物聯(lián)網(wǎng)在智能化城市照明節(jié)能監(jiān)控管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

清華同方股份有限公司 于海成

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)改革的深入發(fā)展，城市照明與城市形象規(guī)劃彰顯城市經(jīng)濟(jì)與科技實力，體現(xiàn)城市定位與競爭力，逐步受到各級政府機(jī)構(gòu)的重視。城市照明作為城市形象的重要組成部分，越來越為政府所重視，投入大量的資金進(jìn)行建設(shè)和升級。隨著城市發(fā)展規(guī)模壯大，城市照明的能耗也逐年攀升，由此產(chǎn)生關(guān)聯(lián)問題亦逐漸顯露出來，如城市照明的維護(hù)量增大，帶來人員不足；維護(hù)費用增加，社會成本過高，電費支出過多，財政負(fù)擔(dān)加重。同時，據(jù)調(diào)查，城市公共照明在我國照明耗電中占30%的比例，我國小型城市在夜晚9點后，大中城市在午夜12點后，戶外活動的人流量大幅下降，僅為平常10%或者更低，但隨著人流量的降低，城市照明的運行能耗并沒有下降，很多地方仍然保持較高照度，顯然這些不合理的現(xiàn)象造成了能源的浪費。這些問題無疑給當(dāng)?shù)氐恼畽C(jī)構(gòu)與城市照明管理部門帶來巨大的能耗與財政壓力，急切需要我們共同探討解決之道。

現(xiàn)有的節(jié)能監(jiān)控管理技術(shù)中所采用的多種節(jié)能控制方式，都各自存在著一些不盡人意的表現(xiàn)。近幾年，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，一種基于Zigbee的無線傳感器的物聯(lián)網(wǎng)智能化城市照明節(jié)能監(jiān)控管理系統(tǒng)越來越受到人們的重視。這種系統(tǒng)具有可靠性高、抗干擾性能好、功耗低等優(yōu)點，可以延長燈具的使用壽命，降低燈具的損壞率和拆換費用，節(jié)省車輛巡檢、人工開支費用，避免出現(xiàn)大面積滅燈或白天亮燈的現(xiàn)象，比較適合現(xiàn)代化的城市照明節(jié)能監(jiān)控管理。

1 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分。其英文名稱是“The Internet of things”。由此，顧名思義，“物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。這有兩層意思：第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；第二，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信。因此，物聯(lián)網(wǎng)的定義是通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實現(xiàn)對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。

2 Zigbee技術(shù)

Zigbee是一種無線連接技術(shù)的商業(yè)化命名，該無線連接技術(shù)主要解決低成本、低功耗、低復(fù)雜度、低傳輸速率、近距離的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。國際上，IEEE 802.15.4工作組及Zigbee聯(lián)盟共同致力于該無線連接技術(shù)的推廣工作，其中，IEEE 802.15.4工作組主要負(fù)責(zé)制定Zigbee物理層及MAC層的協(xié)議，其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，以便于今后不同廠商設(shè)備的互聯(lián)互通； Zigbee聯(lián)盟則負(fù)責(zé)高層應(yīng)用及市場推廣工作。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)基于802.15.4協(xié)議棧而建立，具備了強(qiáng)大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能，它支持三種主要的自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型，即星狀結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和簇狀結(jié)構(gòu)(Cluster tree)，特別是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)非常適合應(yīng)用于系統(tǒng)化照明產(chǎn)品的管理，如路燈產(chǎn)品:每燈之間的距離最長不超過50米，每個路燈加裝一個Zigbee無線傳感模塊，每個模塊之間互為路由，直至網(wǎng)絡(luò)集中協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)集中協(xié)調(diào)器再通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)集中協(xié)調(diào)器與城市照明管理中心之間的數(shù)據(jù)傳輸。

3 無線傳感網(wǎng)技術(shù)

從技術(shù)架構(gòu)上來看，物聯(lián)網(wǎng)可分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，包括二氧化碳濃度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、二維碼標(biāo)簽、RFID標(biāo)簽和讀寫器、攝像頭、GPS等感知終端。感知層的作用相當(dāng)于人的眼耳鼻喉和皮膚等神經(jīng)末梢，它是物聯(lián)網(wǎng)識別物體、采集信息的來源，其主要功能是識別物體，采集信息。

