基于物聯(lián)網(wǎng)技術的城市路燈無線網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)

王 穎

(山西省交通信息通信公司，山西太原030003)

1 城市路燈監(jiān)控的發(fā)展與現(xiàn)狀

近年來，隨著城市化的高歌猛進，城市照明的建設也蓬勃發(fā)展，城區(qū)已形成了規(guī)模龐大、錯綜復雜的路燈線路，城市路燈的監(jiān)控和管理水平雖然也在不斷的提高，但遠遠趕不上城市化的擴張步伐。

國內(nèi)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)從上世紀80年代末至今，已走過了近二十年，從控制技術方面看，經(jīng)歷了定時控制、經(jīng)緯度時間控制、光照度控制、光控與時控結(jié)合;從監(jiān)控方式方面看，已經(jīng)歷了本地控制、路燈回路監(jiān)控二個階段，現(xiàn)正向單燈遠程監(jiān)控的方向發(fā)展;從數(shù)據(jù)傳輸方面看，嘗試過用電力線、電話線載波的數(shù)據(jù)傳輸方式、230MHz專用頻道無線數(shù)據(jù)傳輸方式、短消息SMS和GPRS/CDMA無線公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸方式等。數(shù)據(jù)傳輸是制約路燈監(jiān)控發(fā)展水平的關鍵環(huán)節(jié)，以上數(shù)據(jù)傳輸方式由于投資高昂，可靠性差，設備繁多，系統(tǒng)復雜，維護難度大，工程量浩大，系統(tǒng)的靈活性、擴展性差等原因均未能投入規(guī)?；瘜嵱谩?/p>

目前，全國大部分小城市以及城鎮(zhèn)仍然處于本地控制的發(fā)展階段，而大中城市的照明監(jiān)控和管理已經(jīng)基本實現(xiàn)了路燈回路的遠程監(jiān)控。但無論上述哪種監(jiān)控方式，大部分路燈設施均靠人工巡檢，或者采取定期更換燈具的辦法，造成巨大的人力和設備資源的浪費;集中亮燈時電流、電壓的瞬間劇烈變化對專用變壓器和燈具造成的巨大沖擊，時常造成設備的損害，大大縮短了設備的使用壽命。這與“分時間、分路段、分情景”的智能化管理目標相距甚遠，更談不上根據(jù)實際情況科學調(diào)度，節(jié)能減排，實現(xiàn)綠色照明。

幾十年來路燈監(jiān)控的發(fā)展歷程和現(xiàn)實需求表明，城市路燈監(jiān)控管理的根本發(fā)展方向是實施單燈級別的遠程監(jiān)控，運用先進的大型計算機和無線網(wǎng)絡技術，實現(xiàn)對城市路燈的集中監(jiān)控，智能調(diào)度和科學管理。這其中，最關鍵的技術環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)傳輸，是解決數(shù)量龐大，地域分布廣闊的路燈監(jiān)控點的信息交換，徹底解決“最后1公里、甚至100米、10米”的數(shù)據(jù)通信問題。

2 城市路燈監(jiān)控的需求分析

(1)必須實現(xiàn)單燈監(jiān)控:從路燈監(jiān)控的發(fā)展過程和現(xiàn)實需求來看，單燈監(jiān)控是必然和必須的選擇，否則，調(diào)度方式簡單，電能浪費，設備資源浪費，維護困難等問題就都不能得到解決。

(2)實現(xiàn)節(jié)能減排，綠色照明:眾所周知，城市公共照明系統(tǒng)的電能消耗是相當巨大的，據(jù)上海市的數(shù)據(jù)，上海照明用電約占全市用電的33.7%，一般的城市這個比例也在20%以上。因此，大幅降低城市公共照明系統(tǒng)的電能消耗，實現(xiàn)綠色照明，就成為節(jié)能減排，建設節(jié)能型城市的重要一環(huán)［1］。

