基于多种网络技术的区域照明监控系统的设计

陈东升

【摘 要】本文提出一套智能社区照明系统的设计，此系统由照度传感器作为系统信号采集的初始端，借助Zigbee技术构建以街区为单位的局域网络。设置局域网终端处理器，由局域网控制柜内的单片机分路监控公用照明灯具的工作情况。最后根据实际情况将各局域网信息通过GPS或GSM、GPRS等公网直接联入万维网以监控社区的公用照明情况。

【中图分类号】P754.1【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）07-0084-01

1、简介

近年来，随着社会对能源问题的逐渐重视，节能减排已经深入人心，人们在各个领域都在为节能进行着孜孜不倦的努力。就我国而言，早在2002年度，照明用电就已经超过1500亿kwh，占发电量的10%—12%。随着照明能耗的不断增加，照明节电具有重要意义。建设智能化区域监控系统可以大幅节约能源，节省维护人力成本。目前应用广泛的HID灯具为例，通过电子镇流器进行时序和恒功率控制，能够达到很好的驱动效果。处理各种故障模式，进行短路、开路保护等。此外由单片机进行编程控制，即能实现精确数字控制，又能将灯况参数储存并显示在LED屏幕上，同时单片机又便于串接GPS、GSM模块等，便于城市亮化网络的建立，实现节能、智能的网络控制。

2、城市监控网络体系架构

本文所构建的监控网络主要分为3层，最外层为信号采集层，主要由传感器采集工作信号，再将信号经由基层的无限发射器发送给控制柜内接收端。第二层为各基站的单片机控制处理器，他们负责按照程序分路监控一条路段上各路灯的工作情况，并应对例如沙尘、大雾等突发事件，将接收到的各路灯工作情况汇总处理。第三层为城市监控中心，接受各基站的信号，利用GPS，将各基站的监控情况和其地理位置结合起来，构成城市照明的监控网络。

3、监控网络具体方案

3.1 传感器的设计

在光的各项指标中，我们选择以照度为监控元素。这里采用照度传感器ISL29020芯片，利用其提供的贴近人眼睛的反应和良好的红外抑制，使系统能够做到判断准确，高效节能。采集外界环境的亮度，生成信号触发灯具开关。各灯的工作情况通过感应到的信号变化实时的反映给单片机进行处理。在大雾、沙尘等恶劣天气下，传感器也能及时感应，保证灯具正常工作。此外需设置保护电路，其主要是设置一些短路、断路保护，防脉冲冲击电路等。

3.2 控制柜内供电电路设计

3.2.1 HID路灯的电子镇流器部分

作为HID路灯可靠工作的保证，在这里我们采用PHILIP的UC3854功率因数修正模块作为电子镇流器的核心部件。

UC3854内部包含了一个功率因数修整电路，它以平均电流模式控制法实现了很高的灵活度可以配置各种不同功率的电路。ENA与Vcc内接低电压锁定比较器及其智能比较器，这两个比较器输出必须同为高电平，芯片才能开始工作。Vsens内设7.5V参考电压用于软启动，可以避免启动时产生的突波现象。IC内部设定有一个可对软启动定时电容器充电的电流源。V/Ao接内部乘法器的输入端，乘法器的另一个信号来自Ivac管脚，此管脚的信号是以电流形式来自输入端整流器的斜率控制命令信号，这只接脚保持在6V。Vff为前馈输入端，其信号值在被取平方后输入到乘法器的除法输入端。Rest输入的电流也用于内部乘法器上以限制最大的输出电流。

3.3 区域网络的设计

3.3.1 Zigbee技术

ZigBee是IEEE802.15.4的扩展集，是一种近距离、低速率、低功耗、低成本、短时延的双向无线通信技术。适合于承载数据流量较小的业务，并可方便地嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。

3.3.2 传感器节点设计

ZigBee无线网络通常是由大量的传感器节点组成，在设定区域内的节点通过自组织方式构成网络。其耗能很低，节点在低功耗待机模式下两节普通5号电池可使用6—24个月，在这里使用整流后的直流电源对其供电，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。ZigBee数据传输速率低，协议简单，并且ZigBee协议免收专利费用，降低了开发成本。其响应速度较快，一般从睡眠到工作状态只需要15ms，节点连接进入网络只需要30ms，进一步节约了电能。一个ZigBee网络可以容纳最多254个RFD和FFD，一个区域内可以同时存在100个ZigBee网络，这样最多可组成65000节点的大网，网络容量大，组网灵活。

4、城市监控网络的构建

GPS的应用软件可以免费下载，利用其可以建立城市的路灯电子地图式管理。控制柜基站以及各盏路灯的具体位置通过总机的GPS软件均可以在显示器上显示。总机通过命令由基站的单片机精确控制各盏路灯。路灯的工作情况将由总站进行分析监控，管理维修人员可通过PDA设备在城市公网覆盖的区域接受主站信息，可以及时准确的更换或维修照明设施。同时借助SMS功能建立起照明设施的防盗系统，设施被盗将通过短信发送给总站，再由总站将信息发送给管理人员的手机上。本系统采用Unicode的编码形式，其丢失信息的发送基于以上硬件的程序如下。

#define uchar unsigned char

U c h a r c o d P D U S T R 0 [ ] ={“0891683108200905F011000D91683115036919F6”}；

//发送固定PDU数据串

Uchar code PDUSTR1[]={“AB76D70021”}；//被盗PDU数据串

viod GSMSendSMS0（void）

{

GSMRFlag0=1；//不接受串口返回数据

GSMSendData（“AT+CMGS=25＼r”）；

GSMDelayMS（500）；

GSMSendData（PDUSTR0）；//发送固定PDU数据串

GSMSendData（PDUSTR1）；//发送被盗数据串

GSMSendchar（0x1A）；//结束

GSMRFlag0=0；//接受串口返回数据

}

5、结论

本设计目的在于构建一个功能强大的城市公用照明监控网络，其利用性价比良好的Zigbee无线传感网络技术以及单片机技术构建各街区路灯的局域监控子网，实现了一种灵活、方便的街区路灯无线解决方案。借助GSM公网，以SMS形式向上级网络发送短信息，联系GPS功能，使各照明单位及基站显现于监控中心的电子地图上，在精确定位，无线控制的同时，又实现了路灯的安防功能。该整体系统既避免了Zigbee传输距离过短，形成网络规模较小的问题，又解决了单纯利用GPS或WEB构网成本过高的问题。二者结合使该系统具有良好的可扩展性和使用价值。能够做到准确、全方位的监控。

参考文献

[1] Zigbee Specification Document 053474rl3[G].Zigbee Standars Organization，2006

[2] Next-gen ZigBee tackles scalability，Clendenin，Mike，Electronic Engineering Times，n 1444，p 49-62，October 9，2006

[3] An enhanced trust center based authentication in ZigBee networks. Lee，Joohyun，Zhang， Bongduk，Kim，Jaeho，ISA 2009， v5576 LNCS，p 471-484，2009