基于無線傳感網(wǎng)絡的智能路燈照明系統(tǒng)分析

孔令榮，王 昊

(南京理工大學泰州科技學院 電子電氣工程學院，江蘇 泰州225300)

1 課題背景

當代社會，城市路燈照明/景觀照明建設不僅帶給人們光明與視覺享受，也成為展現(xiàn)城市魅力的重要窗口，但在帶來明亮、絢麗色彩的同時也帶來了諸多，如:管理、費用、用電、電纜被盜等問題。

燈光照明用電消耗約占總用電量的20%，降低用電消耗是節(jié)約能源的重要途徑。目前我國為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，大力發(fā)展綠色照明。關于綠色照明目前市場上主要是針對LED節(jié)能光源產(chǎn)品進行開發(fā)，而城市照明系統(tǒng)是一個具有潛力的綠色照明系統(tǒng)，通過智能照明控制裝置，合理調整照明時間，不僅可以節(jié)省照明系統(tǒng)20%以上的用電量，照明燈具的使用壽命也得到了較大幅度的延長，同時也降低了管理費用。

但是，當前國內(nèi)外對于路燈照明系統(tǒng)科學高效的控制和資源整合產(chǎn)品較少，功能不全，而基于短距離無線通信技術的LED路燈遠程控制方案正是根據(jù)目前國內(nèi)現(xiàn)狀而生的產(chǎn)物。LED照明技術是一種高效能、環(huán)保、安全、耐用的新型照明技術。普通路燈用的熒光燈和HID燈雖價格便宜，但光效低、壽命短、維護工作量大，若使用LED，不僅光效高，且壽命長，目前水平可連續(xù)工作時間10 000 h以上，大幅減小維護工作量。另外LED光源還具有使用低壓電源、耗能少、適用性強、穩(wěn)定性高、響應時間短、體積小、對環(huán)境無污染、堅固耐用、多色發(fā)光等優(yōu)點，雖價格較貴，但仍被認為其將取代現(xiàn)有照明器件。

ZigBee［1］技術是一種新興的短距離低速率低功耗的無線網(wǎng)絡技術。ZigBee的基礎是IEEE 802.15.4協(xié)議。該技術在完全采用IEEE802.15.4標準的物理層和媒體接入控制層的基礎上規(guī)定了網(wǎng)絡層和支持的應用服務。ZigBee可以工作在868 MHz，915 MHz和2.4 GHz3個頻段上。國內(nèi)采用2.4GHz頻段。該頻段是全球通用的免付款、免申請的工業(yè)、科學、醫(yī)學(ISM)頻段。其數(shù)據(jù)傳輸速率為250 kbit·s－1。ZigBee技術的標準傳輸距離為75 m，在增加了RF發(fā)射功率后，可增加到1～3 km。

基于ZigBee技術和LED光源的路燈系統(tǒng)，是一種自動化成度高、高效節(jié)能的城市照明系統(tǒng)。LED光源是一種高效能、環(huán)保、安全、耐用的新型照明光源，而無線控制技術［2］可以對路燈照明系統(tǒng)進行科學高效的控制和資源整合，合理調整照明時間，不僅可以節(jié)省照明系統(tǒng)的用電量，還可以延長照明燈具的使用壽命，減少日常維護的開支。

2 無線LED路燈遠程控制方案設計

為使設計的系統(tǒng)能夠滿足路燈控制的要求，具備較強的應用價值，對項目進行了詳細了解了路燈照明和控制領域的發(fā)展現(xiàn)狀和需求，分析了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡在路燈控制領域的應用前景。根據(jù)已知的情況，完成項目的需求分析，對產(chǎn)品的功能和結構做出了整體性規(guī)范。

2.1 控制系統(tǒng)應用需求

根據(jù)調查，目前路燈控制方式有人工控制方式、時控方式、電力載波控制、GPRS控制等。這些控制方法各有利弊。以電力線載波方式為例，將路燈控制信號調制在輸電線上控制路燈，會在用電高峰時刻控制信號占用電力線容量，使得控制信號無法正常傳送到線路上，不僅在用電高峰狀態(tài)下不能實現(xiàn)路燈控制，嚴重時還會影響整體照明亮度。

