍被认为其将取代现有照明器件。

ZigBee［1］技术是一种新兴的短距离低速率低功耗的无线网络技术。ZigBee的基础是IEEE 802.15.4协议。该技术在完全采用IEEE802.15.4标准的物理层和媒体接入控制层的基础上规定了网络层和支持的应用服务。ZigBee可以工作在868 MHz，915 MHz和2.4 GHz3个频段上。国内采用2.4GHz频段。该频段是全球通用的免付款、免申请的工业、科学、医学(ISM)频段。其数据传输速率为250 kbit·s－1。ZigBee技术的标准传输距离为75 m，在增加了RF发射功率后，可增加到1～3 km。

基于ZigBee技术和LED光源的路灯系统，是一种自动化成度高、高效节能的城市照明系统。LED光源是一种高效能、环保、安全、耐用的新型照明光源，而无线控制技术［2］可以对路灯照明系统进行科学高效的控制和资源整合，合理调整照明时间，不仅可以节省照明系统的用电量，还可以延长照明灯具的使用寿命，减少日常维护的开支。

2 无线LED路灯远程控制方案设计

为使设计的系统能够满足路灯控制的要求，具备较强的应用价值，对项目进行了详细了解了路灯照明和控制领域的发展现状和需求，分析了ZigBee无线传感器网络在路灯控制领域的应用前景。根据已知的情况，完成项目的需求分析，对产品的功能和结构做出了整体性规范。

2.1 控制系统应用需求

根据调查，目前路灯控制方式有人工控制方式、时控方式、电力载波控制、GPRS控制等。这些控制方法各有利弊。以电力线载波方式为例，将路灯控制信号调制在输电线上控制路灯，会在用电高峰时刻控制信号占用电力线容量，使得控制信号无法正常传送到线路上，不仅在用电高峰状态下不能实现路灯控制，严重时还会影响整体照明亮度。

基于无线传感网络的无线LED［3］远程路灯控制系统正是应对现有路灯控制手段不足而设计的。目前LED路灯和无线控制器的价格较高，远程控制无线LED路灯系统的造价与传统有线控制的白炽灯或荧光灯价格相差较大，在设计和制造的过程中必须通过各种途径降低制造成本。

LED驱动只占LED照明系统成本的一小部分，但它关系到整个系统性能的可靠性和效率。LED驱动的主要要求有:驱动器应该要有较高的功率转换效率，目前高的功率转换效率可达80%～90%。驱动电路要满足安全要求，有完善的保护电路，如低压锁存、过压保护、过热保护、输出开路或短路保护。驱动器可对LED的亮度进行调节，提供PWM或线性调光［4－5］。

无线组网选用的无线协议和传输模块，必须要经济可靠、功耗低，方便远程控制。ZigBee网络是一个短距离的数据网络，其网络中转和节点设置是难点。为保证网络设置的健壮性和可靠性，应该使用ZigBee网状拓扑结构，使网络有充分冗余。ZigBee是一个低速率低功耗的WSN网络，工作在2.4 GHz公共频段，外界干扰大，抗干扰性能主要依靠协议机制保证，所以设计通信协议时需要考虑到抗干扰性和可靠性，确保控制准确可靠［6］。

2.2 硬件平台需求分析

系统中各个节点组成了系统数据传输的硬件平台，是实现路灯检测控制功能的基本保障。所以在设计总体方案前，需要对节点硬件应具备的性能做出分析。首先，MCU是整个硬件节点的核心，其性能应当满足:(1)处理速度快、拥有较大的储存空间、功耗低、集成度高，减少外围器件和可靠性好。(2)无线收发模块负责数据的传输，其应该为数据可靠、稳定的传输提供保证。除了上述两方面外，节点上使用的传感器也是必须考虑的因素，因为其直接影响着传感器节点的体积和性能。最后在搭建硬件平台时，还应考虑系统的扩展性和成本问题。

2.3 软件平台和路灯节能控制策略

无线LED远程路灯控制系统网络的软件是在无线通信协议的基础上开发的。其协议应该支持多设备加入、自动组网、路由转发跳转。节点应能自动采集路灯运行情况的各种数据，并可靠地传输数据。当传输距离超过了通信距离时，能够以多跳方式传输数据［7－9］。

从以上方向可以看出，选择一种合适的无线通信协议，对于整个系统的性能至关重要。然而，目前具有良好组网性能的短距离通信协议较少，而且许多使用费用较高。ZigBee技术的出现，为人们构建无线传感器网络提供了一种理想的选择。采用ZigBee无线网络，通过众多节点的无线组网从而构成一个基于ZigBee的无线传感器网络(WSN)，这样不仅省去了架设线路的费用，维护管理开支也相对较低。

为减少路灯电能消耗，可以通过光敏传感器根据周围亮度的高低，调节路灯功率的大小，远程控制隔盏照明。除了针对单盏路灯基于时间和亮度的节能控制，还可通过大区域道路照明的节能策略算法，达到节能的目的。例如可设定程序自动执行也可人工随机管理在晚上6点钟将马路上的单号灯或者双号灯开关;到晚上24点以后，调节到半亮度或1/3亮度状态以节约电能;早上5点钟全部关闭;使用光敏传感器，在阴雨天或沙尘暴等恶劣天气下及能见度极低时，ZigBee控制器可自行控制开启其照明状态;另外及时位置报警功能可使路灯受损坏时无需人工巡视道路检测即可自动提示给检测人员进行准确定位，取代了人车传统的巡视道路这一大成本投入的老模式，使得现代无线技术更加节能和“人性化”。无线路灯控制器可将采集电流、电压、功率因素等参数，通过无线智能控制方式传输到控制中心，为节能等评估打下基础。

