基于無線傳輸?shù)闹悄苈窡艨刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)

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(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

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基于無線傳輸?shù)闹悄苈窡艨刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)

常敏，陳征

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

針對目前城市道路照明管理系統(tǒng)還是以手動(dòng)或定時(shí)控制為主，既浪費(fèi)電能，又難以及時(shí)維修管理的問題。文中設(shè)計(jì)了基于GPRS、ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)以及信息管理技術(shù)的城市路燈控制系統(tǒng)方案，以實(shí)現(xiàn)對路燈的智能控制，其中核心部分主要由信息管理平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和路燈控制器設(shè)計(jì)。用戶遠(yuǎn)程監(jiān)測路燈狀態(tài)，且可為路燈設(shè)置合適的工作模式。通過對系統(tǒng)功能和性能進(jìn)行測試表明，文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)與傳統(tǒng)定時(shí)控制方式相比，在提高管理效率的同時(shí)至少還能節(jié)省13%的電能。

GPRS；路燈；ZigBee；節(jié)能

隨著城市群的不斷擴(kuò)大，越來越多路燈給我國的電能資源造成巨大的壓力，就當(dāng)前的城市路燈系統(tǒng)而言，主要存在兩個(gè)比較明顯的弊端[1]：(1)大多數(shù)的路燈采用的還是簡單的定時(shí)開關(guān)或是人工開關(guān)的方式，這些方式比較浪費(fèi)資源，且不夠智能化；(2)目前的城市路燈多是通過線路來控制的，建設(shè)成本高，可擴(kuò)展性差。這些問題均將導(dǎo)致大量電能的浪費(fèi)，所以面對日益緊張的能源消耗，城市路燈的節(jié)能具有較大的意義。

1　控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

本文考慮了成本、抗干擾性、穩(wěn)定性等因素，確定使用GPRS技術(shù)和ZigBee技術(shù)作為主要通信技術(shù)[2]。由于 GPRS 通信的便捷性、可靠性、高質(zhì)量性等優(yōu)勢，所以采用GPRS 作為遠(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺(tái)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器之間的通信方式，而由于 GPRS 的流量費(fèi)用較高，不適用于路燈控制節(jié)點(diǎn)之間的通信，所以采用 ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)作為節(jié)點(diǎn)之間的通信方式，這可以減少通信費(fèi)用和建設(shè)成本[3]。因此，本課題總體上基本確定了“GPRS+ZigBee”的總體技術(shù)方案。

2　控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1智能路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，整個(gè)路燈控制系統(tǒng)應(yīng)有3個(gè)主要部分，分別是：信息管理中心、通信模塊、路燈終端控制器。所以該系統(tǒng)選擇兩級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。第一層是基于 GPRS 通訊技術(shù)的星型網(wǎng)絡(luò)，將遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和信息管理中心連接起來，建立通信，管理中心可與多個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器建立 GPRS 的連接，從而獲得網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)和發(fā)送指令給這些協(xié)調(diào)器，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，信息管理中心作為核心[4-5]。第二層網(wǎng)絡(luò)是單個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和多個(gè)路燈終端控制器共同組建的ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其中主要有3種節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)作為核心節(jié)點(diǎn)，以及路由控制節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的尋址和路由轉(zhuǎn)發(fā)和路燈終端控制節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對路燈進(jìn)行控制和狀態(tài)數(shù)據(jù)收集。兩級網(wǎng)絡(luò)的通信關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器上要有GPRS 網(wǎng)絡(luò)模塊和 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)模塊2個(gè)部分，這兩部分相互獨(dú)立，構(gòu)成兩級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)體系[6-7]。

圖1　路燈控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2.2路燈控制器硬件電路設(shè)計(jì)

ZigBee路燈控制器的硬件電路主要有：支持ZigBee協(xié)議的處理器模塊、電壓電流測量模塊、路燈功率調(diào)節(jié)模塊、掉電檢測模塊。本文系統(tǒng)使用基于JN5139無線射頻單控制芯片的控制終端[8]。ZigBee路燈控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　ZigBee路燈控制器結(jié)構(gòu)

電流測量電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3　電流測量電路

本文使用HWGS-3，變化比為1 000：1。路燈的額定電流約為5 A，根據(jù)比例可計(jì)算出HWGS-3的輸出電流應(yīng)為5 mA[9-11]。電影的峰值707 mA，有效值500 mA。同樣經(jīng)過電壓太高，可用于A/D轉(zhuǎn)換。

