基于GSM/RF點(diǎn)群網(wǎng)絡(luò)的LED路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究

王子輝，何致遠(yuǎn)，孫文聰，詹宏飛

(浙江科技學(xué)院 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，杭州 310023)

隨著城市道路綠色照明水平的迅速提升，智慧道路照明技術(shù)在現(xiàn)代化城市道路建設(shè)與改造中得到廣泛應(yīng)用，在“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)迅猛發(fā)展的背景下，其功能與應(yīng)用領(lǐng)域得以不斷拓展。智慧照明系統(tǒng)將節(jié)能高效的LED照明設(shè)備與精準(zhǔn)實(shí)時(shí)的信息交互技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)道路照明的集中控制與實(shí)時(shí)監(jiān)測?，F(xiàn)有的路燈監(jiān)控系統(tǒng)主要有通信電纜、電力載波和無線通信方式。其中，無線通信方式由于安裝靈活、檢修維護(hù)便捷、設(shè)備成本與人力成本低等優(yōu)點(diǎn)，成為遠(yuǎn)程道路照明監(jiān)控方案的首選。

目前，遠(yuǎn)程道路照明監(jiān)控系統(tǒng)普遍采用成熟的GSM(Global System for Mobile Communication)公眾移動(dòng)通信方式，其覆蓋范圍廣，通用性好[1]。在現(xiàn)有遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，大量采用基于GSM的GPRS(General Packet Radio Service)通信模式，該方式具有在線時(shí)間長、數(shù)據(jù)流量大的優(yōu)點(diǎn)，但其信號(hào)傳輸易受信道和帶寬的限制，若本地網(wǎng)絡(luò)條件欠佳，可能出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)延遲和丟包通信失敗的情況[2-3]。智能道路照明監(jiān)控系統(tǒng)主要對(duì)城市道路路燈組進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)采集，其控制指令包含開通關(guān)斷、光亮度調(diào)節(jié)和時(shí)鐘定時(shí)信號(hào)；反饋信息主要包括路燈實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，如電壓、電流、功率、溫度和濕度等，通訊數(shù)據(jù)量相對(duì)較小[4]。與GPRS移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相比較，基于GSM的SMS(Short Message Service)短信模式信號(hào)傳輸更為通暢，它對(duì)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度的要求較低，適應(yīng)于通訊繁忙或信號(hào)偏弱的應(yīng)用場合，較適合作為路燈監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式[5-7]?？紤]到數(shù)據(jù)傳輸?shù)某杀疽蛩兀窡艄?jié)點(diǎn)之間的近距離傳輸普遍采用免費(fèi)的Zigbee或RF射頻方式，在通信效果上，Zigbee所處的2.4 GHz頻段的穿透能力較強(qiáng)，但其傳輸距離較短[8-11]，而433 MHz頻段的RF射頻傳輸距離在1 km以上，可依靠其繞射能力實(shí)現(xiàn)更好的通信效果[12-13]。

基于上述研究，筆者提出一種智慧道路照明遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，采用基于GSM短信的遠(yuǎn)距離傳輸與基于RF射頻的近距離傳輸相結(jié)合的點(diǎn)群網(wǎng)絡(luò)通訊方式，具有遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障預(yù)警、數(shù)據(jù)分析等功能，并具備較強(qiáng)的外部設(shè)備擴(kuò)展能力和不同工況下的可移植性。設(shè)計(jì)方案綜合考慮了通訊傳輸?shù)姆€(wěn)定性、節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍和運(yùn)行成本等因素，在滿足智慧城市照明基本需求的同時(shí)，為燈體性能分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了研究平臺(tái)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及功能

①—監(jiān)控中心；②—通信中繼站；③—控制終端。圖1 基于GSM/RF的3層點(diǎn)群架構(gòu)Fig.1 Topology of the three-layer GSM/RF point-group architecture