(3)信息節(jié)點數(shù)量龐大:每盞路燈就是一個測控點，是信息網(wǎng)絡中的一個信息交換節(jié)點。現(xiàn)在，即便是中小城市，路燈的數(shù)量也數(shù)以萬計，至于象北上廣這樣的特大型城市，路燈的數(shù)量更是數(shù)以百萬計。

(4)分布區(qū)域廣大:路燈分布在城市的每一個角落，分布在幾十公里甚至幾百平方公里的廣大區(qū)域，因此需要強大的通訊覆蓋范圍。

(5)投資成本低:如此龐大的信息節(jié)點規(guī)模，如果單燈成本不能很低的話，最終的投資規(guī)模將是無法承受的。

(6)施工簡便，工程量小:對于如此龐大的路燈數(shù)量和廣大的分布區(qū)域，無論是新建還是改造，都必須要求施工簡便，現(xiàn)場的工程量小，那種需要大興土木的方式顯然是無法接受的。

(7)可靠性高:事關安全出行的每個人，極高的可靠性要求是對系統(tǒng)的基本要求。

(8)擴展性好:隨著城市的發(fā)展和規(guī)模擴張，監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)模及信息量會越來越大，因此要求系統(tǒng)具有良好的擴展性。

3 Zigbee技術特點

ZigBee技術和RFID技術在2004年就被列為當今世界發(fā)展最快，市場前景最廣闊的十大最新技術中的兩個，是物聯(lián)網(wǎng)應用最關鍵的技術之一。眾所周知，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關鍵在于解決位于網(wǎng)絡末梢的海量信息終端的數(shù)據(jù)通訊問題，ZigBee就是解決“最后1公里、甚至100米、10米”數(shù)據(jù)通信的理想技術。

ZigBee是個仿生學名詞，來源于蜂群中蜜蜂相互通訊時的螺旋形“Z”字舞蹈，使用免費的工業(yè)、科學、醫(yī)療專用頻段(2.4G －ISM)，它是 IEEE 802.15.4 協(xié)議的代名詞，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能［2］。其主要特點可以概括為“三低兩高”:

(1)近距離:傳輸范圍一般在10～100 m之間，這指的是相鄰節(jié)點間的距離。通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離可以更遠;

(2)低功耗:在低耗電待機模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6個月－24個月，甚至更長;

(3)低成本:通過大幅簡化協(xié)議降低了通信控制器成本(不足藍牙的1/10)，而且ZigBee的協(xié)議專利免費;

(4)高容量:最多可組成65000個節(jié)點的大網(wǎng);

(5)高可靠性:由于采用網(wǎng)狀網(wǎng)(Mesh網(wǎng)絡)拓撲結(jié)構(gòu)，自動路由，動態(tài)組網(wǎng)，直序擴頻(DSSS)的方式。因而抗干擾性強，能夠很好適應工業(yè)自動化控制現(xiàn)場的復雜狀況。通常，符合如下條件之一的短距離通信就可以考慮應用Zig-Bee:

①需要數(shù)據(jù)采集或監(jiān)控的網(wǎng)點多，有大量終端設備的網(wǎng)絡;

②要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，而要求設備成本低;

③要求數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，安全性高;

④要求設備體積很小;

⑤地形復雜，發(fā)布區(qū)域廣大，需要較大的網(wǎng)絡覆蓋。

對照ZigBee技術的特點和路燈監(jiān)控的需求，我們不難發(fā)現(xiàn)，基于ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)技術是解決單燈監(jiān)控數(shù)據(jù)通信問題的理想技術途徑。