2.3網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器主要組成部分包括：主控制器模塊、射頻通信模塊、GPRS模塊、電源模塊、電參數(shù)測量模塊和報(bào)警處理模塊。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的主控制器使用NXP公司的LPC2138，該處理器是基于ARM7架構(gòu)的，內(nèi)含32位ARM7TDMI-S內(nèi)核，使其擁有較高性能的同時(shí)還具有較低的功耗，適用于路燈協(xié)調(diào)器的主控制芯片[12]。C2138的電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5　LPC2138的外圍電路

3　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1管理功能設(shè)計(jì)

針對整個(gè)系統(tǒng)功能的研究分析，確定了信息管理平臺(tái)主要需要以下幾個(gè)功能模塊：用戶管理模塊、智能監(jiān)控模塊、智能策略模塊、區(qū)域管理模塊、調(diào)度維修模塊、報(bào)警設(shè)置模塊。

3.2數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選擇MySQL輕型數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)庫模塊。無論哪種數(shù)據(jù)都需要對數(shù)據(jù)庫的邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)，在此采用E-R模型[13-14]。本系統(tǒng)中的有多種實(shí)體，其中終端E-R圖包括：綁定GPRS編號、終端編號、終端電壓、終端電流、中斷狀態(tài)5個(gè)部分。整體而言，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫表需要多個(gè)，其內(nèi)容以及相互之間的邏輯關(guān)系部分設(shè)計(jì)如圖6所示[15]。

圖6　數(shù)據(jù)庫中各表的邏輯關(guān)系圖

3.3功能模塊的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的功能模塊有多種，包括登陸、監(jiān)控、策略、區(qū)域、報(bào)警等。智能監(jiān)控模塊的整體流程如圖7所示。

圖7　監(jiān)控模塊軟件流程圖

路燈控制器的程序流程如圖8所示。

圖8　ZigBee路燈控制器的程序流程

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器程序流程設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9　網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的程序流程

4　系統(tǒng)測試

4.1系統(tǒng)功能測試

為驗(yàn)證系統(tǒng)是否可以正常工作，需要對系統(tǒng)的登陸模塊、策略模塊、區(qū)域管理模塊、報(bào)警模塊、維修模塊分別進(jìn)行測試，各個(gè)模塊均運(yùn)行正常，圖10所示為智能監(jiān)控模塊運(yùn)行界面。

圖10　控制界面測試圖

4.2系統(tǒng)節(jié)能性測試

照明是路燈電能的主要消耗部分，這里以 10 盞40 W的路燈在一般情況下連續(xù)7天的平均日耗電量作為參照樣本。一組采用本系統(tǒng)智能控制下的日均耗電量，另一組采用傳統(tǒng)方式控制下的日均耗電量，兩者的耗電量如表1和表2所示。

表1　耗能情況對比表1　/kW·h

表2　耗能情況對比表2　/kW·h

從表1和表2可以看出，采用智能控制的照明路燈的耗電量比傳統(tǒng)方式少，可節(jié)省約13%的電量。

5　結(jié)束語

本文借助GPRS 技術(shù)和ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及信息管理技術(shù)設(shè)計(jì)了一套改善城市路燈控制系統(tǒng)的解決方案，其中核心部分主要有信息管理平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路燈控制器，該方案分兩級網(wǎng)絡(luò):GPRS網(wǎng)絡(luò)和 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，用戶可以通過管理平臺(tái)對整個(gè)系統(tǒng)控制。通過對整個(gè)系統(tǒng)的功能和性能測試，表明本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有較好的便捷性和節(jié)能性。

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Design of Intelligent Street Lamp Control System Based on Wireless Transmission

CHANG Min, CHEN Zheng

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

The current urban road lighting management systems generally adopts manual or timing control, which leads to waste of electric energy and difficulty in timely maintenance management. This paper designs a system control based on GPRS and ZigBee wireless sensor network technology and information management technology of urban street lamp for intelligent monitoring and control of street lamp. The core part consists mainly of the information management platform and the database, the network coordinator, and the street lamp controller. The light status is remote monitored and suitable working mode can be set up for the lamp by the user. The system function and performance test show that the design of the system and the traditional timing control method improve the management efficiency and reduce power consumption by 13%.

GPRS; street lamp; ZigBee; energy conservation

2016- 03- 26

陳征(1989-)，男，碩士研究生。研究方向：儀器儀表。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.09.030

TN926；TP273+5

A

1007-7820(2016)09-111-04