城市道路照明系統(tǒng)的路燈節(jié)點(diǎn)具有區(qū)域內(nèi)集中、區(qū)域間分散的分布特點(diǎn)，表現(xiàn)為同一路段上的路燈相互間隔較短，而不同路段燈組間的距離較長。與此特點(diǎn)相適應(yīng)，可以通過GSM遠(yuǎn)距離傳輸和RF近距離傳輸相結(jié)合的多級(jí)串接通信方式來實(shí)現(xiàn)相關(guān)控制?；贕SM網(wǎng)絡(luò)的SMS業(yè)務(wù)收費(fèi)低廉，其信號(hào)覆蓋范圍廣，傳輸自由度較大，適用于節(jié)點(diǎn)分散的小數(shù)據(jù)量通訊系統(tǒng)，近距離RF射頻通信則可以實(shí)現(xiàn)免費(fèi)的數(shù)據(jù)傳輸，以節(jié)約運(yùn)行成本。

筆者設(shè)計(jì)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控中心(上位機(jī))、GSM/RF通信中繼站(中位機(jī))和控制終端(下位機(jī))三部分組成。其中，監(jiān)控中心設(shè)置于中央控制室，通過GSM網(wǎng)絡(luò)與分布于路網(wǎng)的若干個(gè)中繼站構(gòu)成“一對(duì)多”的遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)；下位機(jī)終端安裝在燈桿頂端的LED燈具內(nèi)，經(jīng)RF射頻網(wǎng)絡(luò)與安裝在道路終端的通信中繼站組成“多對(duì)一”的短距離通信網(wǎng)絡(luò)，由此構(gòu)成“監(jiān)控中心-通信中繼站-控制終端”的3層點(diǎn)群架構(gòu)，如圖1所示。

在圖1所示的點(diǎn)群架構(gòu)中，上位機(jī)通過GSM網(wǎng)絡(luò)將控制指令發(fā)送至通信中繼站，中繼站處理器根據(jù)通訊協(xié)議判斷控制指令，并下達(dá)至下位機(jī)；下位機(jī)接收指令并執(zhí)行相關(guān)控制操作，讀取路燈的工作電流、電壓、功率、溫度和濕度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過RF網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)反饋給中繼站，再上傳至上位機(jī)，并在監(jiān)控界面中顯示運(yùn)行狀態(tài)。各中繼站和路燈終端的通訊協(xié)議采用統(tǒng)一身份編址，以確保上位機(jī)可準(zhǔn)確識(shí)別不同燈組內(nèi)的任意一盞路燈，實(shí)現(xiàn)燈組群控及單燈節(jié)點(diǎn)獨(dú)立控制。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 路燈控制終端

圖2 控制終端電路結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Circuit diagram of control terminal

下位機(jī)終端由電源模塊、處理器、開關(guān)調(diào)光電路、采樣電路和RF通訊模塊五部分組成，具有定時(shí)通斷、無級(jí)調(diào)光、狀態(tài)參數(shù)采集分析及基于RF射頻的數(shù)據(jù)通信等功能，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)采用STC單片機(jī)作為主處理器，分別與開關(guān)電路、調(diào)光電路、采樣電路和RF射頻模塊相連接，實(shí)現(xiàn)發(fā)送控制指令、讀取運(yùn)行參數(shù)及數(shù)據(jù)交換等功能。采用基于SI4432核心的RF無線射頻模塊，工作于433 MHz頻段，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)終端與中繼站間的“多對(duì)一”雙向數(shù)據(jù)通信。經(jīng)戶外工況下實(shí)際測試，控制終端電路的額定運(yùn)行功率為600 mW，瞬時(shí)峰值功率1 W，長時(shí)間待機(jī)功耗200 mW，其較低的功耗為路燈系統(tǒng)整體效率提升打下基礎(chǔ)?？刂平K端可向LED驅(qū)動(dòng)器輸出1～10 V的標(biāo)準(zhǔn)模擬調(diào)光信號(hào)或PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)10%～100%亮度間的無級(jí)調(diào)光，接口設(shè)計(jì)可兼容各品牌LED驅(qū)動(dòng)器及不同功率的路燈燈頭。控制終端還設(shè)置了符合DALI標(biāo)準(zhǔn)的總線接口，可掛載DALI主從機(jī)、光照度傳感器、開關(guān)和網(wǎng)關(guān)等外部設(shè)備，具有良好的通用性和可擴(kuò)充性。

