基于异构网络的城市道路照明管控一体化系统实现

江西省新能源工艺及装备工程技术研究中心（东华理工大学） 何俊剑 罗先喜

基于异构网络的城市道路照明管控一体化系统实现

江西省新能源工艺及装备工程技术研究中心（东华理工大学） 何俊剑 罗先喜

针对路灯分布范围广，管理困难。大量路灯不能根据实际道路的需求自动调节的问题，本文提出一种远程管控路灯的控制系统方案。该方案采用Internet，3G和ZigBee共存的异构通讯网络技术远程测量路灯工作电压、电流和功耗等数据，远程监控路灯的工作状态，同时根据实际环境对照明的需求远程控制路灯的开关及照明亮度的调节，实现智慧照明。在ZigBee路灯节点加装传感器模块，检测照度、温度等感应环境变化状况，使路灯根据环境变化自动控制路灯系统的开关；通过ZigBee技术自组网进行节点间数据无线通讯，等实现智能监控路灯系统方案，通过本项目的实施，实现城市路灯的单灯实时远程监控和管理，提高路灯管理维护效率、降低运行成本，提高城市路灯管理水平。

城市；道路照明；ZigBee技术；远程监控

1.传统道路照明存在的问题

路灯是一座城市必不可少的最常见的基础设施，但现有的传统路灯智能化程度和稳定性都相对较低，仅仅只提供亮度这单一的功能，无法完全满足实际道路的需求和远程管理监控，给路灯系统的管理和维护造成很大的困难。传统路灯系统伴随着开关灯控制方式单一，因为天气季节等变化产生的日出日落时间不一样，使亮灯时间不准确；路灯的分布范围特别广，当出现损坏情况时无法找到故障路灯所在位置，导致巡查相当困难；处理故障路灯时，需要长时间的检查才能够解决故障问题，不能像智能路灯系统实时监测出路灯使用状态和智能判断故障点，造成不能及时的进行处理，亮灯率无法把控等问题；将路灯通过ZigBee技术相互连接，利用Internet/3G技术将路灯与管控平台进行连接，组建成无线远程监控路灯网络，实时监控路灯运行状态及根据不同使用环境进行自我模式调节，有效的提高路灯的使用效率和功能效率，使照明系统更多元化和灵活性。

2.异构网络

异构网络是为了满足未来通信多样性而产生，无线通信系统采用了不同的接入技术，将两种技术进行融合嵌入系统，各自发挥其优势进行互补，本系统采用的是ZigBee与Internet/3G进行异构融合，利用3G/Internet技术弥补ZigBee技术低速率和超长距离传输方面的劣势，ZigBee技术弥补3G技术大规模组网成本高等不足。

本系统采用ZigBee网络技术对路灯进行管控通讯， Zigbee联盟如今已有200多家成员加入，队伍仍在不断发展壮大，技术的发展和硬件设计制造的前景是相当大的。ZigBee无线网络通讯技术具有低功耗、低复杂度及自组织等特点，相对与其他无线网络通讯技术对于城市路灯的控制不管在成本还是在控制上都是非常有优势。其动态路由的自组织网特性可以自动解决路灯节点链中某一节点故障导致的通讯中断问题，其网络层的路由具有大规模组网的特性，能够合理的解决路灯数量大、分布广的问题，节点加入网络的速度响应十分迅速，支持组播、广播等方式，对终端应用带来有力的支持，低功耗的特点对于城市照明系统在节约电能特别有帮助，2节5号干电池足够支持一个节点设备6-24个月，如果系统加入休眠状态功能能够使用更长时间，能够对设备维护方面和人力方面减轻不少负担。

Internet/3G网络是高速数据传输的通讯技术，将其加入系统中保证组织架构更加科学合理的运行，其速率一般在几百kbps以上，可以同时传输声音及数据信息，能够实现一对一和一对多的传输方法，信息的传输十分稳定迅捷，目前基本全球覆盖，对于城市道路照明系统随时随地查看运行状况十分有利。

