基于物聯(lián)網(wǎng)的智能路燈電源管控系統(tǒng)研究

孫皓月，張 梁，祁愛華，董小慶

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北張家口0750002；2.涿鹿縣住房和城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)局，河北張家口075000)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能路燈電源管控系統(tǒng)研究

孫皓月1，張 梁1，祁愛華1，董小慶2

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北張家口0750002；2.涿鹿縣住房和城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)局，河北張家口075000)

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入管控系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的智能化水平。針對(duì)傳統(tǒng)的城市路燈管控效率低下等問(wèn)題以及城市路燈智能化建設(shè)的現(xiàn)實(shí)需求，對(duì)城市路燈電源的管控系統(tǒng)進(jìn)行了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究分析。著重研究了在物聯(lián)網(wǎng)感知層下的基于ZigBee無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備有效控制以及信息可靠傳輸方面的應(yīng)用。最后提出了基于GIS路燈定位信息庫(kù)的設(shè)計(jì)方案，提高系統(tǒng)的管控水平。

物聯(lián)網(wǎng);智能路燈;管控系統(tǒng);ZigBee

隨著城市化進(jìn)程的進(jìn)一步深化，越來(lái)越多的人選擇了城市生活?，F(xiàn)在我國(guó)大多數(shù)城市路燈照明系統(tǒng)采用的是高壓鈉燈和金屬鹵化物燈，這種氣體放電發(fā)光式的路燈雖然能耗較傳統(tǒng)的白熾燈明顯降低，但是據(jù)有關(guān)部門的統(tǒng)計(jì)顯示，全國(guó)城市公共照明用電在我國(guó)照明耗電中占30%，占全國(guó)發(fā)電總量的10%～12%。城市公共照明耗電成為了政府主要財(cái)政支出之一，在保障正常照明的前提下，降低城市路燈耗能成為城市建設(shè)的重要內(nèi)容。傳統(tǒng)的路燈管理系統(tǒng)多是通過(guò)人工巡視，這些重復(fù)性的工作耗費(fèi)了大量的人力物力并且效率低下，難以滿足現(xiàn)代化城市建設(shè)的要求。

物聯(lián)網(wǎng)的概念最早是1999年被提出，自提出之始便備受關(guān)注。物聯(lián)網(wǎng)是結(jié)合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)以及控制技術(shù)等多種技術(shù)的交叉型領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展被稱為第三次科技浪潮。簡(jiǎn)單而言，物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的網(wǎng)絡(luò)，即網(wǎng)絡(luò)的終端不僅僅是傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，而成為了一切可以連入網(wǎng)絡(luò)的智能設(shè)備。這種物物相連的網(wǎng)絡(luò)為解決傳統(tǒng)路燈電源管控系統(tǒng)控制力差、控制效率低等問(wèn)題提出了新的思路。

1 管控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

城市的路燈系統(tǒng)是一個(gè)規(guī)模非常龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)，并且分布于城市的每條道路上，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性有效管理相對(duì)困難。本研究的主要目的是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于路燈電源的管控系統(tǒng)之中，從而賦予每個(gè)路燈智能化，實(shí)現(xiàn)每個(gè)路燈模塊能夠進(jìn)行自我信息處理、自我調(diào)整、自我環(huán)境配置和相對(duì)獨(dú)立的做出決策。要實(shí)現(xiàn)每個(gè)路燈變成“有思想的路燈”，就要實(shí)現(xiàn)路燈與路燈之間，路燈與人之間的有效信息傳輸[1]。針對(duì)路燈的實(shí)際特點(diǎn)以及物聯(lián)網(wǎng)感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三層架構(gòu)提出了如圖1所示的智能路燈電源管控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

