基于ZigBee的物联网路灯智能监控系统的分析和研究

梁迺孚

摘要：目前物联网技术发现迅速，在国家“十三五”规划的指导下，智慧城市的建设已经成为每一个城市发展的必备战略。在智慧城市的建设中，路灯网作为城市建设中分布最广的基础网络，对于智慧城市的建设有着举足轻重的地位。可以说智慧城市的建设可以从智慧路灯开启，通过路灯控制系统的全部覆盖，让城市具备基本的信息采集网络，在此基础上扩展传感网的应用、道路wifi覆盖等应用层模块，可视为智慧城市的雏形。本文就对只能路灯照明控制系统的设计和应用进行分析和研究。

关键词：智慧照明；ZigBee；智慧城市；物联网

中图分类号：TP277.2 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）04-0128-02

1 概述

在城市发展领域，新型智慧城市建设的不断得到政府和社会的重视。在推进城市智能化的进程中，城市道路照明、智慧照明等逐渐受到重视，照明光源和控制手段得到了巨大的提升。但是城市路灯照明在带来辉煌、绚丽和方便的同时，也遇到了诸多预料不到的问题，如：节能问题、监控问题、管理问题等。

（1）节能问题：景观路灯不仅在车流量高峰全部开启，在车流量低估時（比如凌晨时段）也全部开启。

（2）路灯及夜景亮化运行一定程度上依靠管理部门车辆巡查和市民保修等原始手段去排查故障。

（3）无法远程实现单灯控制、无法及时获取路灯状态信息、无法准确获取能耗信息，最终导致路灯管理效率低下。

2 传统路灯系统的缺陷和社会需求

2.1 目前传统路灯系统的缺陷

（1）系统缺陷：无远程控制、无实时控制、无单灯管理、无集中式管理、无数据监测管理。

（2）管理困难：无法实时操控、巡检人员繁忙、巡检周期长、数据采集分析困难。

（3）隐患：能源浪费、故障无预警、故障排除滞后、道路安全隐患、设备容易被盗、亮灯率及节能成效无法量化。

2.2 社会和市场的需求

（1）智能管理：市政路灯照明系统不仅需要为城市交通提供照明光源，更承担起城市形象的职责，但随着城市规模的扩大，传统的照明方式已经不适合节约能源的要求，于是寻求新的智能照明方式迫在眉睫。

（2）节能减排：随着社会经济的不断发展，能源的浪费已经成为日渐严重的社会问题，而电力能源的浪费占比重最大。如果通过高科技手段提高日常生活照明用电和公共道路照明用电的效率，成为国家节能减排的头号课题。

3 物联网路灯智能监控系统核心技术分析和方案论述

采用目前成熟的控制技术来实现道路照明单灯控制的方式有很多，目比较通用的的有Zigbee无线通信技术和（PLC）电力载波通信技术两种模式。两种技术各有特点和优劣势；

（1）（PLC）电力线载波技术：指利用现有的路灯传输电力的线路作为控制用的数字信号的通信信道来传输数据，利用功率放大电路和LC谐振电路把信号向高频载波上进行调制并传输的一种通信模式。即每杆路灯之间采用现有的电力线作为通信信道，就可以实现数据的传输和指令收发，不需要重新铺设信号传输线路。根据电力载波的技术特点，采用其他作为信息传输媒介进行语音或数据传输的介质，对输电线并没有任何特殊的要求。

（2）Zigbee通讯技术是利用电磁波信号进行数字信号传输，需在每杆路灯上集成部署一个Zigbee无线通信模块，电磁波信号构成一个专用的无线局域网在自由空间中传播，属于一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee协议从下到上分别为物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、传输层（TL）、网络层（NWK）、应用层（APL）等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定，不需要物理连接线。

（3）电力线载波技术的存在的缺点：

1）电力载波信号只能在单相电力线上传输。三相电力线之间有比较大的信号损失（10 dB -30dB）。通讯距离很近时， 电力载波芯片不同相间可能会收到信号；

2）电力载波信号只能在一个配电变压器区域范围内传送，因为配电变压器对电力载波信号有阻隔作用；

3）信号藕合方式的不同对电力载波信号传输产生的衰减不同，藕合方式有线-地藕合和线-中线藕合。线-地藕合方式与线-中线藕合方式相比，电力载波信号少损失十几dB，但线-地藕合方式不是所有地区电力系统都适用；

4）电力线会对载波信号产生高削减。如果电力线上的负荷很重，而线路阻抗可达1欧姆以下，则会造成对载波信号的高削减。在工程应用中，如果电力线空载，点对点载波信号可传输几公里。但当电力线上负荷较重，则只能传输几十米；

5）电力线本身就存在各种固有的脉冲干扰。目前使用的交流电有50HZ和60HZ两种，其周期分别为20ms和16.7ms，在每一交流周期中，会出现两次峰值，两次峰值会带来两次脉冲干扰，这就是电力线上有固定的100HZ或120HZ脉冲干扰，干扰时间大约2ms，因此干扰必须加以处理。有一种利用波形过0点的短时间内进行数据传输的方法，但由于过0点时间短，实际应用与交流波形同步不好控制，现代通讯数据帧又比较长，所以难以应用。