3.基于异构网络的管控一体化平台框架

图1 基于异构网络的管控一体化平台框架图

本系统由集中台、分控中心、集控器三个部分构成整个系统。

3.1 集中管控平台

相当于人的大脑，在整个系统中起着核心的作用，监控整个系统的运营状况，将报警信息传输至大屏幕显示，将数据保存至云服务器，生成日/周/月状况报表等。

3.2 分控中心

分控中心是集中管控平台的一小部分，为了达到更精确的控制和减轻集中管控平台压力的目标而设立，帮助集中管控平台对数据进行处理，在信息传输过程中也能够更大的防止信息的丢失，提高管控系统的使用和检测效率。

3.3 集中控制器

集控器就像一个小组长，管理着一组路灯，当需要对单灯进行控制时，上位机将命令传输至集控器，就可以对单个路灯进行开关、模式、运行数据等进行管控。

4.硬件结构及工作原理

4.1 集中控制器

路灯系统内集中控制器包括对各路灯控制节点发送的数据进行接收，分析各数据是否超过报警值，若超过则立马将数据其发送给监控中心，若未超过则固定时间发送给监控中心，实现对所控路灯的监控。

集中控制器包括照度传感器、烟雾传感器、雨雪传感器等感知系统，根据不同的天气变化，给路灯节点发送指令进行灯光亮度的调节；同时接收各路灯的状态信息，对路灯进行电流、电压数据采集，若数据有异常，能够将发出该路灯特有的唯一编号和报警信号一层一层往上传递到监控中心显示。

4.2 通信系统

采用双层异构网络：底层Zigbee,上层网络为3G/Internet商业公共网络。节点控制器间采用树状多跳组网方式，因每个节点控制器在网络中的地位相同，都具有路由功能，则可自由互换，实现接力传输；组建的ZigBee树状多跳网络，具有自愈功能，网络中除集中控制器外任何一个或多个节点损坏，子系统能够重新发起路由，跳过故障节点，建立新的网络使节点再次加入，不影响整个网络的功能。

4.3 集中管控平台

硬件包括云端服务器、大屏幕、软件。

4．3．1 服务器

CPU核心不低于八核，网络控制器双端口自适应千兆网卡，可拓展四口千兆网卡，内存容量不小于2GB，硬盘容量不少于2T。

4．3．2 监控中心软件

采用Windows2012/2003这一安全性和稳定性最好的操作系统，配置SQL Server2008数据库平台，采用C/S+B/S架构，支持浏览器/服务器查询模式，支持IE6以上版本兼容浏览。

4．3．3 大屏幕

应用GIS平台，可以进行编辑管理，主控箱、单灯等组件可自由添加、编辑。组件的添加采用直接输入坐标定位和鼠标拖曳和方向键微调的方式定位两种方式。

5.智能路灯系统可实现功能

（1）可实现管控平台对单灯远程监测电压、功耗等数据，控制开/关并可调节灯具亮度。

（2）可根据传感器采集数据并数据融合后模拟的天气环境、人车流量环境，实现不同环境下自动开/关路灯和调整灯具亮度，保证使用需要。

（3）具有路灯故障检测功能，当有路灯损坏，可以进行声光报警，并将故障路灯的具体位置

以及故障路灯当时电流、电压等数据发至管控平台，方便维修人员及时找到故障点。

（4）具有数据统计和存储功能，对路灯用电量、亮灯率和功耗等数据进行存储，并可查询历

史记录，自动生成日/周/月/年报表数据。

（5）系统具有休眠状态，降低系统功耗和运营成本。

6.具体功能的实现方案

6.1 路灯监控的实现

区域控制器、街道控制器、路灯节点控制器全部由ZigBee平台分成三级进行构建，区域传感器通过ZigBee电路接收监控中心的数据包指令，然后建立网络，附近相应路灯节点加入到此网络中，最后对加入区域节点的路灯节点，以广播方式发送集控器的数据包指令，路灯节点根据指令表判断指令，再进行相应的操作，对路灯进行开关或数据采集功能，达到由集控器控制某一具体路灯的功能。

