基于Zigbee協(xié)議的智慧節(jié)能路燈

薛曼玲　馮開革　宋鑫　宋雪林

摘 要：路燈作為城市照明的主要組成成分，在夜晚其照明的同時(shí)，也消耗著巨大的能量。我們的系統(tǒng)便是針對夜晚路燈能源消耗問題，所提出的一種智慧節(jié)能系統(tǒng)。道路路燈控制系統(tǒng)目前在城市中的用途非常廣泛，但多數(shù)的路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是根據(jù)制定好的時(shí)間來開關(guān)燈。我們?yōu)榱斯?jié)省能源，設(shè)計(jì)了基于Zigbee協(xié)議的智慧節(jié)能路燈，一個(gè)區(qū)域的路燈組件成一個(gè)燈聯(lián)網(wǎng)，單個(gè)路燈能夠根據(jù)環(huán)境中光的明暗變化自動(dòng)開關(guān)燈的同時(shí)，還可以將本路燈或路段環(huán)境信息傳輸給其他路燈，使的其他路燈可以相應(yīng)作出響應(yīng)。比如平時(shí)夜晚時(shí)燈是低亮度，在其他路燈傳輸來或者是自身監(jiān)測到人時(shí)會(huì)逐漸提高亮度。該系統(tǒng)基于可靠的硬件設(shè)計(jì)和穩(wěn)定的軟件算法實(shí)現(xiàn)了理想的設(shè)計(jì)效果，達(dá)到了節(jié)能的目的。

關(guān)鍵詞：Zigbee協(xié)議；智慧；節(jié)能路燈；交通燈管制

中圖分類號：TM923.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）15-0010-03

Abstract： As the main component of city lighting， street lamps consume huge energy while lighting at night. Our system is a kind of intelligent energy saving system aimed at the energy consumption of street lamps at night. The road lamp control system is widely used in the city at present， but most of the design of the street lamp control system is based on the established time to switch on and off lights. In order to save energy， we designed intelligent and energy-efficient street lamps based on Zigbee protocol. The street lamp components in one area form a light network， and individual street lamps can automatically switch on and off according to the brightness and darkness of the light in the environment. The environmental information of the street lamp or road section can also be transmitted to other street lamps so that the other lamps can respond accordingly. For example， usually at night when the light is of low brightness， and when other street lights are transmitted or monitoring people， it will gradually improve the brightness. The system is based on reliable hardware design and stable software algorithm to achieve an ideal design effect and achieve the purpose of energy saving.

Keywords： Zigbee protocol； wisdom； energy-saving street lights； traffic light control

隨著城市飛速發(fā)展，市政路燈數(shù)量更是呈現(xiàn)出跳躍式的增長，同時(shí)其也不可避免地消耗著大量電能。城市道路照明作為城市功能性照明，是整個(gè)城市夜間運(yùn)行的基礎(chǔ)，是不可或缺的，而城市照明系統(tǒng)的合理配置和有效運(yùn)行，更是衡量一個(gè)城市市容、市貌的重要標(biāo)志。因此，針對城市照明之路，積極實(shí)施能源管理路燈節(jié)能改造項(xiàng)目建設(shè)，有效推進(jìn)能源管理路燈照明節(jié)能工作具有重大意義。

目前一般的傳統(tǒng)路燈，主要是高壓鈉燈，一盞路燈的功率約為100W-400W，一些大型路燈功率可以達(dá)到1000W以上。我們現(xiàn)以一盞燈250W為例來計(jì)算，假設(shè)一晚上照明時(shí)長11小時(shí)（從晚7點(diǎn)到第二天早6點(diǎn)），則可知一盞路燈消耗的電能為250×11/1000=2.75度。假設(shè)燈與燈之間的間距是15米，那么一條長1千米的道路就有2×1000/15=133盞路燈（乘2因?yàn)榈缆穬蛇吀饔幸槐K路燈），那么道路一晚上電能消耗量為2.75×133=365.75度，1年的電能消耗量是365.75×365=13.35萬度。假設(shè)照明的有效時(shí)長為30%，那么一條街道電能浪費(fèi)量就有13.35×0.7=9.3萬度。對于中等規(guī)模的城市這樣的街道可能就有100個(gè)以上，大規(guī)模城市這樣的街道就可能有數(shù)百個(gè)，這樣一個(gè)大規(guī)模城市每年只在路燈上電能的浪費(fèi)量可能就高達(dá)數(shù)百到數(shù)千萬度?？紤]到全國有數(shù)百個(gè)大規(guī)模城市，中小型的城市則更多，那么總的電能浪費(fèi)量是非常巨大的。