4 物联网路灯智能监控系统的实现

电力载波通信（PLC）技术和Zigbee无线通信技术两种方式各有利弊，本文着重研究基于ZigBee的物联网路灯智能监控系统的实现和分析；

整个系统由拓扑图1所示，现场路灯安装无线ZigBee路灯控制器，通过现场控制中心ZigBee转GPRS网关，将数据汇总，通过GPRS连接到互联网，远程监控中心通过联网的路灯监控软件，实现路灯的调光、省电统计、损坏监测等功能。

4.1 系统设计思路与原则

4.1.1 可靠性和安全性

软件设计方面：系统建成后，为保证数据传输的安全性，平台对数据在传输过程中采用加解密的技术；防止非法用户的恶意侵入，保证系统的安全，系统具有经过严密设计的保密機制防止恶意入侵。

硬件设计方面：系统涉及的现场硬件产品应经过规模应用实践验证，具有极高的可靠性，特别是抵抗高温环境和恶劣电磁环境具有异常突出的表现。系统支持负载均衡功能，单个服务器出现故障不会影响到整个监控平台的正常工作。

从用户操作者方面：不同的区域可以设定不用的管理者权限，每个管理者权限的操作内容、功能模块可以分别定义。

4.1.2 可扩展性及前瞻性

城市智能照明监控系统作为智慧城市的一部分，采用国际通用的开源数据库，便于数据共享并且可以快速高效的接入智慧城市系统软件，并可灵活地与其他智能平台/应用进行对接。系统架构采用模块化，多层级设计，考虑后续随着智慧平台的发展，可以将整个市、整个省、整个国家的照明系统纳入统一的监控平台。

4.1.3 科学性和实用性

系统依赖先进技术组建的复杂系统，最终面向用户的却是非常生动直观的软件界面和十分简洁明了的硬件模块单元。使用者无需具备很多的专业知识。在系统使用和维护方面只需要具备普通的计算机操作知识和电工知识，经过系统专业人员简单的技术培训即可熟练驾奴。

4.1.4 设备工作环境

硬件产品部按照工业级的标准进行设计，产品的工作温度满足：-40℃--85℃，工作湿度适应性：5%～90%，可以确保设备在极端可靠稳定的运行。

4.1.5 产品防水防尘等级

中位机控制器具备IP54的防水防尘等级，加之安装于相对封闭的开关控制箱内，对湿度、扬尘等，均具有一定的防护，能够满足现场环境需求。设备终端具备IP67的防水等级，设备长期浸泡在也可以正常使用。

4.1.6 防雷击浪涌功能

因设备均在户外使用，因此对于设备的防雷击、浪涌功能就有极高的要求。监控系统使用到的硬件设备均具备6KV以上的防雷击功能，可以在极端环境下对设备起到保护。

4.1.7 系统故障应对机制

中位机设备支持脱机运行：如果监控中心或者通信系统出现故障中位机进入脱机运行模式，可以按照预设的任务自主运行。监控终端设备如果出现故障，可以自动屏蔽故障点不影响灯具的正常照明。

4.1.8 系统通讯方式

考虑到无线通讯技术的成熟性和应用稳定性，系统通讯方式拟设计采用公网通讯方式（CDMA）。监控中心光纤专线接入，配置固定IP；前端通过配置通讯模块、安装通讯卡实现无线通讯。

4.2 系统的层次化结构

本次系统设计，从层次化设计思路出发，设计为三层系统架构，分别是：

监控中心：实现系统的总体控制，信息、管理、维护、突发事件处理等；通过计算机技术构筑基础局域网络，并实现与外网连接；

通讯层：实现系统的数据传输与通讯（现场通讯采用ZigBee，系统通讯采用无线公网）；

执行层：接收中心指令，实现现场控制、数据采集、场景控制、故障监测等；

三层系统架构，互为独立又相互融合，形成一个完整的系统。

系统架构采用模块化结构，具有良好的扩展性，可灵活地与其他城市监管平台/应用进行对接。

5 结语

当前物联网技术发展迅猛，智慧城市的建设已经成为不可逆转的趋势。本文着重提出了由智慧照明作为智慧城市的建设基础的概念，并研究和分析了实现物联网路灯智慧照明的方案和技术应用。ZigBee技术在智慧路灯系统中的应用，可以根据不同的照明策略进行照明控制，在保证道路照明的同时节约了能源。无线方式的信息传输，可以避免有限电缆的铺设，降低了部署和施工所产生的成本和影响。智慧路灯控制网络的铺设也可以为其他智慧城市设施的投放提供了载体。

参考文献

[1]王家耀.大数据时代的智慧城市[J].测绘科学，2014，05：3-7.

[2]石晓冬.大数据时代的城乡规划与智慧城市[J].城市规划，2014，03：48-52.

[3]陈涛，照明控制与自动化系统的完美结合-智能照明控制系统的再认识[J].照明工程学报，2013，14（3）：26-32.

[4]裴丽群.基于ZigBee 的无线照明系统的研究和设计[D]：[硕士论文]，上海：上海交通大学，2008.