本文介紹的是這種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種基于Zigbee技術(shù)的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)。它支持3種主要的自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型，即星狀網(wǎng)、集群樹狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)三種拓?fù)洹１鞠到y(tǒng)采用的網(wǎng)狀網(wǎng)使用RF 廣播功能和一套路徑調(diào)查和修復(fù)命令來動態(tài)的更新整個網(wǎng)絡(luò)的路由信息。支持的Mesh 協(xié)議，類似于Ad hoc On-Demand Vector(AODV) 路由，在這個路由中，發(fā)起信息的源節(jié)點通過詢問鄰居節(jié)點，負(fù)責(zé)建立起一條合適的路徑。路徑詢問過程逐漸在網(wǎng)絡(luò)中呈波狀傳遞，直到目的節(jié)點確認(rèn)已經(jīng)被連接并且發(fā)出回復(fù)應(yīng)答。這個應(yīng)答回復(fù)同樣會以波狀傳遞方式被返回到源節(jié)點，并在返回過程中搜集重要的路由統(tǒng)計數(shù)據(jù)。最后，這個源節(jié)點接收到最新的路由信息并據(jù)此選擇最佳的路由。本系統(tǒng)所采用的網(wǎng)狀網(wǎng)最佳路由選擇示意圖如圖1所示。從Source到Destination有許多可以選擇的路徑。網(wǎng)絡(luò)會自動選擇類似紅色虛線那種最近的路徑。

圖1 WSN網(wǎng)狀網(wǎng)最佳路由選擇示意圖

本文研究的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化城市照明監(jiān)控管理系統(tǒng)采用網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)單燈信息終端與網(wǎng)絡(luò)集中協(xié)調(diào)器間的數(shù)據(jù)通信，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)集中協(xié)調(diào)器與城市照明管理中心之間的數(shù)據(jù)傳輸。實現(xiàn)了城市照明的智能化管理，通過科學(xué)管理做到最大限度的節(jié)能。

4 城市照明管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要功能

城市照明遠(yuǎn)程管理控制系統(tǒng)由遠(yuǎn)程城市照明管理主控中心、若干網(wǎng)絡(luò)集中協(xié)調(diào)器和每個網(wǎng)絡(luò)集中協(xié)調(diào)器所管轄的專用前端單燈信息終端組成，整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。主控中心由城市照明管理軟件通過Internet和GPRS無線通信信道向網(wǎng)絡(luò)集中協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)集中協(xié)調(diào)器的GPRS模塊收到數(shù)據(jù)，再轉(zhuǎn)發(fā)給主Zigbee模塊，主Zigbee模塊再通過2.4G頻段發(fā)送給單燈信息終端，單燈信息終端根據(jù)擬定的專門的通訊協(xié)議對收到的數(shù)據(jù)做處理，執(zhí)行相應(yīng)的命令，采集單燈運行參數(shù)或者控制城市照明降功率運行。

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能城市照明節(jié)能監(jiān)控管理系統(tǒng)主要能實現(xiàn)如下功能：

（1）單點控制或集成控制

通過單點控制來滿足不同的特殊情況，自動和手動遙控：按不同的季節(jié)自動定時開關(guān)全夜燈和半夜燈，也可手動對全夜燈和半夜燈進(jìn)行遙控。可實現(xiàn)單點監(jiān)測，采集單一燈具運行參數(shù)。

（2）自動控制

按照預(yù)先設(shè)定好的時間進(jìn)行開關(guān)燈操作，調(diào)光節(jié)能；自動進(jìn)行巡測，檢測城市照明的運行狀況。

（3）遠(yuǎn)程控制

可以足不出戶，遠(yuǎn)程操作管轄范圍內(nèi)的城市照明，減少巡燈人員的工作量，大大提高了工作效率。

控制LED驅(qū)動器調(diào)節(jié)燈光亮度，在不影響功能與應(yīng)用照明前提下，達(dá)到最大節(jié)能效果。

（4）門限報警

將過去的巡邏式維護(hù)報警改為預(yù)防式提醒報警，這樣控制中心可以得到第一手資料從而進(jìn)行調(diào)度協(xié)調(diào)。

圖2 城市照明管理系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

（5）精確定位

故障出現(xiàn)后，控制中心可以準(zhǔn)確獲取故障燈的精確位置信息，工作人員可以在最短時間內(nèi)趕到現(xiàn)場進(jìn)行維護(hù)。

（6）防盜警報

通過采集電力線的電流、電壓值，通知控制中心，從而進(jìn)行防盜監(jiān)控處理。

（7）豐富的軟件管理手段

GIS系統(tǒng)：電子地圖上顯示每盞燈具的運行狀態(tài)參數(shù)及其它重要信息，使管理者一目了然。

能耗評估：方便客戶進(jìn)行有功功率、無功功率的計算，為能耗評估打下數(shù)字基礎(chǔ)；

過載保護(hù)：通過采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理判斷，保證負(fù)載處于合理范圍內(nèi)；