2.2 中繼站

圖3 中繼站電路結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Circuit diagram of relay station

在基于GSM/RF通訊的3級(jí)傳輸架構(gòu)中，中繼站承擔(dān)將下位機(jī)射頻信號(hào)與上位機(jī)GSM信號(hào)橋接的任務(wù)。中繼站由供電電源、通信處理器、GSM模塊、RF模塊及天線等組成，處理器采用雙串口單片機(jī)，分別連接GSM模塊和RF模塊串行通信接口，如圖3所示。中繼站的RF模塊采用與下位機(jī)相同的無線射頻模塊，GSM通信采用SIM900A模塊。SIM900A是兼容900/1800 MHz雙頻段的緊湊型GSM/GPRS模塊，支持PDU(Protocol Data Unit)和TEXT編碼格式的SMS短信，以及GPRS multi-slot class10/8標(biāo)準(zhǔn)，利用AT指令控制短信的收發(fā)與解析[14-15]。SIM900A同時(shí)支持中國移動(dòng)和中國聯(lián)通SIM卡，其通用性好，使用方便。

2.3 監(jiān)控終端

為滿足智能系統(tǒng)對(duì)人機(jī)交互的便捷性和友好性的需求，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)上位機(jī)可嵌入云終端、電腦終端和手機(jī)終端，具有良好的兼容性。其中電腦終端連接一套GSM收發(fā)器，手機(jī)終端則可直接接入GSM業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)與中繼站的數(shù)據(jù)通訊。用戶可通過上位機(jī)人機(jī)界面或手機(jī)APP設(shè)置路燈組狀態(tài)，并可按需要分別獲取點(diǎn)群組路燈的運(yùn)行參數(shù)與預(yù)警信息。

3 通信傳輸與數(shù)據(jù)分析

為實(shí)現(xiàn)不同通信模式之間高效、安全的數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)擬定了適用于GSM和RF點(diǎn)群的通信橋接架構(gòu)，如圖4所示。上位機(jī)通過GSM將控制指令發(fā)送至中位機(jī)，由中位機(jī)承擔(dān)雙向數(shù)據(jù)解析任務(wù)，并下達(dá)至下位機(jī)；路燈控制指令執(zhí)行完畢后，下位機(jī)將運(yùn)行數(shù)據(jù)經(jīng)RF通訊反饋至中位機(jī)，由中位機(jī)上傳至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸過程。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸流程圖Fig.4 Flowchart of data transmission process

3.1 傳輸協(xié)議

基于SI4432的RF射頻通訊模塊支持16進(jìn)制的數(shù)據(jù)包收發(fā)格式，為滿足路燈控制終端的開關(guān)、調(diào)光、延時(shí)及讀取運(yùn)行參數(shù)等功能，在程序設(shè)計(jì)中規(guī)定了帶循環(huán)冗余校驗(yàn)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，協(xié)議的數(shù)據(jù)收發(fā)格式如表1所示。

表1 協(xié)議數(shù)據(jù)包格式Table 1 Format of protocol data package

為滿足對(duì)監(jiān)控內(nèi)容的不同需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種自由數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。按既定傳輸協(xié)議，數(shù)據(jù)包的長度、內(nèi)容及傳輸時(shí)間間隔均可由用戶在上位機(jī)人機(jī)界面中配置，在確保數(shù)據(jù)傳輸速率穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，兼具可擴(kuò)充功能，有效提升了系統(tǒng)信號(hào)傳輸?shù)撵`活性和適用性。

3.2 數(shù)據(jù)采集與壽命預(yù)測

系統(tǒng)路燈控制終端中設(shè)置了電流和電壓傳感器，下位機(jī)可連續(xù)實(shí)時(shí)采集LED路燈燈體輸入側(cè)的電壓和電流信號(hào)，并記錄采樣點(diǎn)運(yùn)行時(shí)刻，將所采集信號(hào)按表1所示的傳輸協(xié)議上傳至上位機(jī)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)。