圖1 智能路燈電源整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

由圖1所示可知，本系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成：?jiǎn)螣綦娫纯刂颇K、路燈集中控制模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。單燈電源控制模塊為系統(tǒng)的最底層，安裝了系統(tǒng)必需的傳感器以及開關(guān)設(shè)備。每一個(gè)控制器均為一個(gè)ZigBee無(wú)線自組網(wǎng)的接入點(diǎn)，分配唯一的物理地址。路燈集中控制模塊通過(guò)GPRS協(xié)議實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)端監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，是整個(gè)系統(tǒng)的中樞環(huán)節(jié)。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心則采用C/S架構(gòu)，路燈設(shè)備管理人員通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈系統(tǒng)的監(jiān)控、管理。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

感知層是物聯(lián)網(wǎng)的最底層，感知層采集的信息是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的來(lái)源，在三層體系結(jié)構(gòu)中占有極其重要的地位。在城市路燈實(shí)現(xiàn)智能化的過(guò)程中首先要完成的便是對(duì)設(shè)備工作狀態(tài)的獲取，即在物聯(lián)網(wǎng)感知層實(shí)現(xiàn)信息采集獲取。

2.1 基于ZigBee的感知層組網(wǎng)方案

ZigBee協(xié)議是以IEEE802.15.4協(xié)議為基礎(chǔ)的無(wú)線通信協(xié)議。筆者通過(guò)比較諸如Bluetooth協(xié)議(藍(lán)牙協(xié)議)、ZigBee協(xié)議以及紅外協(xié)議等無(wú)線傳感網(wǎng)協(xié)議，決定選擇低功耗、短距離、低速率的ZigBee協(xié)議作為路燈基本模塊的信息傳輸協(xié)議[2]。本文基于ZigBee協(xié)議設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)信息傳輸機(jī)制如圖2所示。采用的ZigBee無(wú)線通信模塊為CC2530，這是由TI公司生產(chǎn)的具有8051內(nèi)核的核心控制模塊。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在路燈電源系統(tǒng)中對(duì)其進(jìn)行的管控主要設(shè)計(jì)兩個(gè)方面：其一為工作狀態(tài)的采集，其二為實(shí)現(xiàn)路燈的定時(shí)關(guān)閉開啟和遠(yuǎn)程人工干預(yù)。本系統(tǒng)通過(guò)電壓傳感器與電流傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈設(shè)備工作狀態(tài)的檢測(cè)，同時(shí)為了在保障正常照明的前提下使智能路燈能夠根據(jù)實(shí)時(shí)光照情況實(shí)現(xiàn)智能的開關(guān)操作，筆者還在現(xiàn)場(chǎng)布置了大量的光敏傳感器感知實(shí)時(shí)光強(qiáng)。這些布置在現(xiàn)場(chǎng)的傳感器定時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee協(xié)議傳輸?shù)铰酚晒?jié)點(diǎn)。為了保障數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)每3 s上傳一次數(shù)據(jù)。路由節(jié)點(diǎn)經(jīng)由路由轉(zhuǎn)發(fā)將數(shù)據(jù)匯聚到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)預(yù)處理，打包轉(zhuǎn)發(fā)給路燈集中控制器，再經(jīng)由GPRS協(xié)議實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的信息傳輸。

2.2 路燈終端的設(shè)計(jì)方案

由上文的數(shù)據(jù)傳輸方案可知在現(xiàn)場(chǎng)有3種不同類型的終端節(jié)點(diǎn)：普通終端、路由終端和協(xié)調(diào)器終端。普通終端是采集信息的主要設(shè)備，由獨(dú)立的電路模塊以及相應(yīng)的傳感器組成，具體的終端設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3 路燈終端設(shè)計(jì)方案

