智慧路灯系统中应用Zigbee 技术和电力线载波技术的比较

郑重

（南通市市政工程设计院有限责任公司）

智慧路灯系统中应用Zigbee 技术和电力线载波技术的比较

郑重

（南通市市政工程设计院有限责任公司）

城市智慧路灯系统分别采用GPRS+Zigbee 和GPRS+电力线载波技术设计，应用于不同路段以对比测试。从实际运行效果进行比较，指出Zigbee 和电力线载波技术成为了该领域的主流技术，并在不断发展，有实际的应用推广价值。

Zigbee 技术；电力线载波技术；智慧路灯系统

1 引言

城市智慧路灯控制系统中应用LED已成为一种趋势。LED作为一种新型绿色光源，具有节能、寿命长、方便监控等特点，LED 路灯的智能化控制也成为应用热点。根椐不同的运行环境，选用合适的通信控制技术才能满足技术，经济两方面的要求。

2 项目概况

项目现场LED路灯设计布置为：路灯采用双侧对称布置，间距35m左右，道路边供电电缆埋地敷设，以箱式变压器供电，供电范围不超过1000m。离监控中心约3～5km。

3 短距离无线通信技术比较及选择

短距离无线通信技术很多都可以用来做智慧路灯控制系统，几种常用的路灯控制技术比较见表1。

表1 常用的路灯控制技术优缺点对比

由表1及路灯实际布置情况可见，GPRS 技术适用于远距离的传输，Zigbee 和电力线载波技术适用于短距离组网的应用，如果把这两种技术结合起来，可充分利用各自的优势。GPRS 技术负责远距离（监控中心与现场）的数据传输，而Zigbee和电力线载波技术则负责子网(控制器至单灯控制器)内节点的数据采集。对于采集点分散、采集环境恶劣而对实时性和可靠性要求比较高的场合，这种组网方式很合适。

4 应用情况

我院在启东吕四港路灯设计中，分别采用GPRS+Zigbee和GPRS+电力线载波技术应用于不同路段以便对比测试。对实际运行效果进行比较，并提出一些看法供大家参考。

4.1 Zigbee组网图及技术简介

ZigBee技术是近些年出现的短距离无线通信技术，由2001年8月成立的ZigBee联盟制定无线通信协议标准，采用标准的OSI分层模型，物理层和媒体接入层由IEEE802.15.4小组制定，网络层和应用层由ZigBee联盟制定。2002年下半年，国际上知名的半导体厂商、无线设备制造商等大公司加入联盟，这极大地促进了ZigBee技术的研发及ZigBee产品的推广应用。

自从ZigBee技术出现以来，就以低成本、低功耗、组网灵活的特点受到世界上各大无线设备制造厂家及应用者的青睐，并逐渐应用于各大领域。Zigbee组网图如图1所示。

Zigbee技术适用于智慧路灯控制系统，有以下几个原因：

1) 城市车流量、人流量大，需要可操作性强、灵活多变的监控系统，而且灯的密度比较大，无线传输距离比较短，Zigbee 可以很好地适应城市复杂的环境，并充分发挥自身组网简便的优势；

2) 在智慧路灯控制系统中，需要传输的数据量很少，只需几分钟发送一次数据。每次发送的数据量也很小，所以ZigBee技术的低速率的特点恰好适合应用于该领域中；

3) 利用ZigBee技术低功耗的特点，实现节能的目的。ZigBeeI做在2.4G的免费频段上，不会像使用GPRS一样浪费许多无线电的资源。

Zigbee应用于路灯系统一般采用树形网结构，设备既可以作为终端设备也可以作为路由设备接入网络。

采用树形网络比星形网络自由了很多，它覆盖范围可以很大，成本也不高，组网简单；但它对动态环境的适应性、稳定性稍差。

图1 Zigbee组网图

图2 电力线载波技术组网图

4.2 电力线载波技术组网图及技术简介

电力线是世界上覆盖最广的一种物理媒介，由其构成的电力网是一个近乎天然的网络。电力线载波技术（简称PLC：Power Line Carrier Communication）以电力网作为传输信道，在网络内部各节点之间以及与其他通信网络之间实现数据传递和信息交换，是唯一不需要线路投资的有线通信方式，具有分布广、低成本、高速率、即插即用（插上电源即可联网使用）等特点。电力线载波技术组网如图2所示。

