基于ZigBee的城市路灯控制系统研究

张作鹏

摘 要：路灯照明系统是城市基础设施中的重要组成部分，与人们的日常生活及城市交通安全息息相关，所以对其控制系统展开研究具有十分重要的意义。对基于ZigBee的城市路灯控制系统展开了研究，设计了一种基于ZigBee通信技术的远程监控和数据采集系统，用于控制城市的LED路灯。

关键词：ZigBee；城市路灯；远程监控；控制系统

中图分类号：TP273 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.23.079

随着我国社会经济的快速发展，人们对城市基础设施建设的要求不断提高，城市路灯照明系统作为城市基础设施中的重要组成部分，越来越受人们的重视。当前，传统的路灯开关和巡检方式已无法满足城市发展的需求，如何节约能源、提高路灯能源的利用率，有效实现对城市路灯的远程监控是当前的一个重要课题。而ZigBee作为一种新兴无线通信技术，以其低能耗、网络容量大、可靠性高等优点得到了广泛的应用。基于此，笔者进行了相关介绍。

1 系统方案设计

ZigBee技术是一种在近距离内使用的双向无线通讯技术，其具有功耗低、成本低、传输速率低的特点，所以在短距离无线通讯领域十分常用。根据照明系统的设计要求，可以按照图1的方式来设计照明控制系统。

城市路灯照明控制系统主要是控制路灯、路灯调节器、路灯的灯杆、配电箱、中心连接器等设备。照明控制系统在运行时，要把路灯调节器和路灯灯杆结合，将路灯调节器和中心连接器相连接，使路灯灯杆和配电箱的位置相匹配，把路灯和其

他设备按实际情况分组，设置好照明控制系统的控制方案等。照明控制系统除了对主动获取的信息和数据进行分析以外，还要定期检查每个设备的运行状态，检测设备的运行参数，并予以保存，便于日后的统计工作。

城市路灯照明控制系统服务层里各种类型的服务器都安装在核心控制室内，用来组建控制系统的核心部分，也便于统一操作，信息收集后也可以统一处理；中心连接器是照明控制系统总网关和ZigBee子网的主要连接手段，上传数据时，用3G无线网络的方式上传数据，而下载数据时，则使用Zinebee近距离无线通信收集所检测到的数据，然后根据对数据的分析制订运行计划，将各运行指令分配到各个路灯，根据实际运行情况调整路灯，并将路灯的运行参数发送到中心连接器。

2 路灯调节器的设计

2.1 路灯调节器的结构

路灯调节器的主要作用是控制调节路灯的状态、采集路灯运行的参数并将参数上传给中心连接器。路灯调节器是整个照明控制系统当中使用频率最高的设备，而且由于大多都是安装在室外，所以路灯调节器很容易受到外界环境影响，所以对路灯调节器的防护措施要求更加严格。

路灯调节器与路灯相连接的位置有路灯开关和灯光亮度调节器。路灯开关是由继电器支持，而灯光亮度调节器有1～10 V电压的选择。主控CPU价格比较便宜，而且性能比较好。除此之外，调节器还预留了接口，可以使用数据传输线，方便数据的采集和运输。

2.2 路灯调节器的运行状态

路灯调节器运行状态主要有正常工作状态、出厂设置状态、远程升级状态等，运行状态之间的关系如图2所示。

首先系统会对代码进行检测，如果一切正常，就开始初始化，准备正常运行。正常运行时，要定期对系统运行参数进行抽查，通过对数据的分析判断系统是否存在故障。如果有故障，要及时启动报警系统。如果代码还存在缺陷，那么就需要进行远程升级。远程升级是按照系统自带的代码进行的，ZigBee无线通讯系统作为信息传播的手段，将远程升级所需要的固定代码发送到系统，然后开始远程升级。

2.3 路灯调节器的升级

路灯调节器投入使用的时间并不长，所以对于路灯调节器的应用和功能还不太了解。要想使得路灯调节器的应用范围更加广泛、使用效果更好，就得经过更多的实践，在实践当中总结经验。目前所使用的路灯调节器为第四代调节器，比起初代调节器来，第四代调节器在适用性、功能性和防护措施等方面都有明显的提升。

3 中心连接器和配电箱控制的设计

中心连接器和配电箱是通过控制器直接控制的。控制器位于现场，其通过3G无线网络与核心控制室内的通信服务器相连。

中心连接器是服务器与路灯调节器联系的媒介，也是ZigBee子网的核心。中心连接器通过ZigBee无线通讯和路灯调节器联系，并可以接收到中心服务器的指令，对路灯调节器的数据进行采集或实现对路灯的控制。中心连接器自带临时运行方案，当中心连接器无法接收到中心服务器的指令时，临时运行方案自动开启，以供系统继续运行。中心连接器的临时运行方案开启时，可以将收集到的数据储存到临时空间内，待与中心服务器的联系恢复正常，即可将这些数据上传。

