基于GPRS和ZigBee的城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

徐利謀+黃長遠(yuǎn)

摘 要：針對傳統(tǒng)路燈系統(tǒng)控制難度大、效率低等問題，提出了一種基于GPRS和ZigBee的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該方案使用GPRS技術(shù)連接子網(wǎng)和主控計(jì)算機(jī)，并采用ZigBee技術(shù)來實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)中設(shè)備的通信，從而實(shí)現(xiàn)了對路燈的狀態(tài)監(jiān)控和智能控制。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；ZigBee；GPRS；路燈監(jiān)控

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）06-00-02

0 引 言

路燈照明系統(tǒng)在城市化進(jìn)程中發(fā)揮著重要的作用，它是每個城市發(fā)展過程中不可或缺的重要組成部分。傳統(tǒng)的路燈系統(tǒng)控制單純依靠人工現(xiàn)場完成，供電情況、短路跳閘、電流電壓等路燈運(yùn)行過程中的重要參數(shù)無法實(shí)時獲悉，每個路燈定時器無法實(shí)現(xiàn)開燈和關(guān)燈時間自動控制，在暴雨等極端特殊天氣情況下，因控制手段單一，不能滿足路燈智能控制需求，造成監(jiān)控效率低、照明時間更新滯后、維護(hù)不及時等現(xiàn)象發(fā)生[1]。另外，我國城市路燈照明系統(tǒng)用電量巨大，約占每個城市用電量的十分之一左右。城市后半夜車輛和行人稀少，對路燈照明需求下降，由于缺乏科學(xué)有效的亮度調(diào)解手段，城市過度照明和電力資源浪費(fèi)現(xiàn)象比較普遍[2]。

綜上所述，針對日益擴(kuò)大的城市照明需求，借助發(fā)展快速的無線監(jiān)控、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等技術(shù)解決目前城市路燈監(jiān)控中存在的操作效率低、資源浪費(fèi)等問題，以實(shí)現(xiàn)城市照明系統(tǒng)智能控制和自動調(diào)節(jié)功能，成為城市道路照明領(lǐng)域一個急需解決的問題。文章提出了一種基于ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，構(gòu)建了對城市路燈實(shí)時調(diào)整的無線智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對每一桿燈的實(shí)時定位和控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，安裝在各條道路的路燈集中控制器上作為客戶端，路燈的實(shí)時控制和運(yùn)行狀況監(jiān)控由服務(wù)器負(fù)責(zé)，服務(wù)器是智能監(jiān)控系統(tǒng)的核心[3]。服務(wù)器和客戶端之間的網(wǎng)絡(luò)傳輸采用GPRS網(wǎng)絡(luò)，路燈集中控制器和監(jiān)控管理中心之間的數(shù)據(jù)通信通過GPRS模塊實(shí)現(xiàn)，單燈節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信通過ZigBee無線模塊實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)搭建了ZigBee技術(shù)、GPRS技術(shù)和Internet網(wǎng)絡(luò)之間的溝通橋梁，開發(fā)了路燈智能監(jiān)控硬件和軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了路燈運(yùn)行狀態(tài)的即時監(jiān)控和實(shí)時控制。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)由單燈控制器、路燈集中控制器和監(jiān)控中心組成。

（1）單燈控制器：該控制器是一個ZigBee的無線接入點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)設(shè)置與路燈編號一一對應(yīng)的唯一的物理地址。單燈控制器接收從路燈集中控制器發(fā)送的指令，完成路燈調(diào)節(jié)、運(yùn)行狀態(tài)檢測等動作[4]。

（2）路燈集中控制器：該控制器是智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)的樞紐，將STM32F303控制芯片編號后使用ZigBee和GPRS網(wǎng)絡(luò)與單燈控制器和監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)無線通信。

（3）監(jiān)控中心：監(jiān)控中心是整個路燈系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，監(jiān)控中心面向城市管理人員，可保證城市道路的路燈平穩(wěn)有序的運(yùn)行[5]。

2 單燈控制器設(shè)計(jì)

單燈控制器可監(jiān)控每個路燈的電壓、電流以及運(yùn)行狀態(tài)等，可及時發(fā)現(xiàn)路燈存在的問題，并依據(jù)惡劣天氣、擁堵時段、季節(jié)交替等不同情形對每個路燈進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)照明模式的多元化和智能化，進(jìn)一步提升城市照明系統(tǒng)的運(yùn)行效率，降低維護(hù)成本。

單燈控制器硬件由數(shù)據(jù)采集模塊、路燈控制模塊、無線信號傳輸模塊、指令執(zhí)行模塊和供電模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)將現(xiàn)場采集的模擬信號通過ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并發(fā)送到路燈控制模塊；路燈控制模塊對傳送過來的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的控制方案確定路燈操作策略，發(fā)送路燈亮度調(diào)解、開關(guān)等操作指令；無線信號傳輸模塊與其它傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸和信號交換控制采用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)；供電模塊采用輕型化、大容量電池給其他硬件模塊和傳感器節(jié)點(diǎn)提供電能。

根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)和單燈控制器的功能要求，路燈控制模塊選用具有現(xiàn)場數(shù)據(jù)存儲量大、支持各種復(fù)雜控制技術(shù)以及實(shí)時控制技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)的可編程邏輯器件FPGA，其語言支持以及高速并行運(yùn)行特性為路燈控制模塊的實(shí)現(xiàn)提供了重要支撐。ZigBee無線通信模塊選用Chipcon As公司2.4 GHz射頻芯片CC2420，滿足了低成本通信要求。