圖5 單體LED顆粒端電壓隨時(shí)間變化的規(guī)律曲線圖Fig.5 Curve of single LED terminal voltage changing over time

為滿足道路照明的需要，LED路燈燈體普遍采用大功率白光或黃光LED顆粒串并聯(lián)成組的結(jié)構(gòu)形式，驅(qū)動(dòng)器一般采用恒流控制方式，LED顆粒的額定電流典型值為320 mA，功率為1 W左右。LED顆粒的發(fā)熱量較大，長時(shí)間工作后，某些顆粒的壽命會(huì)顯著衰減，導(dǎo)致其余顆粒的雪崩式損壞。根據(jù)白光LED老化機(jī)理，相同電流下LED顆粒的內(nèi)阻隨老化時(shí)間增加而增大[16-17]，在恒流條件下LED顆粒的端電壓隨時(shí)間變化的規(guī)律如圖5所示，顆粒端電壓隨運(yùn)行時(shí)間增加而迅速上升，在電壓上升至3.45 V時(shí)，其內(nèi)部阻抗急劇增加，表明其壽命即將終止。依據(jù)LED顆粒的上述特性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種通過采集路燈節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)來實(shí)現(xiàn)路燈壽命的預(yù)測機(jī)制，對(duì)路燈的潛在壽命危機(jī)給出預(yù)測預(yù)警，并通過數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制上傳至上位機(jī)，便于及時(shí)處理，從而有效降低路燈照明的故障率。

由圖5可知，在LED顆粒的壽命前期，其端電壓變化緩慢，而壽命后期的變化率迅速增大。在設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)，每間隔1 h采樣并記錄LED燈端電壓數(shù)值U，連續(xù)記錄相鄰2個(gè)時(shí)間段的電壓值，分別記為Uj、Uk，系統(tǒng)可根據(jù)電壓隨時(shí)間的變化率來判斷壽命終止時(shí)刻，判斷其壽命即將終止的數(shù)學(xué)關(guān)系滿足:

(1)

4 系統(tǒng)性能測試

為測試所設(shè)計(jì)系統(tǒng)在實(shí)際工況下的運(yùn)行性能，在戶外道路中設(shè)置8桿路燈節(jié)點(diǎn)，并設(shè)置通信中繼站和上位機(jī)監(jiān)控中心。系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)分布情況如圖6所示，以監(jiān)控中心為原點(diǎn)，各路燈節(jié)點(diǎn)分布在東南、西北和西南3個(gè)方向，形成3組，每個(gè)群組設(shè)置1臺(tái)通信中繼站，每組各2～3桿路燈，各路燈裝設(shè)控制終端。采用GSM/RF的3層點(diǎn)群網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，監(jiān)控中心與3臺(tái)中繼站通過GSM通信，中繼站通過433 MHz頻段的RF射頻與各節(jié)點(diǎn)通信。

圖6 系統(tǒng)戶外實(shí)測的節(jié)點(diǎn)分布 Fig.6 System nod distribution under outdoor experimental condition

4.1 多節(jié)點(diǎn)運(yùn)行試驗(yàn)

實(shí)際工況下，路燈的調(diào)光度一般取30%～100%范圍，在試驗(yàn)中分別設(shè)置①～⑧號(hào)燈的調(diào)光度從100%至30%均勻逐級(jí)遞減。上電運(yùn)行后，各控制終端每間隔1 h采集數(shù)據(jù)并發(fā)送至上位機(jī)保存，獲得的數(shù)據(jù)如表2所示。

試驗(yàn)中所用的路燈燈頭為7并聯(lián)13串聯(lián) LED顆粒模組，標(biāo)稱功率98 W，采用實(shí)驗(yàn)室儀器實(shí)測得額定功率為95 W。參考表2節(jié)點(diǎn)1數(shù)據(jù)，將監(jiān)控系統(tǒng)測得的電流電壓相乘所得到的功率與標(biāo)稱功率進(jìn)行比較，可知系統(tǒng)反饋值與試驗(yàn)測試值較吻合。