基于無線傳感網(wǎng)絡的無線LED［3］遠程路燈控制系統(tǒng)正是應對現(xiàn)有路燈控制手段不足而設計的。目前LED路燈和無線控制器的價格較高，遠程控制無線LED路燈系統(tǒng)的造價與傳統(tǒng)有線控制的白熾燈或熒光燈價格相差較大，在設計和制造的過程中必須通過各種途徑降低制造成本。

LED驅動只占LED照明系統(tǒng)成本的一小部分，但它關系到整個系統(tǒng)性能的可靠性和效率。LED驅動的主要要求有:驅動器應該要有較高的功率轉換效率，目前高的功率轉換效率可達80%～90%。驅動電路要滿足安全要求，有完善的保護電路，如低壓鎖存、過壓保護、過熱保護、輸出開路或短路保護。驅動器可對LED的亮度進行調節(jié)，提供PWM或線性調光［4－5］。

無線組網(wǎng)選用的無線協(xié)議和傳輸模塊，必須要經(jīng)濟可靠、功耗低，方便遠程控制。ZigBee網(wǎng)絡是一個短距離的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，其網(wǎng)絡中轉和節(jié)點設置是難點。為保證網(wǎng)絡設置的健壯性和可靠性，應該使用ZigBee網(wǎng)狀拓撲結構，使網(wǎng)絡有充分冗余。ZigBee是一個低速率低功耗的WSN網(wǎng)絡，工作在2.4 GHz公共頻段，外界干擾大，抗干擾性能主要依靠協(xié)議機制保證，所以設計通信協(xié)議時需要考慮到抗干擾性和可靠性，確?？刂茰蚀_可靠［6］。

2.2 硬件平臺需求分析

系統(tǒng)中各個節(jié)點組成了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布脚_，是實現(xiàn)路燈檢測控制功能的基本保障。所以在設計總體方案前，需要對節(jié)點硬件應具備的性能做出分析。首先，MCU是整個硬件節(jié)點的核心，其性能應當滿足:(1)處理速度快、擁有較大的儲存空間、功耗低、集成度高，減少外圍器件和可靠性好。(2)無線收發(fā)模塊負責數(shù)據(jù)的傳輸，其應該為數(shù)據(jù)可靠、穩(wěn)定的傳輸提供保證。除了上述兩方面外，節(jié)點上使用的傳感器也是必須考慮的因素，因為其直接影響著傳感器節(jié)點的體積和性能。最后在搭建硬件平臺時，還應考慮系統(tǒng)的擴展性和成本問題。

2.3 軟件平臺和路燈節(jié)能控制策略

無線LED遠程路燈控制系統(tǒng)網(wǎng)絡的軟件是在無線通信協(xié)議的基礎上開發(fā)的。其協(xié)議應該支持多設備加入、自動組網(wǎng)、路由轉發(fā)跳轉。節(jié)點應能自動采集路燈運行情況的各種數(shù)據(jù)，并可靠地傳輸數(shù)據(jù)。當傳輸距離超過了通信距離時，能夠以多跳方式傳輸數(shù)據(jù)［7－9］。

從以上方向可以看出，選擇一種合適的無線通信協(xié)議，對于整個系統(tǒng)的性能至關重要。然而，目前具有良好組網(wǎng)性能的短距離通信協(xié)議較少，而且許多使用費用較高。ZigBee技術的出現(xiàn)，為人們構建無線傳感器網(wǎng)絡提供了一種理想的選擇。采用ZigBee無線網(wǎng)絡，通過眾多節(jié)點的無線組網(wǎng)從而構成一個基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)，這樣不僅省去了架設線路的費用，維護管理開支也相對較低。

