基于无线传输的智能路灯控制系统设计

常　敏，陈　征

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)



基于无线传输的智能路灯控制系统设计

常敏，陈征

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

针对目前城市道路照明管理系统还是以手动或定时控制为主，既浪费电能，又难以及时维修管理的问题。文中设计了基于GPRS、ZigBee 无线传感网络以及信息管理技术的城市路灯控制系统方案，以实现对路灯的智能控制，其中核心部分主要由信息管理平台、数据库、网络协调器和路灯控制器设计。用户远程监测路灯状态，且可为路灯设置合适的工作模式。通过对系统功能和性能进行测试表明，文中设计的系统与传统定时控制方式相比，在提高管理效率的同时至少还能节省13%的电能。

GPRS；路灯；ZigBee；节能

随着城市群的不断扩大，越来越多路灯给我国的电能资源造成巨大的压力，就当前的城市路灯系统而言，主要存在两个比较明显的弊端[1]：(1)大多数的路灯采用的还是简单的定时开关或是人工开关的方式，这些方式比较浪费资源，且不够智能化；(2)目前的城市路灯多是通过线路来控制的，建设成本高，可扩展性差。这些问题均将导致大量电能的浪费，所以面对日益紧张的能源消耗，城市路灯的节能具有较大的意义。

1　控制系统的关键技术

本文考虑了成本、抗干扰性、稳定性等因素，确定使用GPRS技术和ZigBee技术作为主要通信技术[2]。由于 GPRS 通信的便捷性、可靠性、高质量性等优势，所以采用GPRS 作为远程监控管理平台与网络协调器之间的通信方式，而由于 GPRS 的流量费用较高，不适用于路灯控制节点之间的通信，所以采用 ZigBee 无线传感网络作为节点之间的通信方式，这可以减少通信费用和建设成本[3]。因此，本课题总体上基本确定了“GPRS+ZigBee”的总体技术方案。

2　控制系统的硬件设计

2.1智能路灯控制系统的设计架构

根据系统的功能需求，整个路灯控制系统应有3个主要部分，分别是：信息管理中心、通信模块、路灯终端控制器。所以该系统选择两级网络结构，如图1所示。第一层是基于 GPRS 通讯技术的星型网络，将远程网络协调器和信息管理中心连接起来，建立通信，管理中心可与多个网络协调器建立 GPRS 的连接，从而获得网络协调器的数据和发送指令给这些协调器，整个网络中，信息管理中心作为核心[4-5]。第二层网络是单个网络协调器和多个路灯终端控制器共同组建的ZigBee 无线传感网络，该网络是网状结构，其中主要有3种节点，网络协调器节点作为核心节点，以及路由控制节点负责整个网络的寻址和路由转发和路灯终端控制节点负责对路灯进行控制和状态数据收集。两级网络的通信关键网络协调器上要有GPRS 网络模块和 ZigBee 网络模块2个部分，这两部分相互独立，构成两级监控网络体系[6-7]。

图1　路灯控制系统整体结构图

2.2路灯控制器硬件电路设计

ZigBee路灯控制器的硬件电路主要有：支持ZigBee协议的处理器模块、电压电流测量模块、路灯功率调节模块、掉电检测模块。本文系统使用基于JN5139无线射频单控制芯片的控制终端[8]。ZigBee路灯控制器硬件结构如图2所示。

图2　ZigBee路灯控制器结构

电流测量电路设计如图3所示。

图3　电流测量电路

本文使用HWGS-3，变化比为1 000：1。路灯的额定电流约为5 A，根据比例可计算出HWGS-3的输出电流应为5 mA[9-11]。电影的峰值707 mA，有效值500 mA。同样经过电压太高，可用于A/D转换。

2.3网络协调器的硬件设计

网络协调器主要组成部分包括：主控制器模块、射频通信模块、GPRS模块、电源模块、电参数测量模块和报警处理模块。网络协调器硬件结构如图4所示。

图4　网络协调器结构

网络协调器的主控制器使用NXP公司的LPC2138，该处理器是基于ARM7架构的，内含32位ARM7TDMI-S内核，使其拥有较高性能的同时还具有较低的功耗，适用于路灯协调器的主控制芯片[12]。C2138的电路设计如图5所示。

图5　LPC2138的外围电路

3　系统的软件设计

3.1管理功能设计

针对整个系统功能的研究分析，确定了信息管理平台主要需要以下几个功能模块：用户管理模块、智能监控模块、智能策略模块、区域管理模块、调度维修模块、报警设置模块。

3.2数据库设计

在系统设计中，选择MySQL轻型数据库作为数据库模块。无论哪种数据都需要对数据库的逻辑进行设计，在此采用E-R模型[13-14]。本系统中的有多种实体，其中终端E-R图包括：绑定GPRS编号、终端编号、终端电压、终端电流、中断状态5个部分。整体而言，系统的数据库表需要多个，其内容以及相互之间的逻辑关系部分设计如图6所示[15]。

图6　数据库中各表的逻辑关系图

3.3功能模块的实现

系统的功能模块有多种，包括登陆、监控、策略、区域、报警等。智能监控模块的整体流程如图7所示。

图7　监控模块软件流程图

路灯控制器的程序流程如图8所示。

图8　ZigBee路灯控制器的程序流程

网络协调器程序流程设计如图9所示。

图9　网络协调器的程序流程

4　系统测试

4.1系统功能测试

为验证系统是否可以正常工作，需要对系统的登陆模块、策略模块、区域管理模块、报警模块、维修模块分别进行测试，各个模块均运行正常，图10所示为智能监控模块运行界面。

图10　控制界面测试图

4.2系统节能性测试

照明是路灯电能的主要消耗部分，这里以 10 盏40 W的路灯在一般情况下连续7天的平均日耗电量作为参照样本。一组采用本系统智能控制下的日均耗电量，另一组采用传统方式控制下的日均耗电量，两者的耗电量如表1和表2所示。

表1　耗能情况对比表1　/kW·h

表2　耗能情况对比表2　/kW·h

从表1和表2可以看出，采用智能控制的照明路灯的耗电量比传统方式少，可节省约13%的电量。

5　结束语

本文借助GPRS 技术和ZigBee 无线传感网络技术以及信息管理技术设计了一套改善城市路灯控制系统的解决方案，其中核心部分主要有信息管理平台和数据库、网络协调器、路灯控制器，该方案分两级网络:GPRS网络和 ZigBee 网络，用户可以通过管理平台对整个系统控制。通过对整个系统的功能和性能测试，表明本文设计的系统具有较好的便捷性和节能性。

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Design of Intelligent Street Lamp Control System Based on Wireless Transmission

CHANG Min, CHEN Zheng

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

The current urban road lighting management systems generally adopts manual or timing control, which leads to waste of electric energy and difficulty in timely maintenance management. This paper designs a system control based on GPRS and ZigBee wireless sensor network technology and information management technology of urban street lamp for intelligent monitoring and control of street lamp. The core part consists mainly of the information management platform and the database, the network coordinator, and the street lamp controller. The light status is remote monitored and suitable working mode can be set up for the lamp by the user. The system function and performance test show that the design of the system and the traditional timing control method improve the management efficiency and reduce power consumption by 13%.

GPRS; street lamp; ZigBee; energy conservation

2016- 03- 26

陈征(1989-)，男，硕士研究生。研究方向：仪器仪表。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.09.030

TN926；TP273+5

A

1007-7820(2016)09-111-04