为了方便中心连接器与路灯调节器之间的联系，提高ZigBee无线通讯的效率，中心连接器优化了ZigBee无线通讯方式的路由算法，并为路灯调节器的路由表设置了缓冲结构。

配电箱的主要作用是给路灯供电，并收集路灯供电线路的运行参数，且配电箱的结构与中心连接器有相似之处。

4 设备的通讯方案的设计

设备的通讯方案设计对于照明控制系统而言具有十分重要的作用，设备的通讯主要有服務器与中心连接器、中心连接器与路灯调节器、服务器与配电箱等，这些通讯总的来说可以分为两类，一类是核心控制室内的服务器与现场的设备之间的通讯，另一类是现场的设备与设备之间的联系。为了简化通讯方式，在这里引入通讯帧的方式来实现各设备之间的通讯。

5 城市路灯照明控制系统的具体应用

城市路灯照明控制系统已经设计完成，并且开始投入生产，已经在许多地区广泛应用。

某城市的道路总数为118条，道路总长度约为198 km，道路所使用的路灯总数为12 002盏。在之前一直使用的高压钠灯，城市主要道路使用了5 420盏功率为380 W的路灯，而次要道路使用了4 312盏功率为240 W的路灯，支路使用了2 398盏功率为240 W的路灯。在将城市照明控制系统设计应用到该城市当中后，主要道路的路灯功率降低到170 W，次要道路路灯功率降低到100 W，支路路灯功率降低到60 W，而且路灯亮度控制方案也有所调整，主要道路的路灯亮度在下半夜的时间段内控制在50%，而次要道路和支路的路灯亮度在下半夜时间段内控制在20%.

在城市路灯照明控制系统设计应用以后，所节约的电能如表1所示，每年可以节省约1.0×107 kW·h的电能，按照每千瓦时电0.85元的价格来算，一年就可以节约大概850万元的电费。在实际情况中，城市照明控制系统会自带光衰补偿，所以实际的电能节约效果比理论的还要高。此外，城市照明控制系统还自带故障报警功能，可以大大延长路灯的使用年限，减少路灯的维修频率和维修成本。

注：一年按365 d来算，每天路灯开启的时间按10 h计算，下半夜按5 h计算。

城市路灯照明控制系统投入使用已有几年的时间，其各方面的性能都有显著提升，但是就目前而言，还存在一定的问题：①ZigBee无线通讯技术在应用到城市照明控制系统当中时，应用的条件比较复杂，而且需要覆盖的范围比较广，所以通讯节点会比较多，无线通讯的稳定性得不到保证；②路灯调节器与中心连接器之间的联系稳定性有待提升，而且急需提高用户的体验感以及系统投入使用以后为用户创造的经济效益；③城市照明系统设计完毕之后的施工工艺十分复杂，其中包括路灯的排序编号、各路灯的定位数据采集、路灯和中心连接器的合理分配等，这些都需要大量的人力，加大了管理难度，也增加了施工难度；④由于现场设备需要与中心服务器进行远程通讯，所以需要利用移动数据网络，会产生一定的流量费用；⑤新设计的应用需要与城市发展逐渐匹配，所以会有一段时间的适应期。

我国某些地区的政府已经将城市路灯照明控制系统的设计在城市当中进行试点，并且已经有部分企业开始关注这套城市路灯照明控制系统，并积极参与到设计规范的讨论当中去。相信经过众多企业的共同研究和开发，经过多年的实践以后，城市路灯照明控制系统会越来越发达，为我国带来更多的经济效益。

6 结束语

城市照明控制系统是重要的城市基础设施，它直接关系到城市居民的日常生活以及城市交通的安全性，所以政府部门要重视起城市路灯照明控制系统的应用，采用ZigBee无线通讯技术，合理控制城市的路灯照明系统。这样做一方面可以节约电能，减少电费成本，另一方面可通过自动化管理有效减少故障的发生，减少维修频率，节约维修成本。本文对基于ZigBee无线通讯技术的城市路灯照明控制系统设计进行了详细分析，希望能为城市路灯照明控制系统设计提供一定的参考。

參考文献

[1]昝永信，陈伟利.基于ZigBee无线通信技术的城市路灯节能防盗网络系统研究[J].通讯世界，2015（09）.

[2]经伟，许堃，余建波.基于GPRS和ZigBee的节能型LED路灯智能控制系统[J].计算机测量与控制，2015（05）.

〔编辑：王霞〕

文章编号：2095-6835（2016）23-0081-02