城市照明测控系统双模架构设计分析

肖红兵，孙志海

(1.杭州亿利通信器材有限公司，浙江 杭州 310015；

2.杭州电子科技大学信息工程学院，浙江 杭州 310018)



城市照明测控系统双模架构设计分析

肖红兵1，孙志海2

(1.杭州亿利通信器材有限公司，浙江 杭州 310015；

2.杭州电子科技大学信息工程学院，浙江 杭州 310018)

摘要：城市照明是市政建设的重要组成部分，现代通信技术和物联网技术为城市照明提供了新的测控方法和管理手段。提出了一种融合Zigbee与G3-PLC两种通信模式的城市照明测控系统架构，并对城市照明测控系统的网络构成进行了仔细分析，提出双模架构、融合运用的思路，并对此进行了工程实践。

关键词：城市照明；Zigbee；G3-PLC；双模架构；物联网

0引言

城市照明不仅为交通安全和社会治安提供有力保障，且通过亮化城市提升城市魅力，促进商业和旅游业的发展[1]。但传统的手动控制、定时控制、照度控制等城市照明管理方式已无法适应城市的发展需求，也无法有效地集中管理[2]。因此，新型的智能照明测控系统应运而生，通过提供多种智能化管理手段，满足管理需求。随着城市照明网络的快速扩大，城市照明能耗迅速膨胀，照明能耗占据了大部分市政运营费用，新的智能照明测控系统支持多种照明节能方案，实现了城市照明节能降费的愿景。本文提出的城市照明测控系统融合了Zigbee与G3-PLC两种通信模式，构建了一种双模架构，详细阐述了城市照明测控系统双模架构的设计与分析。

1城市照明测控系统网络架构设计

1.1　网络层次划分

城市照明测控系统采用层级结构设计，整个城市照明的测控网络是一个3层的主从分布式结构，按从上到下的顺序分为服务器层、区域控制层和节点控制层。

1)服务器层。控制中心由服务器、工作站、相关外设以及数据通信接口等部分组成，通过Internet与所有的区域控制层通信，采用轮询和自动上报的方式，完成对系统所有节点的集中控制、远程测量、实时监控等任务，其核心是系统测控软件。

2)区域控制层。核心是区域控制器，它是服务器层和节点控制层之间上传下达的信息传输通道，是当前区域所有照明节点的网络管理核心，也是当前区域照明线路输配电的控制核心。一个控制中心控制若干区域控制器。控制中心可以管理多个控制柜，各控制柜彼此之间相互独立。每个控制柜可以控制一条或多条照明线路，控制链路为PLC载波通讯或Zigbee无线通讯。

3)节点控制层。照明线路上若干单灯控制器组成的网络集合，它包含多个相互独立的照明网络。每个单灯控制器就是一个网络节点，它接收控制中心经区域控制器通过网络转发的控制指令，并完成相应的控制动作，同时将自身测控信息通过网络及时上报。一个区域控制器可控制节点控制层一个或多个网络。

1.2　控制中心与区域控制器的远距离通信

控制中心位置固定，区域控制器遍布各处，两者距离有近有远，若是通过专网通信，投资极大，基本不予选择，若是接入Internet公网通信，方便灵活，是常用选项。

控制中心接入Internet的选择比较多，可以是ADSL拨号，也可以是各运营商的宽带专线，或者移动运营商的GPRS/CDMA/EDGE/HSPA/4G等各种远程无线数据传输单元(Data TransFer Unit，DTU)。为便于区域控制器通过公网连接，控制中心需申请公网固定IP地址或固定域名。新制式无线DTU的传输速率已基本赶上有线宽带，且在Internet中断的情况下，无线DTU可以和区域控制中心的同类设备进行GSM短信通信，在紧急情况下传输控制指令，保证信息通道畅通。考虑到网络流量的成本问题，无线DTU一般作为控制中心Internet的备用接入设备。区域控制器靠近各条照明线路的馈电入口，分布在城内各处，与控制中心相隔较远。受制于现场情况，少部分区域控制器可以使用有线方式接入Internet，大部分需要使用无线DTU接入网络。通讯协议采用TCP/IP。

1.3　节点控制层组网方式

常见网络拓扑结构有星状(STAR)、簇状(CLUSTER)、网状(MESH)3种。网络中的节点按网络中的位置和作用分为为协调器(PAN Coordinator)或集中器(Concentrator)、路由器(Routers)、终端节点(End Device)3类，各自具备不同的网络功能。采用何种网络结构由照明节点的排列方式决定。比如，小型广场可用星状网络，路灯照明可用簇状网络，园林景观照明可用网状网络。在网络性能和节点容量满足要求的情况下，应尽量采用网状网络的架构来组网。无线Zigbee和载波G3-PLC都是基于IEEE 802.15.4协议开发的组网技术，支持星状、簇状、网状网络架构，满足项目设计要求，所以本文在区域控制层与节点控制层之间以及节点控制层内部的各节点之间采用了无线Zigbee或载波G3-PLC进行组网。这两种通信模式均无需额外布线，因而可以混合使用，构建双模架构，不仅有利于已建项目的改进升级，也方便新建项目的实施。Zigbee网络中的节点按功能分为协调器、路由器和终端节点，而G3-PLC网络中对应功能节点称为集中器、路由器和终端节点。