2.4 系统指标要求

容纳路灯数:每个无线LED路灯远程控制系统控制路灯应不＞1000盏。控制范围应覆盖至少1 km2。

组网延时:在单个协调器情况下，组网用时在20 s以内。控制延时:信息在路灯和协调器之间的传输延时应在10 s以内，保证控制的实时性。

数据传输速率:在无遮挡物环境下10 m左右速率为250 kbit·s－1;空旷环境下30～75 m距离速率为40 kbit·s－1;300 m速率为20 kbit·s－1。节能率:在使用节能算法前，使用LED节能路灯应比普通路灯节能50%。使用节能控制算法后应比系统未使用节能算法前节能30%以上。可靠性:通信误码率小于1%。

无线控制网络应有较高的可靠性，在一个路由节点故障时，应能及时启用备用的路由链路，保障协调器对终端节点的有效控制。路灯的故障率应该＜5%。

3 无线LED路灯远程控制系统构建

硬件分3部分组成:安装在路灯杆上的终端控制节点，控制中心的监控系统，负责实现终端控制节点和控制中心通信的路由节点。系统构建如图1所示。

图1 无线LED路灯远程控制系统结构

控制中心的监控系统由PC机和无线收发模块组成，主要负责建立和管理路灯控制网络，显示路灯状况信息和发送控制命令，协调整个路灯系统的运作。路灯终端节点包括LED电源驱动，为大功率LED提供电力，并能根据MCU控制信号控制LED的工作情况;光敏传感器和温度传感器直接将LED工作状况传输给控制模块;功率检测模块检测LED功率情况和供电故障并向上报警;无线模块负责传输数据。节点框架图如图2所示。

图2 路灯终端节点结构

(1)前端节点子网。将模型放到WSN模型中，安装在路灯杆上的终端控制节点即为WSN中的终端节点(RFD)，控制中心监控系统为协调器(COORD)，实现COORD与RFD之间无线通信的为路由转发节点(ROUTER)。

设计采用星型网络，一个网络中只有一个协调器，负责建立网络和管理网络，显示状况信息和发送控制命令。网络中的终端节点为路灯控制终端，在WSN对应的模型为RFD，路灯终端节点配置在路灯灯杆上，装有路灯控制器和无线模块，接收控制命令和发送路灯的实时状况。网络中的路由转发节点，在WSN对应模型为ROOTER，也是配置在路灯灯杆上，也可对路灯实现控制。与终端节点不同，其还要负责路由转发终端节点的数据。其硬件结构与终端节点差别较小。

(2)远程监控网络。远程网络使用ZigBee+GRPS网络的混合网络。由于ZigBee无线网的标准传输距离只有75 m，即使使用扩展天线也只有200 m，要实现覆盖整个城市的WSN较为困难。如果使用中继路由的方式实现，则成本较高、网络过大、可靠性无法保证，且不利于控制。所以将城市路灯组网划分成若干个小的子网，每个子网覆盖几个到十几个街区，各个子网中有几百盏路灯，子网内部使用ZigBee建立的WSN控制路灯，其终端和协调器之间最多路由跳转2～3次，保证网络可靠性。子网和中央控制中心使用GPRS网络来传输数据。该网络结构如图3所示。

图3 远程监控网络

4 结束语

本文主要分析了LED照明技术和ZigBee协议组网技术，设计了一种无线LED路灯远程控制系统，构建了底层为路灯控制节点，中间为路由模块，顶层是计算机控制终端。设计使用TI公司的LED恒流源控制器UCC28810EVM－002，CC2480/ZigBee模 块 和MSP430控制器构架了无线控制平台。此外文中还论证了无线路灯控制网络拓扑结构的建立和下位机固件流程图、工作模式和上位机节能策略。

目前的LED路灯系统主要使用有线线路控制，本项目的新颖之处在于使用了无线控制模块，可以在城市信息控制中心整合控制全城的路灯照明系统，实时了解整个城市的照明情况，实现LED路灯的故障监测和远程监控管理，方便调控城市照明和日常维护。该网络经一次性布置后，可在长期内可靠运行。路灯节点的数量、位置可随时变更，使得调控路灯变得更加方便、科学。无线LED路灯远程控制系统为解决诸多问题提供一个良好平台。

［1］ 李文仲，段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2007.

［2］ 崔莉，鞠海玲，苗勇，等.无线传感器网络研究进展［J］.计算机研究与发展，2005，42(1):163－174.

［3］ 吴淑梅，霍彦明，徐梅，等.LED光源在照明中的应用［J］.现代显示，2008(7):55－58.

［4］ 王殊.无线传感器网络的理论及应用［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2007.

［5］ 王雅芳.大功率LED照明电路特性与驱动设计［J］.电子与封装，2009，9(4):20－24.

［6］ 蒋挺，赵成林.紫蜂技术及其应用［M］.北京:北京邮电大学出版社，2006.

［7］ 王立刚，建天成，李晶晶.智能LED照明系统的研究与设计［J］.黑龙江大学学报，2009，26(4):543－545.

［8］ 周志敏，周纪海，纪爱华.LED驱动电路设计与应用［M］.北京:人民邮电出版社，2006.

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