由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量較大，為了便于操作，協(xié)調(diào)器、路由和終端節(jié)點(diǎn)的識別全部交由監(jiān)控中心軟件實(shí)現(xiàn)。硬件方面除了協(xié)調(diào)器具有通用異步收發(fā)接口UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART）外，其他都是相同的。各節(jié)點(diǎn)微控制器MCU（Microcontroller Uint，MCU）均采用TI公司的2.4 G射頻芯片CC2530，該芯片支持專有802.15.4市場及ZigBee標(biāo)準(zhǔn)。路端單燈測控器的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 路燈集中控制器設(shè)計(jì)

路燈集中控制器處在單燈控制器和監(jiān)控中心之間，是城市照明系統(tǒng)的運(yùn)行狀況獲取、狀態(tài)監(jiān)測和實(shí)時控制的樞紐，是城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。路燈集中控制器負(fù)責(zé)將獲取的電流、電壓等路燈運(yùn)行狀態(tài)信息傳送到監(jiān)控中心，接收監(jiān)控中心發(fā)送來的參數(shù)信息、路燈調(diào)節(jié)命令，結(jié)合現(xiàn)場狀態(tài)對城市路燈進(jìn)行參數(shù)設(shè)定或?qū)崟r調(diào)整，保證監(jiān)控中心對智能路燈系統(tǒng)的監(jiān)控和管理。

路燈集中控制器將GPRS無線通信模塊、電參數(shù)監(jiān)測模塊、調(diào)試電路以及單燈通信的ZigBee無線通信模塊等集成到嵌入式微控制器STM32F303中。路燈集中控制器的模塊框圖如圖3所示，GPRS無線通信模塊、ZigBee無線通信模塊與STM32F303之間的數(shù)據(jù)交換通過串行口電路實(shí)現(xiàn)，電參數(shù)測量模塊采用三相電能芯片通過SPI總線與STM32F303進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

4 監(jiān)控中心軟件的實(shí)現(xiàn)

監(jiān)控中心軟件對道路兩旁的路燈進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，數(shù)據(jù)傳輸采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)和GPRS/Internet網(wǎng)絡(luò)，一方面接收來自路燈集中控制器發(fā)送的電參數(shù)、運(yùn)行狀況等數(shù)據(jù)信息，完成對狀態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)的保存或顯示等操作；另一方面向路燈控制器發(fā)送即時的狀態(tài)調(diào)整和路燈控制命令。監(jiān)控中心和路燈集中控制器之間通過GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)相連，路燈數(shù)據(jù)采集、開關(guān)、事故報(bào)警等功能通過監(jiān)控中心軟件對路燈集中控制器參數(shù)的設(shè)定來實(shí)現(xiàn)。

監(jiān)控中心是智能監(jiān)控系統(tǒng)和城市路燈管理人員交互的接口，是監(jiān)控系統(tǒng)管理的核心。監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)界面簡潔，操作方便，管理人員使用簡單的按鍵即可實(shí)現(xiàn)對整個路燈系統(tǒng)的管理和維護(hù)。監(jiān)控中心主要的功能如下：

（1）保存城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)中路燈狀態(tài)配置信息，構(gòu)建保存路燈集中控制器和單燈控制器的位置信息、路燈調(diào)整措施等數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫。

（2）使用GPRS無線通信模塊和ZigBee無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)對城市路燈運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，有效統(tǒng)計(jì)安裝在路燈上的各類控制器的運(yùn)行狀況，并自動生成匯總數(shù)據(jù)。

（3）根據(jù)不同條件完成對范圍內(nèi)每個或者每組路燈的亮度調(diào)節(jié)和開關(guān)控制。

數(shù)據(jù)處理模塊后臺采用SQL Server 2014數(shù)據(jù)庫，主要存儲從路燈集中控制器獲取的電參數(shù)、開關(guān)策略、錯誤信息等數(shù)據(jù)，方便路燈管理人員把握路燈系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，快速獲取故障信息。網(wǎng)絡(luò)通信模塊通過查詢和控制命令的收發(fā)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的收集和路燈遙控功能。監(jiān)控中心軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

5 結(jié) 語

隨著我國城市的擴(kuò)容和改造，城市照明實(shí)時控制和節(jié)能等問題受到了越來越多的關(guān)注，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到城市照明監(jiān)控系統(tǒng)中可以實(shí)時檢測并控制城市照明設(shè)施狀態(tài)，使得照明設(shè)施便于維修和管理，維護(hù)照明設(shè)施所需的人力和物力成本大幅減少。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，智能控制在環(huán)境保護(hù)、交通運(yùn)輸、食品安全以及數(shù)字家居等領(lǐng)域的應(yīng)用將越來越普遍，智慧城市將變成現(xiàn)實(shí)。

參考文獻(xiàn)

[1]張立新，楊程.一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].寧夏工程技術(shù)，2014，13（3）：234-237.

[2]馬玉波，張培劍.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能城市（照明）管理系統(tǒng)[J].信息技術(shù)與信息化，2014（1）：49-52，58.

[3]左才松，鄒旭晃，鄧太平.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].湖南城市學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，22（4）：54-58.

[4]何賽，陳小平.GPRS與ZigBee的城市照明系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012（1）：27-29.

[5]王穎.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市路燈無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)[J].山西電子技術(shù)，2012（6）：36-39.