4 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

4.1 無線網(wǎng)絡通信系統(tǒng)的設計

在城市的照明設施中，燈桿沿著道路兩側(cè)均勻分布，每個燈桿的距離在25 m～50 m之間，遍布在城市廣大的區(qū)域之中。據(jù)此，我們設計以ZigBee技術構(gòu)建二級子網(wǎng)，在每桿路燈上安裝一個ZigBee通信模塊，作為網(wǎng)絡中的一個節(jié)點，節(jié)點與節(jié)點之間采用多跳通信協(xié)議，通過對等通訊形成自組織網(wǎng)絡，解決短距離無線通信的問題;以GPRS技術構(gòu)建無線骨干網(wǎng)絡，解決遠距離無線通信的問題。每100～200盞路燈，方圓1～2 km的范圍內(nèi)組成一個二級子網(wǎng)，每個節(jié)點通過二級子網(wǎng)，以無線接力的方式與中繼器雙向數(shù)據(jù)通信，然后中繼器通過GPRS與監(jiān)控中心的計算機管理系統(tǒng)進行雙向數(shù)據(jù)通信，這樣，通過無線接力的方式，最終形成覆蓋整個城市的無線網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)對每一盞路燈的遠程監(jiān)控。

4.1.1基于ZigBee技術的二級子網(wǎng)

Zigbee技術最重要的特點之一就是支持mesh網(wǎng)絡。無線Mesh網(wǎng)絡(無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡)也稱為“多跳(multi－h(huán)op)”網(wǎng)絡，它是一種與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡完全不同的新型無線網(wǎng)絡技術。在傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)(WLAN)中，每個客戶端均通過一條與AP相連的無線鏈路來訪問網(wǎng)絡，用戶如果要進行相互通信的話，必須首先訪問一個固定的接入點(AP)，這種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)被稱為單跳網(wǎng)絡。而在無線Mesh網(wǎng)絡中，任何無線設備節(jié)點都可以同時作為AP和路由器，網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都可以發(fā)送和接收信號，每個節(jié)點都可以與一個或者多個對等節(jié)點進行直接通信。數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中自動尋找效率最高的傳輸路徑，直到到達目的地，沒有固定的路由。添加或移動設備時，網(wǎng)絡能夠自動發(fā)現(xiàn)拓撲變化，并自動調(diào)整通信路由，以獲取最有效的傳輸路徑。

圖1 Meish網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)示意圖

Mesh網(wǎng)絡的這些特點和優(yōu)勢特別適合城市路燈監(jiān)控的需求，通過在每桿路燈上安裝一個ZigBee通信模塊，就可以自動組成一個理想的物聯(lián)網(wǎng)應用環(huán)境，實現(xiàn)海量節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸。

4.1.2基于GPRS的骨干網(wǎng)

GPRS特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的數(shù)據(jù)傳輸，理論帶寬可達171.2 kb/s，實際應用帶寬大約在10～70 kb/s，在此信道上提供TCP/IP連接，可以用于INTERNET連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢谩?/p>

其主要特點是:

(1)可靠性高:GPRS網(wǎng)絡本身具備完善的頻分復用機制，并具備極強的抗干擾性能，完全避免了傳統(tǒng)數(shù)傳電臺的多機頻段“碰撞”現(xiàn)象。

(2)實時性強:GPRS具有實時在線的特性，數(shù)據(jù)傳輸時延小，目前GPRS實際數(shù)據(jù)傳輸速率在30 kbps左右，完全能滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率(≥10 kbps)的需求。

(3)監(jiān)控范圍廣:GPRS網(wǎng)絡已經(jīng)實現(xiàn)全國范圍內(nèi)覆蓋，并且擴容無限制，接入地點無限制，能滿足城市路燈的監(jiān)控需求。

(4)系統(tǒng)建設成本低:由于采用GPRS公網(wǎng)平臺，無需建設網(wǎng)絡，建設成本低。

(5)系統(tǒng)運營成本低:采用GPRS公網(wǎng)通信，可按數(shù)據(jù)實際通信流量計費，也可以按包月不限流量收費，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)的低成本通信，并且免去了網(wǎng)絡維護費用。

