基于GPRS和ZigBee的城市路灯监控系统研究与实现

徐利谋+黄长远

摘 要：针对传统路灯系统控制难度大、效率低等问题，提出了一种基于GPRS和ZigBee的智能路灯监控系统设计方案，该方案使用GPRS技术连接子网和主控计算机，并采用ZigBee技术来实现子网中设备的通信，从而实现了对路灯的状态监控和智能控制。

关键词：物联网技术；ZigBee；GPRS；路灯监控

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）06-00-02

0 引 言

路灯照明系统在城市化进程中发挥着重要的作用，它是每个城市发展过程中不可或缺的重要组成部分。传统的路灯系统控制单纯依靠人工现场完成，供电情况、短路跳闸、电流电压等路灯运行过程中的重要参数无法实时获悉，每个路灯定时器无法实现开灯和关灯时间自动控制，在暴雨等极端特殊天气情况下，因控制手段单一，不能满足路灯智能控制需求，造成监控效率低、照明时间更新滞后、维护不及时等现象发生[1]。另外，我国城市路灯照明系统用电量巨大，约占每个城市用电量的十分之一左右。城市后半夜车辆和行人稀少，对路灯照明需求下降，由于缺乏科学有效的亮度调解手段，城市过度照明和电力资源浪费现象比较普遍[2]。

综上所述，针对日益扩大的城市照明需求，借助发展快速的无线监控、物联网应用等技术解决目前城市路灯监控中存在的操作效率低、资源浪费等问题，以实现城市照明系统智能控制和自动调节功能，成为城市道路照明领域一个急需解决的问题。文章提出了一种基于ZigBee技术和GPRS技术的智能路灯监控系统设计方案，构建了对城市路灯实时调整的无线智能监控网络，实现了对每一杆灯的实时定位和控制。

1 系统总体设计方案

基于物联网技术的智能路灯监控系统采用C/S结构，安装在各条道路的路灯集中控制器上作为客户端，路灯的实时控制和运行状况监控由服务器负责，服务器是智能监控系统的核心[3]。服务器和客户端之间的网络传输采用GPRS网络，路灯集中控制器和监控管理中心之间的数据通信通过GPRS模块实现，单灯节点之间的数据通信通过ZigBee无线模块实现。系统搭建了ZigBee技术、GPRS技术和Internet网络之间的沟通桥梁，开发了路灯智能监控硬件和软件系统，实现了路灯运行状态的即时监控和实时控制。系统的整体架构如图1所示。

基于物联网技术的智能路灯监控系统由单灯控制器、路灯集中控制器和监控中心组成。

（1）单灯控制器：该控制器是一个ZigBee的无线接入点，每个节点设置与路灯编号一一对应的唯一的物理地址。单灯控制器接收从路灯集中控制器发送的指令，完成路灯调节、运行状态检测等动作[4]。

（2）路灯集中控制器：该控制器是智能路灯监控系统的枢纽，将STM32F303控制芯片编号后使用ZigBee和GPRS网络与单灯控制器和监控中心实现无线通信。

（3）监控中心：监控中心是整个路灯系统的核心环节，监控中心面向城市管理人员，可保证城市道路的路灯平稳有序的运行[5]。

2 单灯控制器设计

单灯控制器可监控每个路灯的电压、电流以及运行状态等，可及时发现路灯存在的问题，并依据恶劣天气、拥堵时段、季节交替等不同情形对每个路灯进行实时调节，实现照明模式的多元化和智能化，进一步提升城市照明系统的运行效率，降低维护成本。

单灯控制器硬件由数据采集模块、路灯控制模块、无线信号传输模块、指令执行模块和供电模块组成。数据采集模块负责将现场采集的模拟信号通过ADC转换为数字信号，并发送到路灯控制模块；路灯控制模块对传送过来的现场数据进行存储、分析，根据系统设定的控制方案确定路灯操作策略，发送路灯亮度调解、开关等操作指令；无线信号传输模块与其它传感器节点的数据传输和信号交换控制采用ZigBee技术实现；供电模块采用轻型化、大容量电池给其他硬件模块和传感器节点提供电能。

根据传感器节点和单灯控制器的功能要求，路灯控制模块选用具有现场数据存储量大、支持各种复杂控制技术以及实时控制技术等优点的可编程逻辑器件FPGA，其语言支持以及高速并行运行特性为路灯控制模块的实现提供了重要支撑。ZigBee无线通信模块选用Chipcon As公司2.4 GHz射频芯片CC2420，满足了低成本通信要求。