為了解決這一普遍存在的路燈浪費(fèi)能源這一問題，我們產(chǎn)生了智慧路燈的想法。我們的實(shí)行方案是有一個(gè)遠(yuǎn)程控制終端，可對路燈實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程點(diǎn)控、組控、群控、監(jiān)測的同時(shí)，路燈與路燈之間還可以相互的“交流”，實(shí)現(xiàn)一種路燈自主的節(jié)能。

1 系統(tǒng)研究內(nèi)容

1.1 模塊插件功能

因?yàn)椴皇敲總€(gè)路燈節(jié)點(diǎn)上面都需要全部的功能，同時(shí)若每個(gè)節(jié)點(diǎn)都安裝上全部功能只會(huì)造成資源浪費(fèi)并且成本太高。所以我們采用模塊化插件設(shè)計(jì)。每一個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)都留出多個(gè)安裝端口，可擴(kuò)展安裝檢測模塊，監(jiān)測模塊，Zigbee無線傳輸模塊，總控模塊、太陽能充電+風(fēng)力發(fā)電+電能儲(chǔ)蓄模塊。

1.1.1 檢測模塊

含有檢測模塊的節(jié)點(diǎn)可通過傳感器對周圍環(huán)境的狀況進(jìn)行檢測。主要包含路況檢測、環(huán)境檢測和自身監(jiān)測三大內(nèi)容。

1.1.2 Zigbee傳輸模塊

包含節(jié)點(diǎn)間傳輸（小型Zigbee傳輸）和路段間傳輸（大型Zigbee網(wǎng)關(guān)）。用于節(jié)點(diǎn)間、路段間和節(jié)點(diǎn)與路段間信息的傳輸。

1.1.3 總控模塊

接收和處理各種信息，設(shè)置各個(gè)模塊的各項(xiàng)功能，能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)做出控制。

1.1.4 新能源發(fā)電模塊

包含太陽能充電+風(fēng)力發(fā)電+電能儲(chǔ)蓄模塊，主要利用太陽能、風(fēng)能新能源發(fā)電。

1.2 記錄交通信息功能

每個(gè)路段都能“記憶”每晚的車流量的信息，然后通過算法智能判斷得出平均每天車流量較大的時(shí)段來關(guān)閉節(jié)能功能，即讓路燈保持長亮狀態(tài)。這樣一來，在車流量大的時(shí)段關(guān)閉節(jié)能，能達(dá)到更有效的保護(hù)路燈的目的。

1.3 Zigbee信息傳輸

Zigbee是一種新興的無線短距離、低速率的傳輸技術(shù)。因其功耗小、價(jià)格低、延時(shí)短、安全性高且最多支持65000個(gè)無線數(shù)傳模塊的特點(diǎn)。我們采用無線Zigbee協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

1.3.1 節(jié)點(diǎn)交互

路燈節(jié)點(diǎn)之間都可以通過Zigbee傳輸協(xié)議進(jìn)行信息的“交流”即數(shù)據(jù)的傳輸。

1.3.2 分級傳輸

每個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都可以傳輸?shù)奖韭范位蚱渌范蝂igbee網(wǎng)關(guān)處再由Zigbee網(wǎng)關(guān)迅速傳輸?shù)娇刂平K端。

1.3.3 交通燈智能管理

目前交通燈基本都是采用定時(shí)切換的工作方式，這種方式效率很低。我們在傳統(tǒng)模式的定時(shí)切換的基礎(chǔ)上，根據(jù)路燈節(jié)點(diǎn)反饋的路況信息，判斷出每條道路上需要通過車輛的數(shù)量和路口處行人的數(shù)量，再通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)將各路口車輛和行人數(shù)據(jù)匯總到交通燈中心的處理器上，根據(jù)每條道路的車流量，按照一定的算法就可以計(jì)算出最優(yōu)化的交通燈切換時(shí)間。這樣可以將車輛整體的排隊(duì)等待時(shí)間減少，提高道路的利用效率，同時(shí)減少了汽車因?yàn)榈却斐晌矚獾呐欧帕浚@也是一種環(huán)境保護(hù)的方式。

1.3.4 終端遠(yuǎn)程控制

接入路燈“燈聯(lián)網(wǎng)”，通過Zigbee實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、節(jié)能管理每一盞燈，實(shí)現(xiàn)路燈“四遙”監(jiān)控功能。路燈“遙控”：點(diǎn)控、間控、組控、群控；單燈“遙調(diào)”：單燈調(diào)光范圍30～100%；單燈“遙測”：實(shí)時(shí)測量單燈電壓、電流、當(dāng)日開關(guān)燈次數(shù)等參數(shù)。

1.3.5 移動(dòng)端遠(yuǎn)程控制

市民可以通過移動(dòng)端（手機(jī)，平板）來通過網(wǎng)絡(luò)接口來訪問控制終端進(jìn)行路況查看以方便出行，但市民只有訪問權(quán)限無法控制路燈。同時(shí)有專門的遠(yuǎn)程移動(dòng)控制器，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程可移動(dòng)的對路燈進(jìn)行控制。