2Zigbee与电力线载波节点组网

2.1　Zigbee无线节点组网

道路照明Zigbee信息传输通道如图1所示。点划线为协调器与路由器之间的信息传输通道，粗线为路由器与路由器之间的信息传输通道，细线为路由器与终端节点之间的信息传输通道，虚线为正常情况下的信息通道，实线为异常情况的冗余信息通道。图1中，道路两边有两排路灯，在只考虑一排路灯的情况下，就是一个标准的线性网络。所有路由器(单灯控制器之骨干节点)通过粗的虚线相连，组成一个一级骨干网，路由器个数等于系统路由深度减1。每个路由器又控制着一定数量的终端节点(单灯控制器之普通节点)，这些终端节点通过细的虚线与路由器相连，组成一个二级子网，每个子网内终端节点的数量不受系统路由深度限定。采用这种方法，可进一步扩大线性网络的容量。网络规模和性能由Zigbee节点模块[3-4]的传输距离和路由深度决定。

图1　道路照明Zigbee信息传输通道

2.2　电力线载波节点组网

图2　道路照明G3-PLC信息传输通道

3混合组网的双模架构

G3-PLC依托电力线通信，各节点依次并接在同一根供电线路上，新的OFDM技术使其路由节点间距比Zigbee长得多，这样路由深度就可以控制在一个合理范围内，数据转发次数少，因此在线路较长的线性网络上应用，比Zigbee有优势。而Zigbee为无线信号，向四周立体覆盖，在类似广场、公园、停车场这样的块状区域，无需较大的路由深度就可以覆盖很大的范围，是较为理想的选择。特别是在太阳能、风力等新能源供电的系统中，若无集中供电线路的支持G3-PLC就无法应用，此种场合，Zigbee就具有先天的优势，是不二之选。

当然，这两种通信网络并不是互相排斥的，在很多场合，可以结合两者的优点实现二网合一，做到双模架构、融合运用。比如，在城市的十字路口，总会有些街心公园，其照明要求与路灯不尽相同，但面积不大，若单独设置区域控制器，经济上很不合算。假如路灯照明使用G3-PLC载波网络控制，街心公园的照明使用Zigbee无线网络控制，在靠近街心公园的单灯控制器上配置两种通讯模块，G3-PLC为路灯网络的路由器，Zigbee模块为无线网络的协调器，协调控制街心公园的照明。表1给出了Zigbee与G3-PLC两种通信模式的网络传输性能比较。

4结束语

本文提出了混合组网的双模架构，据此构建了一个完整的城市照明测控系统，并进行了工程实践，经过联调联测，很好地实现了设计意图。蓬勃发展的物联网技术和现代通信技术为城市照明管理提供了基础性的技术支撑，通过这些技术的有机融合，逐步实现了城市照明的灯灯相连。

表1　Zigbee与G3-PLC两种通信模式的网络传输性能比较

参考文献

[1]方聪，于亚，马建伟,等.基于单灯节能的城市照明智能管理系统[J].照明工程学报，2014(2): 85-92.

[2]张静.浅论城市照明存在问题及其解决之道[J].科技视界,2014，(13): 357.

[3]彭燕.基于ZigBee的无线传感器网络研究[J].现代电子技术,2011，(5):49-51.

[4]俞仁来,谭明皓.基于ZigBee的无线传感器网络路由分析[J].通信技术,2011,44(1): 129-131.

[5]尹建丰,丁文伯,魏华义,等.电力线载波通信标准PRIME和G3-PLC的研究[J].电测与仪表，2014，(13):37-41.

[6]丁冠军,兰海滨,樊邦奎,等.智能电网应用中的PLC技术[J].电工技术学报,2013,(S2):378-382.

Design and Analysis oF Dual-mode Architecture For

Urban Lighting Measurement and Control System

Xiao Hongbing1， Sun Zhihai2

(1.HangzhouYiliCommunicationEquipmentCo.，Ltd.，HangzhouZhejiang310009，China;

2.SchooloFInFormationEngineering，HangzhouDianziUniversity，HangzhouZhejiang310018，China)

Abstract:Lighting is an important part oF the city municipal building. Modern communication and networking technology provide a new method For monitoring， control and management For urban lighting. An urban lighting and control system architecture combining Zigbee with G3-PLC communication modes is proposed in this paper. Detailed explanation For urban lighting measurement and control system is showed. Dual-mode architecture and combining ideas are mentioned， and engineering practices are also perFormed to show the eFFects oF proposed method．

Key words:urban lighting; Zigbee; G3-PLC; dual-mode architecture; internet oF things

中图分类号：TP391.8

文献标识码：A

文章编号：1001-9146(2015)03-0040-04

作者简介：肖红兵(1967-)，男，浙江杭州人，工程师，通信工程.

基金项目：浙江省3D产业关键技术重点科技创新团队资助项目(2011R50009-3)

收稿日期：2015-01-05

DOI:10.13954/j.cnki.hdu.2015.03.007