表2 多節(jié)點(diǎn)上電時(shí)刻與運(yùn)行1 h時(shí)的參數(shù)數(shù)據(jù)Table 2 Parameters of multiple nodes at the time of power-on and 1-hour operation

4.2 單節(jié)點(diǎn)壽命預(yù)警試驗(yàn)

圖7 多路燈節(jié)點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.7 Monitoring data of streetlights at multi-nods

在上位機(jī)監(jiān)控終端的控制程序里設(shè)置了如式(1)描述的壽命預(yù)測預(yù)警機(jī)制，當(dāng)LED顆粒的電壓變化率在若干連續(xù)小時(shí)內(nèi)均超過預(yù)設(shè)閾值，則判定LED燈異常。以燈節(jié)點(diǎn)1為例，在100%調(diào)光度下，對(duì)LED路燈的輸入電流和電壓實(shí)施連續(xù)監(jiān)控，其電流及電壓的時(shí)間特性如圖7所示。由圖7可以看出，LED單體電流和電壓在12 h的采樣期內(nèi)均保持穩(wěn)定，表明該路燈運(yùn)行正常。運(yùn)行過程中LED燈體的端電壓發(fā)生了微小波動(dòng)，表明由于外部環(huán)境溫度變化而導(dǎo)致LED的伏安特性波動(dòng)，驅(qū)動(dòng)器的恒流特性促使電壓隨溫度變化而變化，但其波動(dòng)幅度較小且具有收斂趨勢(shì)，這與老化狀態(tài)下伏安特性急劇變化的趨勢(shì)不同，因而可依靠式(1)進(jìn)行有效區(qū)分。

為模擬老化情況下LED的伏安特性，在實(shí)驗(yàn)室中以另一相同型號(hào)LED燈具為測試對(duì)象，將燈板各并聯(lián)支路的首粒LED更換為大功率穩(wěn)壓二極管1N5334，如圖8所示。1N5334反向擊穿穩(wěn)壓值為3.6 V，略高于LED顆粒額定電壓，因而可模擬LED壽命即將終止時(shí)端電壓突然增大的狀態(tài)。二極管串接前后燈端電壓特性曲線變化如圖9所示。

圖8 LED模擬燈板老化等效電路Fig.8 Equivalent circuit for simulated LED aging test

圖9 模擬老化測試條件下的LED單體電壓Fig.9 Terminal voltage of Single LED in simulated aging test

根據(jù)式(1)所述的預(yù)警判斷條件，設(shè)置總采樣點(diǎn)數(shù)t為12，采樣長度l為6，電壓變化率閾值ε取0.1 V，可知在模擬老化測試前后其電壓平均值變化量大于閾值，則系統(tǒng)可判定LED燈異常并顯示故障預(yù)警。考慮到在實(shí)際工況中LED的老化過程較為緩慢，因此需加大采樣點(diǎn)數(shù)和采樣長度，并適當(dāng)調(diào)低電壓變化率閾值。具體參數(shù)的設(shè)置可參考廠家提供的LED燈具老化測試數(shù)據(jù)。

5 結(jié) 論

筆者基于GSM/SMS和RF射頻通信網(wǎng)絡(luò)，研究并實(shí)現(xiàn)了一種多路段多點(diǎn)群的LED道路照明智能監(jiān)控系統(tǒng)，構(gòu)建的3層網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)克服了短距離通信覆蓋面小、節(jié)點(diǎn)數(shù)量受限的缺點(diǎn)，彌補(bǔ)了遠(yuǎn)距離通信功耗大、成本高的缺陷，且兼顧可靠性和運(yùn)行成本。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了LED道路照明的遙控、遙測和遙感，且性能穩(wěn)定。因此，該系統(tǒng)能適應(yīng)智慧城市照明系統(tǒng)的潛在需求，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

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