基于物联网的智能路灯电源管控系统研究

孙皓月，张 梁，祁爱华，董小庆

(1.河北建筑工程学院，河北张家口0750002；2.涿鹿县住房和城乡规划建设局，河北张家口075000)

基于物联网的智能路灯电源管控系统研究

孙皓月1，张 梁1，祁爱华1，董小庆2

(1.河北建筑工程学院，河北张家口0750002；2.涿鹿县住房和城乡规划建设局，河北张家口075000)

将物联网技术引入管控系统可以提高系统的智能化水平。针对传统的城市路灯管控效率低下等问题以及城市路灯智能化建设的现实需求，对城市路灯电源的管控系统进行了基于物联网技术的研究分析。着重研究了在物联网感知层下的基于ZigBee无线自组网技术在现场设备有效控制以及信息可靠传输方面的应用。最后提出了基于GIS路灯定位信息库的设计方案，提高系统的管控水平。

物联网;智能路灯;管控系统;ZigBee

随着城市化进程的进一步深化，越来越多的人选择了城市生活。现在我国大多数城市路灯照明系统采用的是高压钠灯和金属卤化物灯，这种气体放电发光式的路灯虽然能耗较传统的白炽灯明显降低，但是据有关部门的统计显示，全国城市公共照明用电在我国照明耗电中占30%，占全国发电总量的10%～12%。城市公共照明耗电成为了政府主要财政支出之一，在保障正常照明的前提下，降低城市路灯耗能成为城市建设的重要内容。传统的路灯管理系统多是通过人工巡视，这些重复性的工作耗费了大量的人力物力并且效率低下，难以满足现代化城市建设的要求。

物联网的概念最早是1999年被提出，自提出之始便备受关注。物联网是结合了计算机技术、通信技术以及控制技术等多种技术的交叉型领域，物联网技术的发展被称为第三次科技浪潮。简单而言，物联网就是物物相连的网络，即网络的终端不仅仅是传统的计算机，而成为了一切可以连入网络的智能设备。这种物物相连的网络为解决传统路灯电源管控系统控制力差、控制效率低等问题提出了新的思路。

1 管控系统的整体结构

城市的路灯系统是一个规模非常庞大而复杂的系统，并且分布于城市的每条道路上，实现实时性有效管理相对困难。本研究的主要目的是将物联网技术应用于路灯电源的管控系统之中，从而赋予每个路灯智能化，实现每个路灯模块能够进行自我信息处理、自我调整、自我环境配置和相对独立的做出决策。要实现每个路灯变成“有思想的路灯”，就要实现路灯与路灯之间，路灯与人之间的有效信息传输[1]。针对路灯的实际特点以及物联网感知层、网络层和应用层三层架构提出了如图1所示的智能路灯电源管控系统的整体设计结构。

图1 智能路灯电源整体设计结构

由图1所示可知，本系统主要由三个部分组成：单灯电源控制模块、路灯集中控制模块和远程监控中心。单灯电源控制模块为系统的最底层，安装了系统必需的传感器以及开关设备。每一个控制器均为一个ZigBee无线自组网的接入点，分配唯一的物理地址。路灯集中控制模块通过GPRS协议实现与远端监控中心实现数据的交互，是整个系统的中枢环节。远程监控中心则采用C/S架构，路灯设备管理人员通过远程监控中心实现对路灯系统的监控、管理。

2 基于物联网的系统设计

感知层是物联网的最底层，感知层采集的信息是整个系统数据的来源，在三层体系结构中占有极其重要的地位。在城市路灯实现智能化的过程中首先要完成的便是对设备工作状态的获取，即在物联网感知层实现信息采集获取。

2.1 基于ZigBee的感知层组网方案

ZigBee协议是以IEEE802.15.4协议为基础的无线通信协议。笔者通过比较诸如Bluetooth协议(蓝牙协议)、ZigBee协议以及红外协议等无线传感网协议，决定选择低功耗、短距离、低速率的ZigBee协议作为路灯基本模块的信息传输协议[2]。本文基于ZigBee协议设计的现场信息传输机制如图2所示。采用的ZigBee无线通信模块为CC2530，这是由TI公司生产的具有8051内核的核心控制模块。