6.2 通讯系统的实现

智能照明系统集控器与监控中心之间的通讯运用的是3G模式，众所周知3G网已遍布全球，具有灵活性、高速性和可升级性的优点，支持高速数据传输的移动通讯技术；路灯节点与集控器之间的通讯实现依托在ZigBee无线通讯技术的基础上，这一技术在近距离无线通讯领域广泛应用，功耗小、网络结构灵活、成本低的优点，节点的电源甚至可以用干电池进行维持好几个月，由于其网络拓扑结构灵活，即使某一节点若出现问题仍可保持系统信息的正常传递。

6.3 系统集成的实现

系统的集成包括串口配置、Zigbee读取及配置、路灯调试、井盖调试、泵站调试。通过串口配置界面设置相应的串口配置参数；通过Zigbee 的配置程序可读取Zigbee模块的网络ID号、波特率、网络地址、MAC 地址，可以方便的设置Zigbee模块的网络ID号、波特率；通过路灯调试界面可以读取该街道路灯的环境光强、路灯光强、功耗、是否故障等信息，可以对该路灯进行调光测试及设置该路灯工作时间；确保各部分运行在正常范围内。

7.经济与社会效益

城市智能管理系统投入使用，能带来巨大的社会效益，大大减少由于管理得不足，维护不及时所造成的交通事故，意外事故，人员伤亡。

此系统在路灯方面展现动态智能化管理，根据天气变化或者人与车的流量自动变化不同的模式，天气晴朗则降低路灯照度，能够更加节约电能，人车流量高则提高路灯照度，提高使用的合理性，使电力资源更加合理的利用；通过系统调节后的路灯没有长期处在高强度工作，能够延长路灯的使用寿命，减少了路灯的维修费用，于此同时，不同模式下的路灯能够使人们的生活更加便利，小巷胡同内也将处于灯火通明的状态，路灯的调节模式能够在雾霾严重时提高亮度，让每一位司机看清前方，减少事故的发生率，系统对于路灯调节能够达到节约电能的目的，减少的维修费用也能够使资源更多的注重于使群众更加便利的其他基础设施服务；一套完整的智慧城市系统使人民的生活更加有保障，能够更加专注的投入社会的建设，让这座城市更加的具有归属感以及独特的魅力。无论从节能环保，还是经济、社会效益的角度看，智能路灯的建设都具有长远而深刻的实际意义。

8.结论

本系统采用Zigbee协议实现了路灯控制系统的实时监控和网络化管理。系统网络扩展灵活、现场易于安装，操作界面友好、管理方便。全程采用无线控制，免布线。对路灯的控制可按设计的时间进行合理控制，实现全年365天每天精确的开关灯时间，可以把全年节假日的特殊开关灯时间进行设置，有突发事件时，可以设置临时时间方案，并可根据当地的天气情况适时亮灭灯。路灯的远程智能化控制节约电能，大大减少了管理部门的工作压力、提高管理效率。从社会效益和可行性分析，都要比原城市管理系统更完善，更智能，更高效。智能路灯远程无线智能化控制是大势所趋。智能化和网络化控制路灯是未来路灯控制的发展方向和必然趋势。随着技术的进步和城市发展的需求，无线传感节点集成度会越来越高，价格会越来越低，智慧城市控制系统的功能会越来越多，自动化管理和无线通信技术的结合应用也必然会越来越广泛。

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何俊剑（1993—），男，湖南益阳人，硕士研究生，研究方向：嵌入式系统与自动控制。

本项目得到中国留学基金委（No．201508360120）；江西省基金项目（JXNE2014-14，GJJ13466，GJJ13467）资助。