PLC 有不同的分类方式，对于路灯系统，窄带和低速通信速率就可满足要求。其发展所面临的三大挑战是电力线上的噪声、阻抗匹配以及载波信号的耦合。电力线主要是用来传输电能的，传输介质对通信来说为非理想的随机参数通信信道。由于用电负载及负荷的不同，不同地点频率响应特性及干扰特性也不同，因而可能导致通信的效率低下甚至失败。实际上，各种电器都可能是电力线载波技术的噪声源，接收信号的信噪比必须足够大才能被接收器正确解调；然而电磁兼容规范限制了PLC信号的发射电平，使得不能通过单纯提高发射信号强度来提升通信效果。

如前所述，在智慧路灯控制系统中，只需几分钟发送一次数据，且数据量很小，因此选用窄带BPSK 电力线载波技术，该技术在世界各地有成熟的运行经验，适应各种复杂的应用场合。

Echelon公司的窄带BPSK技术称为二进制相移键控（Binary Phase Shift Keying）调制技术，当工作在C波段时，两个载波频率分别是：第一载波频率为132k Hz，第二载波频率为115kHz。在每个载波频率上使用6kHz的频率带宽。第一载波频率具有更好的畸变纠正能力和更强大的数据包分辨能力及抗噪声能力，第二载波频率比第一载波频率的误差校正能力强。当工作在A波段时，第一载波频率是86kHz，第二载波频率为75kHz。

5 现场测试情况

在道路现场安装1个集中器和30个单灯控制器，线路总长1km。在路灯线路中测试电力线载波技术、Zigbee的通信效果(集中器端电压：225V，末端单灯控制器电压：200V)。通信效果比较见表2。

表2 通信效果的对比

从测试结果中，可以看到这两种通信方式均可进行命令的传递和单灯状态信息的回馈。

通过两层通信机制，构成智慧路灯控制系统，实现了对LED路灯的“四遥”功能，但Zigbee系统在防电缆偷盗测试中，偶尔会出现误报情况。

6 结束语

智慧路灯控制系统中传送数据量不大，Zigbee、电力线载波技术等都被应用于 LED 路灯的控制和管理中，国内公司已有不少产品推出。电力线载波技术通过市电电线就可以传输数据，方便快捷，但也存在传送距离短、信号损失大、脉冲干扰严重等缺点，需要选择合适的技术及成熟的方案；而Zigbee技术具有能耗低、成本低、易控制等优点，但稳定性有待提高，所以Zigbee技术和电力线载波技术已成为智慧路灯控制领域的主流技术，并在不断发展，有实际的应用推广价值。

[1] 吴春海,赖常华,李振.LED路灯智能控制模式研究及应用研究[J].建筑电气,2014(09):51-56.

[2] 刘永.Echelon 公司的电力线载波通信技术[J].仪器仪表标准化与计量,2005(04):20-23.

[3] 李震.基于 Zigbee 技术的大功率 LED 路灯监控系统的设计与实现[D].广州:华南理工大学,2014.

Comparison Between Zigbee and Power Line Carrier Technology in Intelligent Street Lamp System

ZHENG Zhong

(Nantong Municipal Engineering Design Institute Co., Ltd.)

Outdoor LED lighting intelligent management system based on GPRS+Zigbee and GPRS+ Power line carrier communication technology was designed to apply in different section of street , comparison of test result shows that both Zigbee technology and Power line carrier communication technology has become the mainstream communication technology in this field and in the continuous development,has the practical application value.

Zigbee technology; power line carrier communication technology; outdoor led lighting intelligent management system

10.13655/j.cnki.ibci.2015.11.019