基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的城市道路智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院 劉 航 田建榮

金川集團(tuán)股份有限公司 吳小娟 吳金娟

目前，城市路燈依舊存在浪費(fèi)資源、維護(hù)不及時(shí)等問題，不僅影響民眾的正常出行，還易形成不確定隱患，同時(shí)也不符合當(dāng)前建設(shè)綠色城市的發(fā)展理念。本文研究的智能照明系統(tǒng)正可以消除部分問題。

1 城市道路照明

道路照明是城市建設(shè)中的關(guān)鍵組成內(nèi)容，自動(dòng)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)時(shí)代以來，道路照明也趨向于智能化，并已然成為當(dāng)前的建設(shè)總體趨勢。在城市發(fā)展期間，照明關(guān)乎整個(gè)城市的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)長，若其控制設(shè)計(jì)較為現(xiàn)代化，會(huì)予以民眾良好且更加安全的出行空間。但現(xiàn)如今，部分城市的照明控制系統(tǒng)存在一系列問題有待處理，限制著城市發(fā)展的腳步。比如，在道路不斷擴(kuò)建的過程中，道路照明用具持續(xù)增加，不僅增加后期運(yùn)維的費(fèi)用投入量，還浪費(fèi)諸多資源，存有諸多負(fù)面作用。另外，夜間車流量及行人均會(huì)大幅減少，此時(shí)路燈依舊如初入夜時(shí)繼續(xù)明亮，勢必會(huì)造成電能的浪費(fèi)。加之由此導(dǎo)致路燈的長期使用，縮短燈具的使用周期，加劇資源浪費(fèi)的問題。同時(shí)，路燈長期處于露天工作環(huán)境中，極易被自然因素影響，導(dǎo)致燈具損壞，喪失照明功能的同時(shí)，可能還會(huì)形成部分安全隱患，而此類故障無法在第一時(shí)間被發(fā)現(xiàn)。

運(yùn)用智能照明系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)掌握照明用具的工作狀態(tài)，并了解其內(nèi)部無法通過肉眼觀察到的隱性問題，可有效處理傳統(tǒng)道路照明工具的弊端。智能照明是借助電力線的載波通訊以及各類通信網(wǎng)絡(luò)、ZigBee等，達(dá)到節(jié)能式的集中管控。在路燈正式投入運(yùn)營前，會(huì)在系統(tǒng)中設(shè)定控制程序，包括亮度、警報(bào)等單元，以控制電能的消耗，并保證道路交通的安全性，提升對(duì)運(yùn)維費(fèi)用的管控效果。筆者以ZigBee為主，從該方面研究此類智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，如圖1所示。

圖1 智能照明控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的城市道路智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能化的道路照明系統(tǒng)中，包括照明燈具的終端節(jié)點(diǎn)及相連的無線通信網(wǎng)絡(luò)，后臺(tái)管控中心。在照明終端節(jié)點(diǎn)需和道路中的每個(gè)燈具相連，屬于一種網(wǎng)絡(luò)化的控制節(jié)點(diǎn)。而無線網(wǎng)絡(luò)則起到類似于傳感器的作用，借助鏈狀樹形的組織框架，達(dá)到連通網(wǎng)絡(luò)的效果，多個(gè)燈具終端節(jié)點(diǎn)和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)共同組成道路間的局域網(wǎng)。傳感網(wǎng)絡(luò)是借助ZigBee實(shí)現(xiàn)相互之間的數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)期間，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)會(huì)把采集到的信息傳給對(duì)應(yīng)IP服務(wù)器，而后發(fā)送到相應(yīng)的后臺(tái)管控中心。操作工作者能通過電腦或移動(dòng)終端接收信息，并通過進(jìn)一步地信息處理分析，改變控制照明網(wǎng)絡(luò)的模式。路燈啟動(dòng)后，管理員會(huì)通過控制程序查看路燈當(dāng)前的工作狀態(tài)，如若發(fā)現(xiàn)異常，現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)會(huì)直接通過服務(wù)器來到到控制中心，而后，管理員將故障數(shù)據(jù)傳給維修技術(shù)員，故障信息需要包括故障類型、具體故障點(diǎn)等，及時(shí)安排技術(shù)員到現(xiàn)場處理維護(hù)。