因此，GPRS是無線骨干網(wǎng)的理想選擇。

4.2 監(jiān)控系統(tǒng)的設計

監(jiān)控系統(tǒng)主要包括三個部分:

(1)路燈管理中心中央控制系統(tǒng):該系統(tǒng)配置于城市照明管理中心，包括計算機系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)軟件，遠程網(wǎng)絡訪問系統(tǒng)和無線傳輸管理系統(tǒng)，綜合運用在線監(jiān)測、自動化控制、地理信息系統(tǒng)(GIS)、遠程無線網(wǎng)絡通信等先進技術，建立起一個連接整個城市路燈照明設備網(wǎng)絡的無線通信平臺、資源管理共享平臺與監(jiān)控管理平臺。用戶既可以在本地訪問服務器，也可以通過網(wǎng)絡遠程訪問服務器。所有的路燈工作狀態(tài)以及故障報警等歷史信息都通過無線網(wǎng)絡匯聚到管理中心的數(shù)據(jù)庫以備查詢和統(tǒng)計分析，所有的控制指令都可以在管理中心編程后發(fā)到位于每盞路燈上的無線監(jiān)控終端。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

(2)中繼器(或子網(wǎng)控制器RPT):中繼器采用GPRS公共無線網(wǎng)絡與ZigBee無線集群結(jié)合的模式，主要由連接公共無線網(wǎng)絡的GPRS通訊接口，用于連接有線網(wǎng)絡的TCP/IP網(wǎng)絡接口，用于連接無線監(jiān)控終端的基于IEE802.15.4標準的無線通訊模塊和ARM控制系統(tǒng)組成。ARM控制器內(nèi)部自帶256K高速FLASH和64KSRAM，在控制器的控制下，由無線終端傳送來的路燈監(jiān)測信息，通過GPRS的方式上傳到中央控制系統(tǒng);由中央控制系統(tǒng)下傳的控制指令，通過GPRS的方式下傳到中繼器，再由中繼器的無線通訊模塊轉(zhuǎn)發(fā)到每個無線監(jiān)控終端。

圖3 中繼器原理結(jié)構(gòu)示意圖

(3)無線監(jiān)控終端(TM):無線監(jiān)控終端串接在每桿路燈的供電回路中，使用路燈的交流220 V供電電源。每個終端配置兩路控制開關，由ARM控制器控制通斷，從而實現(xiàn)對路燈的開關控制。配套功率可調(diào)的整流器，即可實現(xiàn)對高壓鈉燈的調(diào)光，LED光源的調(diào)光控制已經(jīng)內(nèi)置在終端里。終端內(nèi)置的電流、電壓傳感器和通斷傳感器將采集到的路燈工作狀態(tài)，電流、電壓，功率因數(shù)等數(shù)據(jù)經(jīng)A/D變換后發(fā)送到接近目標的相鄰終端，并通過終端之間的通訊接力，匯聚到中繼器，然后發(fā)送到監(jiān)控中心計算機系統(tǒng);同理，由監(jiān)控中心計算機系統(tǒng)發(fā)出的針對具體某一盞燈或變壓器的控制指令，通過反向的路徑傳送到無線監(jiān)控終端，從而實現(xiàn)對每一盞燈或每一臺變壓器的控制。

5 軟件功能設計

軟件功能的設計充分考慮了監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)實的需求和未來的發(fā)展，采用模塊式架構(gòu)，主要由以下功能模塊組成:

圖4 無線監(jiān)控終端原理結(jié)構(gòu)示意圖

(1)信息顯示查詢模塊:顯示當前的路燈工作狀態(tài)信息，如路燈的亮滅狀態(tài)、工作電壓、電流、功率因數(shù)等，并可以進行統(tǒng)計分析。既可以顯示和查詢單燈的狀況，也可以顯示和查詢某一回路的狀況。用戶還可以設定具體區(qū)域，查詢該區(qū)域內(nèi)路燈的工作狀態(tài)信息。