1.3.6 節(jié)點(diǎn)自動(dòng)報(bào)警

在路燈節(jié)點(diǎn)故障、Zigbee網(wǎng)關(guān)故障或線纜損壞時(shí)進(jìn)行報(bào)警通過短信或郵件，提醒管理者及時(shí)處理。

1.4 多種照明模式

照明模式可以通過終端和移動(dòng)控制端進(jìn)行調(diào)整設(shè)置（默認(rèn)有兩個(gè)模式，管理者可增加）。

1.4.1 間滅燈模式

一段時(shí)間未檢測到車隔一個(gè)燈亮一個(gè)，當(dāng)自身檢測到周圍一定距離有人或車或者是由交互信息得知周圍一定距離內(nèi)有人或車時(shí)，滅的燈就逐漸全亮。之后檢測不到時(shí)就再慢慢返回間滅燈模式。

1.4.2 半夜燈模式

一段時(shí)間未檢測到人或車以微弱亮度（40%-50%）照明，當(dāng)檢測到一定距離有人或車或者是由交互信息得知周圍一定距離內(nèi)有人或車時(shí)，燈的亮度就逐漸增亮。之后一段時(shí)間內(nèi)檢測不到人或車時(shí)就慢慢變暗。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵問題

2.1 基于Zigbee協(xié)議的節(jié)點(diǎn)交互

本系統(tǒng)需要數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測的節(jié)點(diǎn)比較多，并且要求設(shè)備成本低，要求數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，但傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大。

Zigbee協(xié)議適應(yīng)無線傳感器的低花費(fèi)、低能量、低容錯(cuò)率等的要求，且在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互通訊效率非常高，這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，滿足我們的需求。

2.2 分級傳輸

每一個(gè)路段都有一個(gè)大型的Zigbee網(wǎng)關(guān)，每個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都可以傳輸?shù)奖韭范位蚱渌范蝂igbee網(wǎng)關(guān)處再由Zigbee網(wǎng)關(guān)迅速傳到控制終端（如圖2）。而由終端控制節(jié)點(diǎn)時(shí)先反饋給網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)反饋到節(jié)點(diǎn)。

2.3 終端營建和移動(dòng)端的支持

本項(xiàng)目需要一個(gè)總控端，具有控制功能和一個(gè)信息呈現(xiàn)功能。

2.3.1 控制功能

終端可以實(shí)現(xiàn)對節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程遙控?？刂平K端接入路燈“燈聯(lián)網(wǎng)”，通過Zigbee實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、節(jié)能管理每一盞燈，實(shí)現(xiàn)路燈“四遙”監(jiān)控功能。路燈“遙控”：點(diǎn)控、間控、組控、群控；單燈“遙調(diào)”：單燈調(diào)光范圍30～100%；單燈“遙測”：實(shí)時(shí)測量單燈電壓、電流、當(dāng)日開關(guān)燈次數(shù)等參數(shù)。

2.3.2 信息呈現(xiàn)功能

來對各個(gè)節(jié)點(diǎn)上傳的信息進(jìn)行整合并呈現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上，方便民眾出行。民眾能用手機(jī)訪問終端了解路況，以合理選擇出行路線。

3 系統(tǒng)的實(shí)施方案

方案計(jì)劃一共有兩個(gè)終端。路燈節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程控制體系。

3.1 路燈節(jié)點(diǎn)

主要是包含總控模塊、Zigbee無線傳輸模塊、太陽能充電+風(fēng)力發(fā)電+電能儲(chǔ)蓄模塊、檢測、監(jiān)測模塊、路段大型Zigbee傳輸模塊的路燈節(jié)點(diǎn)的搭建。

3.2 遠(yuǎn)程控制體系

主要包含遠(yuǎn)程PC控制端、遠(yuǎn)程移動(dòng)控制端和網(wǎng)絡(luò)端的一套遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制體系。

4 結(jié)束語

下面提出本系統(tǒng)需要優(yōu)化完備的功能：

4.1 Zigbee通訊網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化

Zigbee網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)行算法處理的優(yōu)化，以減少通信延時(shí)，提高通信的精準(zhǔn)度和效率。

4.2 路燈交互處理算法的優(yōu)化

路燈與路燈之間的交互很重要，既需要保證交互的準(zhǔn)確性，又要保證數(shù)據(jù)的完整性。

4.3 交通燈智能管理算法優(yōu)化

基于交互網(wǎng)絡(luò)的交通燈智能管制，需要龐大的信息處理，算法較復(fù)雜需要繼續(xù)優(yōu)化。

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