空載保護(hù)：如果采集到電流小于門限值，則不允許進(jìn)行開燈操作；

運行監(jiān)測：自動測量顯示系統(tǒng)的電壓、電流、功率因數(shù)和溫度等 ；

報警處理：對于設(shè)備異常和事故，可進(jìn)行聲光報警，并可以設(shè)置語音報警和報警信息打?。?/p>

設(shè)備管理：可對燈具安裝和時間、地點、運行參數(shù)、工作時間等用戶關(guān)心的信息進(jìn)行記錄與查詢。提供節(jié)能指標(biāo)建立、監(jiān)督、維修及稽核的完整信息服務(wù)。

（8）可移植性

此系統(tǒng)不僅可用于城市照明，還可通用于景觀照明、廣告牌控制；通用于超市等室內(nèi)燈具、電器等集成控制系統(tǒng)。

另外，此系統(tǒng)還安有裝施工、維護(hù)方便的特點，不需要進(jìn)行專門布線。以上這些功能特點為實現(xiàn)照明高效節(jié)能提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

5 系統(tǒng)各部分簡介

5.1 用戶管理軟件

系統(tǒng)采用客戶機(jī)/服務(wù)器（C/S）模式，分為控制中心和管理客戶端，基于XML標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口的技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與傳輸，與各類數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)連接與共享。

系統(tǒng)采用具有開放體系與接口的.NET技術(shù)平臺架構(gòu)，應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)為Windows XP , 采用視窗化語言設(shè)計，運用燈具地理信息系統(tǒng)（GIS），中文人機(jī)交流界面，鼠標(biāo)操作，所有命令、查詢和打印均非常直觀簡便，無需培訓(xùn)即可完成各種功能操作。城市照明管理系統(tǒng)管理軟件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示：

圖3 城市照明管理系統(tǒng)管理軟件結(jié)構(gòu)圖

5.2 單燈信息終端

每盞城市照明上面都要安裝單燈信息終端，主要功能是采集單個燈具電壓、電流、功率因數(shù)、溫度等信息，進(jìn)行初步判斷，發(fā)送報警信息，是把單個燈具的電壓電流等信息上傳到網(wǎng)絡(luò)集中協(xié)調(diào)器，同時接收網(wǎng)絡(luò)集中協(xié)調(diào)器的指令，來控制單個燈具的開關(guān)或亮度調(diào)節(jié)，同時還有報警功能。單燈控制模塊上配有無線傳感模塊。用來同網(wǎng)絡(luò)集中協(xié)調(diào)器進(jìn)行無線數(shù)據(jù)交換，其原理框圖如圖4所示。

硬件設(shè)計采用低功耗快速單片機(jī)為主處理器，與無線傳感器之間采用串口交換數(shù)據(jù)，單燈信息單元在設(shè)計時采用低功耗設(shè)計，白天待機(jī)狀態(tài)功耗只有幾毫瓦。

既有燈具改造時，燈具的交流電源先經(jīng)過此模塊后再與燈具相連，無需重新布線。節(jié)約成本，方便施工。

圖4 單燈信息終端原理框圖

5.3 網(wǎng)絡(luò)集中協(xié)調(diào)器

網(wǎng)絡(luò)集中協(xié)調(diào)器的作用是把一條路或者一個區(qū)域內(nèi)的城市照明信息集中起來，起到一個數(shù)據(jù)緩存，報警管理、通信管理的作用，通過GPRS通信發(fā)給城市照明管理中心，同時，將城市照明管理中心發(fā)來的指令分發(fā)給每個單個的城市照明，它是整個系統(tǒng)的橋梁，起到一個Zigbee到GPRS通信網(wǎng)關(guān)的作用。為防止意外故障，特設(shè)有備用手動控制功能。網(wǎng)絡(luò)集中協(xié)調(diào)器上同樣配有無線傳感模塊，用以和單燈信息終端進(jìn)行無線通信。內(nèi)置GPRS無線傳輸模塊主要用于每條路的網(wǎng)絡(luò)集中協(xié)調(diào)器與城市照明管理中心管理計算機(jī)之間的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

6 總結(jié)

隨著我國節(jié)能減排，低碳經(jīng)濟(jì)的推行，城市照明節(jié)能被越來越受到重視，城市照明能耗與工程運行維護(hù)成為大家關(guān)注的重點問題，如何讓城市照明既高效運營又降低投入成本？引入物聯(lián)網(wǎng)智能化城市照明節(jié)能監(jiān)控管理系統(tǒng)，配套現(xiàn)有產(chǎn)品的升級與改造可以很好的解決上述問題。國家大力推廣的合同能源管理服務(wù)模式給城市照明節(jié)能改造注入新的活力，城市照明遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)恰恰為合同能源管理提供了一種科學(xué)有效的技術(shù)手段，相信在不遠(yuǎn)的將來，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化城市照明監(jiān)控管理系統(tǒng)一定會被廣泛的應(yīng)用于各個城市的城市照明管理中心，為節(jié)約能源、建設(shè)低碳城市發(fā)揮廣泛的作用。

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