由于ZigBee网络中节点数量较大，为了便于操作，协调器、路由和终端节点的识别全部交由监控中心软件实现。硬件方面除了协调器具有通用异步收发接口UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART）外，其他都是相同的。各节点微控制器MCU（Microcontroller Uint，MCU）均采用TI公司的2.4 G射频芯片CC2530，该芯片支持专有802.15.4市场及ZigBee标准。路端单灯测控器的硬件结构如图2所示。

3 路灯集中控制器设计

路灯集中控制器处在单灯控制器和监控中心之间，是城市照明系统的运行状况获取、状态监测和实时控制的枢纽，是城市路灯监控系统功能实现的关键环节。路灯集中控制器负责将获取的电流、电压等路灯运行状态信息传送到监控中心，接收监控中心发送来的参数信息、路灯调节命令，结合现场状态对城市路灯进行参数设定或实时调整，保证监控中心对智能路灯系统的监控和管理。

路灯集中控制器将GPRS无线通信模块、电参数监测模块、调试电路以及单灯通信的ZigBee无线通信模块等集成到嵌入式微控制器STM32F303中。路灯集中控制器的模块框图如图3所示，GPRS无线通信模块、ZigBee无线通信模块与STM32F303之间的数据交换通过串行口电路实现，电参数测量模块采用三相电能芯片通过SPI总线与STM32F303进行数据通信。

4 监控中心软件的实现

监控中心软件对道路两旁的路灯进行实时监测，数据传输采用ZigBee无线网络和GPRS/Internet网络，一方面接收来自路灯集中控制器发送的电参数、运行状况等数据信息，完成对状态运行数据的保存或显示等操作；另一方面向路灯控制器发送即时的状态调整和路灯控制命令。监控中心和路灯集中控制器之间通过GPRS无线通信网络相连，路灯数据采集、开关、事故报警等功能通过监控中心软件对路灯集中控制器参数的设定来实现。

监控中心是智能监控系统和城市路灯管理人员交互的接口，是监控系统管理的核心。监控系统软件设计界面简洁，操作方便，管理人员使用简单的按键即可实现对整个路灯系统的管理和维护。监控中心主要的功能如下：

（1）保存城市路灯监控系统中路灯状态配置信息，构建保存路灯集中控制器和单灯控制器的位置信息、路灯调整措施等数据的数据库。

（2）使用GPRS无线通信模块和ZigBee无线传输模块实现对城市路灯运行状态的监控，有效统计安装在路灯上的各类控制器的运行状况，并自动生成汇总数据。

（3）根据不同条件完成对范围内每个或者每组路灯的亮度调节和开关控制。

数据处理模块后台采用SQL Server 2014数据库，主要存储从路灯集中控制器获取的电参数、开关策略、错误信息等数据，方便路灯管理人员把握路灯系统的运行状态，快速获取故障信息。网络通信模块通过查询和控制命令的收发实现运行数据的收集和路灯遥控功能。监控中心软件系统结构图如图4所示。

5 结 语

随着我国城市的扩容和改造，城市照明实时控制和节能等问题受到了越来越多的关注，将物联网技术运用到城市照明监控系统中可以实时检测并控制城市照明设施状态，使得照明设施便于维修和管理，维护照明设施所需的人力和物力成本大幅减少。随着物联网技术以及传感网络的发展，智能控制在环境保护、交通运输、食品安全以及数字家居等领域的应用将越来越普遍，智慧城市将变成现实。

参考文献

[1]张立新，杨程.一种基于物联网技术的智能路灯监控系统设计[J].宁夏工程技术，2014，13（3）：234-237.

[2]马玉波，张培剑.基于物联网的智能城市（照明）管理系统[J].信息技术与信息化，2014（1）：49-52，58.

[3]左才松，邹旭晃，邓太平.基于物联网技术的智能照明控制系统设计[J].湖南城市学院学报，2013，22（4）：54-58.

[4]何赛，陈小平.GPRS与ZigBee的城市照明系统网关设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2012（1）：27-29.

[5]王颖.基于物联网技术的城市路灯无线网络监控系统[J].山西电子技术，2012（6）：36-39.