為減少路燈電能消耗，可以通過光敏傳感器根據(jù)周圍亮度的高低，調節(jié)路燈功率的大小，遠程控制隔盞照明。除了針對單盞路燈基于時間和亮度的節(jié)能控制，還可通過大區(qū)域道路照明的節(jié)能策略算法，達到節(jié)能的目的。例如可設定程序自動執(zhí)行也可人工隨機管理在晚上6點鐘將馬路上的單號燈或者雙號燈開關;到晚上24點以后，調節(jié)到半亮度或1/3亮度狀態(tài)以節(jié)約電能;早上5點鐘全部關閉;使用光敏傳感器，在陰雨天或沙塵暴等惡劣天氣下及能見度極低時，ZigBee控制器可自行控制開啟其照明狀態(tài);另外及時位置報警功能可使路燈受損壞時無需人工巡視道路檢測即可自動提示給檢測人員進行準確定位，取代了人車傳統(tǒng)的巡視道路這一大成本投入的老模式，使得現(xiàn)代無線技術更加節(jié)能和“人性化”。無線路燈控制器可將采集電流、電壓、功率因素等參數(shù)，通過無線智能控制方式傳輸?shù)娇刂浦行?，為?jié)能等評估打下基礎。

2.4 系統(tǒng)指標要求

容納路燈數(shù):每個無線LED路燈遠程控制系統(tǒng)控制路燈應不＞1000盞?？刂品秶鷳采w至少1 km2。

組網(wǎng)延時:在單個協(xié)調器情況下，組網(wǎng)用時在20 s以內(nèi)?？刂蒲訒r:信息在路燈和協(xié)調器之間的傳輸延時應在10 s以內(nèi)，保證控制的實時性。

數(shù)據(jù)傳輸速率:在無遮擋物環(huán)境下10 m左右速率為250 kbit·s－1;空曠環(huán)境下30～75 m距離速率為40 kbit·s－1;300 m速率為20 kbit·s－1。節(jié)能率:在使用節(jié)能算法前，使用LED節(jié)能路燈應比普通路燈節(jié)能50%。使用節(jié)能控制算法后應比系統(tǒng)未使用節(jié)能算法前節(jié)能30%以上?？煽啃?通信誤碼率小于1%。

無線控制網(wǎng)絡應有較高的可靠性，在一個路由節(jié)點故障時，應能及時啟用備用的路由鏈路，保障協(xié)調器對終端節(jié)點的有效控制。路燈的故障率應該＜5%。

3 無線LED路燈遠程控制系統(tǒng)構建

硬件分3部分組成:安裝在路燈桿上的終端控制節(jié)點，控制中心的監(jiān)控系統(tǒng)，負責實現(xiàn)終端控制節(jié)點和控制中心通信的路由節(jié)點。系統(tǒng)構建如圖1所示。

圖1 無線LED路燈遠程控制系統(tǒng)結構

控制中心的監(jiān)控系統(tǒng)由PC機和無線收發(fā)模塊組成，主要負責建立和管理路燈控制網(wǎng)絡，顯示路燈狀況信息和發(fā)送控制命令，協(xié)調整個路燈系統(tǒng)的運作。路燈終端節(jié)點包括LED電源驅動，為大功率LED提供電力，并能根據(jù)MCU控制信號控制LED的工作情況;光敏傳感器和溫度傳感器直接將LED工作狀況傳輸給控制模塊;功率檢測模塊檢測LED功率情況和供電故障并向上報警;無線模塊負責傳輸數(shù)據(jù)。節(jié)點框架圖如圖2所示。

圖2 路燈終端節(jié)點結構

(1)前端節(jié)點子網(wǎng)。將模型放到WSN模型中，安裝在路燈桿上的終端控制節(jié)點即為WSN中的終端節(jié)點(RFD)，控制中心監(jiān)控系統(tǒng)為協(xié)調器(COORD)，實現(xiàn)COORD與RFD之間無線通信的為路由轉發(fā)節(jié)點(ROUTER)。

設計采用星型網(wǎng)絡，一個網(wǎng)絡中只有一個協(xié)調器，負責建立網(wǎng)絡和管理網(wǎng)絡，顯示狀況信息和發(fā)送控制命令。網(wǎng)絡中的終端節(jié)點為路燈控制終端，在WSN對應的模型為RFD，路燈終端節(jié)點配置在路燈燈桿上，裝有路燈控制器和無線模塊，接收控制命令和發(fā)送路燈的實時狀況。網(wǎng)絡中的路由轉發(fā)節(jié)點，在WSN對應模型為ROOTER，也是配置在路燈燈桿上，也可對路燈實現(xiàn)控制。與終端節(jié)點不同，其還要負責路由轉發(fā)終端節(jié)點的數(shù)據(jù)。其硬件結構與終端節(jié)點差別較小。

