物联网技术在城市照明控制系统的应用

2021-02-26徐隆生

通信电源技术 2021年17期

徐隆生

（北京新时空科技股份有限公司，北京 100124）

0 引言

随着科学技术的不断发展，物联网技术的优势也逐渐得到大众的认可和广泛关注。城市的照明是该城市科技实力和竞争力有力的体现之一，将物联网技术有效应用到城市照明的控制系统中，可以实现城市照明系统远程管理和控制，在一定程度上节省能源的消耗。近几年，许多城市在照明工程中都投入大量的技术和资金，在给城市居民带来便利的同时也增加了相应的维护管理费用。在城市照明的控制系统中充分运用物联网技术，可以改进和优化控制系统，实现照明控制系统的节能。

1 物联网的概述

1.1 物联网的定义

物联网是通过全球定位系统及红外感应器、各种信息传感器等将物品和网络连接起来的网络系统，以实现信息交互、泛在连接的目的。在这一基础上，通过相关专业技术应用，实现对特定物品的识别、定位、监测和管理等功能，以提高物品的管理效率。而物联网在实际的运用过程中并不需要依靠网络，其主要以表达人们在日常生活中所见到的人、事、物等形成的系统，将它安装相应的传感设备以后，通过与互联网数据进行关联，使其可以直接对连接的物品进行管理。随着网络技术的不断发展，物联网的形式和概念也在进行不断的创新和完善，涵盖面也越来越广泛。物联网在应用时主要是依靠运输、智能处理及全面感知能力来进行工作，从而达到准确识别物品信息的目的[1]。

1.2 物联网主要结构

物联网主要包括感知层、网络层和应用层,如图1所示。

1.2.1 感知层

感知层就相当于人的皮肤和五官，是物联网的核心，是信息采集的关键部分，主要包括RFID标签、摄像头、传感器、二维码识读器、RPS、传感器网络以及终端等，通过各种不同类型的传感器和传感器相对应的网络对物质的环境状态、属性、行为等动态或静态的信息进行获取和辨识，并通过协同处理等方式对多角度、多尺度及多种类的信息进行计算，与网络中涉及到的其他单元进行信息传输和资源共享，部分应用还要通过智能终端或者执行器对所感知到的结果做出相应的反应，以此来实现智能化的控制。

1.2.2 网络层

网络层是物联网的中间层，主要在感知层和应用层之间起到承上启下的作用，从而完成对相关数据的传输和管理工作。网络层也被人们称之为传播信息的桥梁。网络层在日常的应用过程中，可以提高对感知层信息的接收效率，将其传输给应用层。网络层的实现方式主要以通信网络为主，例如GPRS、3G、4G和5G通信网络、蜂窝无线通信网络及有线通信等。

1.2.3 应用层

应用层是物联网的最高层，主要负责对感知层传输的数据进行接收，并根据实际的情况对其进行运用或通过科学的技术进行处理，将具体的数据信息运用到各行业中。应用层的主要表达形式是以最终端的显示器和数据库为主，是物联网中重要的组成部分。

1.3 物联网的应用

物联网应用范围广泛，包含了诸多领域，如在家居、交通、医疗、电网、物流、电力、安防、城市、汽车、建筑、税务、商业、工业、农业等方面。

智能家居方面主要是通过先进的计算机技术的应用，运用WiFi、Zigbee、蓝牙智能硬件、物联网技术、通讯技术等，将家居生活中涉及到的各个子系统进行有效的结合，通过对其进行统筹管理，让人们的居家生活变得更加舒适、方便、安全与有效。智能家居物联网应用如图2所示。

图2 智能家居

智慧交通主要是将物联网、智能传感器技术、互联网、信息网络技术、数据处理技术以及通信传输技术等进行有效的融合，并将其应用在整个交通控制系统中，在更广的范围内发挥出其交通体系的作用。智慧交通主要是以智慧路网、智慧装备、智慧物流、智慧出行以及智慧管理为主要内容，以信息技术的高度集成和信息资源的综合运用为核心特征的交通发展新形式[2]。