2.2 系統(tǒng)硬件選型

在智能照明系統(tǒng)中，硬件通常涉及到ZigBee單元、傳感裝置以及GPRS單元等。筆者本次的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，傳感裝置共選用兩種，即光敏電阻以及光照傳感，并分別負(fù)責(zé)檢測燈具工作狀態(tài)及周邊自然光線強(qiáng)度情況。ZigBee單元中加入CC2530芯片，其包括Z-Stack協(xié)議棧，能提高自組網(wǎng)的效率，打造道路燈具的傳感網(wǎng)絡(luò)。而上文提到的最后一種模塊，筆者選擇M260模塊，其本身使用性能已經(jīng)達(dá)到工業(yè)級(jí)，集中無線通訊以及定位功能，借助SIM卡與合作運(yùn)營商予以的無線通訊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)置，快速得到所需的地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)。此外，借助串口與被監(jiān)測裝置之間穩(wěn)定銜接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。此模塊中包含的協(xié)議棧，可利用云平臺(tái)或移動(dòng)終端SDK，提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)的便利性。具體設(shè)計(jì)如下：

一方面，路燈的終端節(jié)點(diǎn)。此部分位于智能系統(tǒng)的末端，其需要為控制中心提供實(shí)地?cái)?shù)據(jù)，借助傳感裝置采集信息。根據(jù)控制中心反饋的指令，調(diào)整對(duì)應(yīng)的路燈及PWM，以此改變亮度。各終端節(jié)點(diǎn)都安裝芯片及光敏電阻、照明燈具。其中光敏電阻是借助對(duì)燈具光照信息的采集感知，辨別其的工作狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)異常，會(huì)直接把異常數(shù)據(jù)傳至控制中心。燈具則借助芯片調(diào)整PWM占空對(duì)比燈具亮度，實(shí)現(xiàn)智能管控。另一方面，無線網(wǎng)關(guān)的節(jié)點(diǎn)。其位于智能系統(tǒng)的中心位置，每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要和多個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)相連，并完成信息交換。道路照明燈具運(yùn)行期間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)過終端達(dá)到該節(jié)點(diǎn)，并由此傳給服務(wù)器后，進(jìn)入控制中心，管理員查看處理分析數(shù)據(jù)后，直接將調(diào)整指令通過服務(wù)器傳輸給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，最終達(dá)到路燈末端，執(zhí)行控制指令。各區(qū)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)會(huì)有配套的光感傳感裝置，以感知自然條件下光照情況，并傳輸給控制中心加以分析，靈活改變路燈的運(yùn)行方案。所有網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中都包含CC2530、M260以及傳感裝置，并且前兩個(gè)模塊是借助串口實(shí)現(xiàn)信息通訊，以此滿足ZigBee與GPRS的協(xié)議構(gòu)建。最后的傳感裝置是借助通訊協(xié)議完成信息采集工作。

圖2 智能照明系統(tǒng)控制器

2.3 系統(tǒng)軟件程序

智能照明系統(tǒng)中的軟件有信息通訊幀、傳感網(wǎng)絡(luò)及控制中心三個(gè)部分的軟件程序。為提高收發(fā)信息的穩(wěn)定性，需依托于數(shù)據(jù)幀，以降低控制中心及系統(tǒng)末端兩處的信息分析難度。同時(shí)，傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)利用準(zhǔn)確地編程，完成對(duì)組網(wǎng)模式及外設(shè)單元等部分的設(shè)計(jì)，而控制中心需要功能齊全的操作界面，確保管控程序得以簡化。