(2)遠程監(jiān)控網(wǎng)絡。遠程網(wǎng)絡使用ZigBee+GRPS網(wǎng)絡的混合網(wǎng)絡。由于ZigBee無線網(wǎng)的標準傳輸距離只有75 m，即使使用擴展天線也只有200 m，要實現(xiàn)覆蓋整個城市的WSN較為困難。如果使用中繼路由的方式實現(xiàn)，則成本較高、網(wǎng)絡過大、可靠性無法保證，且不利于控制。所以將城市路燈組網(wǎng)劃分成若干個小的子網(wǎng)，每個子網(wǎng)覆蓋幾個到十幾個街區(qū)，各個子網(wǎng)中有幾百盞路燈，子網(wǎng)內(nèi)部使用ZigBee建立的WSN控制路燈，其終端和協(xié)調器之間最多路由跳轉2～3次，保證網(wǎng)絡可靠性。子網(wǎng)和中央控制中心使用GPRS網(wǎng)絡來傳輸數(shù)據(jù)。該網(wǎng)絡結構如圖3所示。

圖3 遠程監(jiān)控網(wǎng)絡

4 結束語

本文主要分析了LED照明技術和ZigBee協(xié)議組網(wǎng)技術，設計了一種無線LED路燈遠程控制系統(tǒng)，構建了底層為路燈控制節(jié)點，中間為路由模塊，頂層是計算機控制終端。設計使用TI公司的LED恒流源控制器UCC28810EVM－002，CC2480/ZigBee模 塊 和MSP430控制器構架了無線控制平臺。此外文中還論證了無線路燈控制網(wǎng)絡拓撲結構的建立和下位機固件流程圖、工作模式和上位機節(jié)能策略。

目前的LED路燈系統(tǒng)主要使用有線線路控制，本項目的新穎之處在于使用了無線控制模塊，可以在城市信息控制中心整合控制全城的路燈照明系統(tǒng)，實時了解整個城市的照明情況，實現(xiàn)LED路燈的故障監(jiān)測和遠程監(jiān)控管理，方便調控城市照明和日常維護。該網(wǎng)絡經(jīng)一次性布置后，可在長期內(nèi)可靠運行。路燈節(jié)點的數(shù)量、位置可隨時變更，使得調控路燈變得更加方便、科學。無線LED路燈遠程控制系統(tǒng)為解決諸多問題提供一個良好平臺。

［1］ 李文仲，段朝玉.ZigBee無線網(wǎng)絡技術入門與實戰(zhàn)［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2007.

［2］ 崔莉，鞠海玲，苗勇，等.無線傳感器網(wǎng)絡研究進展［J］.計算機研究與發(fā)展，2005，42(1):163－174.

［3］ 吳淑梅，霍彥明，徐梅，等.LED光源在照明中的應用［J］.現(xiàn)代顯示，2008(7):55－58.

［4］ 王殊.無線傳感器網(wǎng)絡的理論及應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2007.

［5］ 王雅芳.大功率LED照明電路特性與驅動設計［J］.電子與封裝，2009，9(4):20－24.

［6］ 蔣挺，趙成林.紫蜂技術及其應用［M］.北京:北京郵電大學出版社，2006.

［7］ 王立剛，建天成，李晶晶.智能LED照明系統(tǒng)的研究與設計［J］.黑龍江大學學報，2009，26(4):543－545.

［8］ 周志敏，周紀海，紀愛華.LED驅動電路設計與應用［M］.北京:人民郵電出版社，2006.

［9］ 郭佑民，劉娟，孟凡剛，等.基于ZigBee的智能型LED路燈照明系統(tǒng)設計［J］.蘭州交通大學學報，2010(4):36－39.