2 Zigbee通信协议

Zigbee无线连接技术相对于其他技术更简单，成本较低、能源消耗低，更适用于在近距离之间的无线网络，尤其是在物联网中的电子设备，在其传输间接性或者周期性的数据时，具有极强的价值，尽管其传输的速率偏低，但是相较于其他的无线接线，Zigbee的功耗更低。近几年，IEE802.15.4工作组和Zigbee联盟一起在对这种无线连接进行大力的推广，Zigbee联盟负责的是技术的组成应用和市场的推广，而工作组主要负责的是签订MAC层与Zigbee物理层的通信协议，而其他的协议则是沿用当前的通信标准执行，以便于不同厂家的通信设备相互连接。Zigbee通信协议主要是以工作组协议为基础，设备联网性更完整，能够全面支持网状结构无线网络以及形状结构的无线网络。同时由于其无线网络属于网状结构，具有极强的系统可靠性和完整性，在城市照明的控制系统中具有极强的适应性。例如：一般城市路灯的间距在50 m以内，可将Zigbee无线传感器安装在路灯上，在各个模块之间互相连接，再通过GPRS系统实现网络城市照明控制系统和网络集中调配器之间的数据传输和信息交换。

3 物联网技术在城市照明控制系统中的应用

3.1 在城市照明系统结构中的应用

物联网技术可以优化城市照明控制系统的结构，实现对城市照明控制中心、网络集中协调器以及路灯信息终端等的设置。在城市的照明控制中心内，可以通过互联网和GPRS通信网，始终保持与网络集中协调器之间的信息通讯，对网络集中协调器所接收到的数据信息进行收集，并向Zigbee无线传感器发送。而Zigbee所对应的无线传感器可以在2.4 G频段向路灯终端发送相关数据信息，路灯信息终端在接受到相关信息数据之后，会与信息通讯协议相结合共同执行具体的命令，改变单灯的运行模式，或者对整个城市的照明灯具的运行功率进行相应的调整。

3.2 在单灯信息终端中的应用

在城市的照明灯具中装入单灯信息终端，可以对灯具的运行参数进行动态的分析和采集，结合相关的电压、电流和温度等数据，对照明灯具的运行状态进行全面的分析和掌握。路灯相关的数据信息会直接发送到网络集中协调器，由协调器将所接收到的信息进行整合并对照明灯具的开关和亮度进行控制，同时还可以进行相应的报警。在单独的灯具中设置Zigbee无线传感器，可以与网络集中协调器交换内部数据。在城市的照明控制系统硬件设计中可借助Zigbee无线传感器和单片机对数据进行通信，在单灯信息模块设计时，可以借助低功耗的设计来达到降低能源消耗的目的。

3.3 在用户管理软件中的应用

目前的城市照明控制系统主要包括控制中心和网络客户端两个重要组成部分。在XML通信标准这一基础上，能够实现在网络接口之间的信息数据传输与交换，同时还可以在网络数据的连接过程中，实现网络数据的共享。在城市的照明控制系统中运用物联网技术，最重要的基础就是NET平台的架构，可以通过互联网软件所对应的操作系统，对视窗模块进行有效的设计，同时在城市照明灯具相对应的GIS信息系统的支持下，对人机交流界面进行优化设计[3,4]。

3.4 借助物联网技术丰富照明系统功能

在城市照明控制系统中运用物联网技术，可以实现集成控制或者单点控制，根据不同城市在不同季节中照明的实际需求，对城市的照明系统中所涉及的全夜灯或半夜灯进行自动定时设置，或者进行远程遥控相关照明灯具，还可以对控制系统中的单个路灯所对应的信息终端进行单点监测或单点控制[5,6]。除此之外，物联网技术能够实现照明的自动控制，对城市照明系统进行自动巡测，并对整个城市的多个不同区域所对应的照明情况进行及时和全面的监测，在事先预定的基础之上进行开关等自动操作。

物联网技术在城市照明控制系统中还可以实现精准定位和远程控制，以提升对照明系统的控制率，Zigbee无线传感器可以照明出现故障时及时将数据信息传输到网络集中协调器上，通过协调器将信息发送到城市照明控制中心，此时相关工作人员只需要根据信息就可以知道发生故障的具体位置，及时维护和抢修，降低了工作量，确保城市照明控制系统的稳定安全运行。

借助物联网技术，可以实现城市照明控制系统的附加服务功能, 有效地节约公共空间资源。（1）通过各种传感器以及辅助设备，为居民提供实时的广播信息播放，提供免费无线网络，设置便捷充电桩等，以此来提升居民生活的便利性和社会的服务质量。（2）通过路灯等照明设备安装定位系统，将摄像头安装在城市固定地点的路灯上，以此来完善对城市的监督和管理，同时还可以为公安部门提供有力的监控信息。（3）根据路灯上的监控和定位功能，为交通和汽车相关的科研等部门提供数据支持，在新型能源汽车和无人驾驶车辆的测试方面提供帮助。