(2)控制方案管理模塊:用戶可以根據(jù)不同時段、不同地段、不同情境的照明需求，預設多種自動控制方案，根據(jù)需要調(diào)用。

(3)人工控制管理模塊:用戶可以通過人工的方式干預正在執(zhí)行的控制方案或者直接設定控制命令。

(4)報警顯示查詢模塊:一旦系統(tǒng)檢測到路燈故障，或者其他異常情況，在中央控制系統(tǒng)工作站上會有報警提示，用戶也可以立刻查詢故障的時間、位置等信息，第一時間做出維修響應。

(5)歷史記錄模塊:記錄所有的路燈工作狀態(tài)，技術參數(shù)等歷史信息，以及控制指令信息，以便總結(jié)分析，為科學管理提供強大數(shù)據(jù)支持。

(6)系統(tǒng)維護管理模塊:系統(tǒng)軟件的維護和管理。

6 系統(tǒng)特點優(yōu)勢

(1)精確化管理:對整個照明設施的監(jiān)測和控制從回路一級精確到單燈(桿)，實現(xiàn)了管理上的精準和具體。

(2)智能化管理:通過上位管理計算機系統(tǒng)的軟件編程，就可以根據(jù)需要實現(xiàn)千變?nèi)f化的路燈開關組合方案。

(3)大幅節(jié)能:當夜深人靜，浩如星河的路燈依然照耀著空曠的街道。此時，我們完全可以根據(jù)照明需要，靈活地選擇關掉其中的部分路燈，實現(xiàn)大幅的節(jié)能。系統(tǒng)的調(diào)光功能，還可以在后半夜照度要求不高的情況下調(diào)低光源的功率，同樣達到大幅節(jié)能的目的。

(4)投資的節(jié)約化:無需鋪設專用線纜，只需要在燈頭前串接一個小巧的無線監(jiān)控終端即可以完成系統(tǒng)的改造，在城市管網(wǎng)日益擁擠、金屬材料價格日益昂貴的今天，一方面減少施工難度，另一方面節(jié)省人力、物力，將有效地降低工程成本。

(5)大幅降低人力資源的需求和人工工作強度:由于系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動巡檢，故障報警，改人工的現(xiàn)場巡檢為監(jiān)控室等待出警，極大地節(jié)約人力和車輛等資源，降低工作強度。

(6)延長照明設施使用壽命，減少電網(wǎng)沖擊:系統(tǒng)可以通過計算機編程，逐次點亮每個路燈，避免了集中亮燈關燈時電流、電壓的瞬間劇烈變化對專用變壓器和燈具造成的巨大沖擊。

7 結(jié)束語

本文設計實現(xiàn)了一個基于物聯(lián)網(wǎng)技術的城市路燈無線網(wǎng)絡監(jiān)控管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)組網(wǎng)成本低，系統(tǒng)可靠性高，組網(wǎng)的靈活性和擴展性好，網(wǎng)絡易維護，可以實現(xiàn)路燈的高度智能化和精確化管理，大幅節(jié)能減排，實現(xiàn)綠色照明，具有良好的社會經(jīng)濟效益。同時也可為城市數(shù)字化管理提供一種嶄新的通訊平臺，若再將傳感器延伸到城市交通信號燈、城市道路流量監(jiān)控點、公交汽車等上，便可以實現(xiàn)停車誘導、智能交通等多方面的應用，具有廣闊的應用前景和社會效益。目前本系統(tǒng)已經(jīng)獲得國家專利，并在數(shù)個城市獲得成功應用。

［1］IEEE Std 802.15.4d －2009，Sponsor:LAN/MAN Standards Committee of the IEEE Computer Society［S］.Approved 19 March 2009，IEEE － SA Standards Board，2009.

［2］李鐵楠，李景色，孫衛(wèi)平，等.CJJ45－2006城市道路照明設計標準［S］.中華人民共和國建設部發(fā)布，2007.7.