首先，通訊數(shù)據(jù)幀。筆者考慮到智能系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，提前規(guī)劃系統(tǒng)的控制方案，具體而言，以當(dāng)?shù)氐能嚵髁枯^大的時(shí)間段、多個(gè)路燈同時(shí)工作及單燈模式工作時(shí)間、基于自然條件下的光線照明度三個(gè)指標(biāo)，進(jìn)行路燈的智能調(diào)控。此外，還涉及到末端燈具運(yùn)行異常的警報(bào)數(shù)據(jù)及對(duì)客觀環(huán)境的數(shù)據(jù)采集限制。為保證智能系統(tǒng)擁有穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，加入節(jié)點(diǎn)指令控制幀以及信息傳送幀，以提高系統(tǒng)程序處理信息的便利性。一方面，指令控制幀，其應(yīng)用在系統(tǒng)控制中心，通過無線網(wǎng)絡(luò)下達(dá)控制指令，以此操控終端節(jié)點(diǎn)，開關(guān)道路上的燈具，達(dá)到調(diào)整亮度及群組的目的。此部分的控制幀包括四個(gè)字節(jié)，各自負(fù)責(zé)開關(guān)、控制方案、節(jié)點(diǎn)號(hào)數(shù)據(jù)以及亮度調(diào)節(jié)工作。另一方面，節(jié)點(diǎn)信息傳送幀，其傳送的信息有光照情況、路燈異常數(shù)據(jù)，并借助井字符號(hào)進(jìn)行分隔，實(shí)現(xiàn)同時(shí)顯示兩個(gè)信息的目的。控制中心在獲取由此傳送的信息后，需要通過拆解字符串，進(jìn)行歸類整理，最終顯示在操作界面上，經(jīng)過辨別分析后處理并解決問題，下達(dá)執(zhí)行指令。

其次，終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)。此節(jié)點(diǎn)主要的工作是實(shí)時(shí)采集路燈當(dāng)下的工作狀態(tài)，而后借助傳感網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。在獲取控制中從網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳達(dá)的執(zhí)行指令后，會(huì)先進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，判斷指令具體的意圖，而后完成對(duì)色路燈的調(diào)整任務(wù)，并發(fā)送PWM調(diào)整后的路燈工作信息。再次，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)。該節(jié)點(diǎn)需進(jìn)行上電初始化設(shè)置，并確定適宜穩(wěn)定的信道，完成網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建后，才會(huì)開啟監(jiān)控工作。運(yùn)用控制終端節(jié)點(diǎn)，并配以傳感網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)裝置，和光照傳感裝置建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈所處的光照條件數(shù)據(jù)進(jìn)行感知收集，之后將實(shí)地獲取的數(shù)據(jù)利用串口，傳送至GPRS單元后，進(jìn)入相連服務(wù)器。而后終端節(jié)點(diǎn)會(huì)反饋照明用具當(dāng)前工作情況數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)裝置接受后，利用串口完成轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)作。在GPRS單元獲取到控制中心下達(dá)的執(zhí)行指令時(shí)，會(huì)借助串口將信息轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)裝置，由此借助系統(tǒng)內(nèi)的廣播，將信息發(fā)送至區(qū)域網(wǎng)結(jié)構(gòu)內(nèi)的所有終端節(jié)點(diǎn)，并完成管理命令的內(nèi)容操作。

最后，控制中心的軟件設(shè)計(jì)。控制中心地運(yùn)作是依托于遙感傳輸平臺(tái)，其屬于一種即時(shí)的通訊協(xié)議，利用IBM云計(jì)算技術(shù)得以構(gòu)成實(shí)現(xiàn)，在物聯(lián)網(wǎng)中具有較高的地位。此協(xié)議能應(yīng)用在現(xiàn)有的全部平臺(tái)上，推動(dòng)集約化管控，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)全部的物品與外部建立聯(lián)系，在傳感裝置及制動(dòng)裝置中均有應(yīng)用。筆者的智能控制軟件，實(shí)現(xiàn)利用移動(dòng)終端進(jìn)行操作，并能實(shí)現(xiàn)信息的動(dòng)態(tài)更新。管理員能直接查看控制中心界面，掌握系統(tǒng)末端設(shè)備的工作狀態(tài)，采取自動(dòng)或手動(dòng)的模式，完成對(duì)路燈的管控調(diào)整。在此期間，如果出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，軟件程序會(huì)立即發(fā)出提醒信號(hào)，通過使用電子地圖準(zhǔn)確定位到對(duì)應(yīng)的路燈，以便及時(shí)找到故障路燈，完成維修。

結(jié)束語：筆者設(shè)計(jì)的照明系統(tǒng)是依托于ZigBee以及GPRS實(shí)現(xiàn)，配以服務(wù)器及遙感控制中心。系統(tǒng)通過檢測后，基本達(dá)到預(yù)期的成效，具有故障識(shí)別準(zhǔn)確、通訊效率高等優(yōu)勢，可用于智慧城市建設(shè)，提升城市管理水平。