在路燈終端的硬件電路設(shè)計(jì)中，光敏電阻主要分為兩種不同的功能：一種布置在燈柱上采集外界的光強(qiáng)，根據(jù)采集光強(qiáng)從而判斷是否需要發(fā)出路燈打開的請(qǐng)求；另一種布置在路燈的發(fā)光源附近，通過(guò)采集路燈的光強(qiáng)判斷路燈是否在正常工作以及是否需要調(diào)節(jié)路燈的亮度。電流及電壓檢測(cè)電路是通過(guò)檢測(cè)干路電流，判斷電路的工作狀態(tài)是否正常。除此之外還設(shè)計(jì)了振動(dòng)傳感器與聲音傳感器，其主要在夜間，尤其是后半夜開始工作。當(dāng)夜間車流較少時(shí)，可以降低路燈的亮度以達(dá)到節(jié)能的目的，當(dāng)檢測(cè)到有車輛通過(guò)時(shí)則可以適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)路燈亮度。故障檢測(cè)模塊則是現(xiàn)場(chǎng)的控制模塊，當(dāng)檢測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)故障時(shí)，根據(jù)預(yù)設(shè)的程序選擇斷電處理等操作，從而保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。同時(shí)故障模塊通過(guò)與路燈集中控制器通信，向遠(yuǎn)端的控制中心發(fā)出警報(bào)。

2.3 基于地理信息系統(tǒng)(GIS)的路燈終端定位設(shè)計(jì)

在城市路燈電源的管控系統(tǒng)中，有一個(gè)必不可少的問(wèn)題：如何實(shí)現(xiàn)路燈定位。關(guān)于路燈的定位本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩種定位方式：ZigBee通信模塊的物理地址定位和基于GIS的定位。其中基于GIS的上位機(jī)設(shè)計(jì)可以有效地確定設(shè)備的精確地理位置信息。

實(shí)現(xiàn)智能路燈的自動(dòng)化信息系統(tǒng)首先便是要構(gòu)建路燈的資料信息庫(kù)。主要包括兩個(gè)方面：路燈基本信息庫(kù)和路燈實(shí)時(shí)工作狀態(tài)信息庫(kù)。本系統(tǒng)中路燈基本信息庫(kù)包括路燈ZigBee終端編號(hào)，路燈地理位置，路燈的搭建日期，所使用的材料，功率等等。路燈實(shí)時(shí)性的工作狀態(tài)信息庫(kù)包含信息為路燈的工作狀態(tài)，電壓、電流參數(shù)以及當(dāng)下該路燈所處的外界天氣情況等等。

3 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行城市智能化建設(shè)成為未來(lái)城市發(fā)展的主流。本文針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)感知層的相關(guān)技術(shù)，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能路燈電源管控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)了底層感知數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性感知與傳輸，提高了系統(tǒng)的智能化程度，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)性控制。筆者最后還對(duì)基于GIS的路燈終端定位系統(tǒng)做了簡(jiǎn)要說(shuō)明，設(shè)計(jì)了路燈的資料信息庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了路燈的精確定位。

[1]丁亮.基于物聯(lián)網(wǎng)的城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)及相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)[D].杭州:杭州電子科技大學(xué)，2012:6-7.

[2]董玉德.基于物聯(lián)網(wǎng)的路燈可視化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].高技術(shù)通訊，2015(5):515-523.

Study on intelligent street lamp power supply management and control system based on Internet of Things

SUN Hao-yue1,ZHANG Liang1,QI Ai-hua1,DONG Xiao-qing2
(1.Hebei University of Architecture,Zhangjiakou Hebei 075000,China;2.Zhuolu County of Housing and Urban-Rural Development Bureau,Zhangjiakou Hebei 075000,China)

Introducing the Internet of Things technology into management and control system can improve the intelligence level of the system.Aiming at the problem of low efficiency of urban street lamp control and the practical demand of urban street lamp intelligent construction,The research and analysis on the control system of city street lamp power based on Internet of Things technology was conducted. The efficient control of field equipment and information transmission was focused on under the sensing layer of Internet of Things based on ZigBee.Finally,the design scheme based on GIS streetlight location information base was put forward to improve the level of management and control of the system.

Internet of Things;intelligent street lights;control system;ZigBee

TM 7

A

1002-087 X(2017)07-1071-02

2016-12-03

河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(QN2016220);河北建筑工程學(xué)院校級(jí)科研基金項(xiàng)目(2016XJJQN15)

孫皓月(1980—)，男，河北省人，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。