图2 系统网络拓扑结构

在路灯电源系统中对其进行的管控主要设计两个方面：其一为工作状态的采集，其二为实现路灯的定时关闭开启和远程人工干预。本系统通过电压传感器与电流传感器实现对路灯设备工作状态的检测，同时为了在保障正常照明的前提下使智能路灯能够根据实时光照情况实现智能的开关操作，笔者还在现场布置了大量的光敏传感器感知实时光强。这些布置在现场的传感器定时将数据通过ZigBee协议传输到路由节点。为了保障数据的实时性，本系统设计每3 s上传一次数据。路由节点经由路由转发将数据汇聚到协调器节点，数据在协调器节点实现预处理，打包转发给路灯集中控制器，再经由GPRS协议实现进一步的信息传输。

2.2 路灯终端的设计方案

由上文的数据传输方案可知在现场有3种不同类型的终端节点：普通终端、路由终端和协调器终端。普通终端是采集信息的主要设备，由独立的电路模块以及相应的传感器组成，具体的终端设计方案如图3所示。

图3 路灯终端设计方案

在路灯终端的硬件电路设计中，光敏电阻主要分为两种不同的功能：一种布置在灯柱上采集外界的光强，根据采集光强从而判断是否需要发出路灯打开的请求；另一种布置在路灯的发光源附近，通过采集路灯的光强判断路灯是否在正常工作以及是否需要调节路灯的亮度。电流及电压检测电路是通过检测干路电流，判断电路的工作状态是否正常。除此之外还设计了振动传感器与声音传感器，其主要在夜间，尤其是后半夜开始工作。当夜间车流较少时，可以降低路灯的亮度以达到节能的目的，当检测到有车辆通过时则可以适当的调节路灯亮度。故障检测模块则是现场的控制模块，当检测到现场故障时，根据预设的程序选择断电处理等操作，从而保护现场设备。同时故障模块通过与路灯集中控制器通信，向远端的控制中心发出警报。

2.3 基于地理信息系统(GIS)的路灯终端定位设计

在城市路灯电源的管控系统中，有一个必不可少的问题：如何实现路灯定位。关于路灯的定位本系统设计了两种定位方式：ZigBee通信模块的物理地址定位和基于GIS的定位。其中基于GIS的上位机设计可以有效地确定设备的精确地理位置信息。

实现智能路灯的自动化信息系统首先便是要构建路灯的资料信息库。主要包括两个方面：路灯基本信息库和路灯实时工作状态信息库。本系统中路灯基本信息库包括路灯ZigBee终端编号，路灯地理位置，路灯的搭建日期，所使用的材料，功率等等。路灯实时性的工作状态信息库包含信息为路灯的工作状态，电压、电流参数以及当下该路灯所处的外界天气情况等等。

3 结语

近年来随着物联网技术的发展，利用物联网技术进行城市智能化建设成为未来城市发展的主流。本文针对物联网感知层的相关技术，提出了基于物联网的智能路灯电源管控系统。该系统通过ZigBee协议实现了底层感知数据的实时性感知与传输，提高了系统的智能化程度，实现了远程实时性控制。笔者最后还对基于GIS的路灯终端定位系统做了简要说明，设计了路灯的资料信息库，实现了路灯的精确定位。

[1]丁亮.基于物联网的城市路灯监控系统架构及相关技术实现[D].杭州:杭州电子科技大学，2012:6-7.

[2]董玉德.基于物联网的路灯可视化监控系统设计[J].高技术通讯，2015(5):515-523.

Study on intelligent street lamp power supply management and control system based on Internet of Things

SUN Hao-yue1,ZHANG Liang1,QI Ai-hua1,DONG Xiao-qing2
(1.Hebei University of Architecture,Zhangjiakou Hebei 075000,China;2.Zhuolu County of Housing and Urban-Rural Development Bureau,Zhangjiakou Hebei 075000,China)

Introducing the Internet of Things technology into management and control system can improve the intelligence level of the system.Aiming at the problem of low efficiency of urban street lamp control and the practical demand of urban street lamp intelligent construction,The research and analysis on the control system of city street lamp power based on Internet of Things technology was conducted. The efficient control of field equipment and information transmission was focused on under the sensing layer of Internet of Things based on ZigBee.Finally,the design scheme based on GIS streetlight location information base was put forward to improve the level of management and control of the system.

Internet of Things;intelligent street lights;control system;ZigBee

TM 7

A

1002-087 X(2017)07-1071-02

2016-12-03

河北省高等学校科学技术研究项目(QN2016220);河北建筑工程学院校级科研基金项目(2016XJJQN15)

孙皓月(1980—)，男，河北省人，硕士，副教授，主要研究方向为计算机网络和物联网技术。