基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)

張文彬

（深圳佳比泰智能照明股份有限公司，廣東深圳 518000）

傳統(tǒng)的城市照明系統(tǒng)一般采用分散受控?zé)艄馀c時(shí)控?zé)艄鈨纱蠓绞?，即在路燈配電箱中安裝定時(shí)器，并按照預(yù)定時(shí)間自行開(kāi)關(guān)燈。這種技術(shù)管理方式相對(duì)死板，只能在統(tǒng)一時(shí)間開(kāi)關(guān)燈，同時(shí)需要人工干預(yù)來(lái)調(diào)整開(kāi)關(guān)時(shí)間，且其電力載波控制受到電力線強(qiáng)磁場(chǎng)干擾，整體看通信環(huán)境相當(dāng)惡劣，信號(hào)衰減時(shí)變性表現(xiàn)較大?，F(xiàn)如今，應(yīng)遵循智能化建設(shè)原則，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，運(yùn)用ZigBee 通信技術(shù)+傳感器技術(shù)來(lái)組成聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)，有效解決傳統(tǒng)照明控制中所存在的諸多問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)城市照明系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化控制。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與ZigBee通信協(xié)議

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概念早在1999年就已經(jīng)被提出，它是基于互聯(lián)網(wǎng)、RFID、EPC 等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)所提出的，在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上合理利用射頻識(shí)別技術(shù)和無(wú)線數(shù)據(jù)通信技術(shù)，構(gòu)造了一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)信息實(shí)時(shí)共享的實(shí)物互聯(lián)網(wǎng)，即物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）?，F(xiàn)如今，物聯(lián)網(wǎng)又被稱之為“傳感網(wǎng)”，它是互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)的結(jié)合體，在感知技術(shù)內(nèi)容方面有所豐富。物聯(lián)網(wǎng)所體現(xiàn)出的系統(tǒng)性、聚合性創(chuàng)新應(yīng)用特征已經(jīng)掀起了信息技術(shù)的第三次革命，它在識(shí)別通信特征、強(qiáng)調(diào)物物通信功能方面表現(xiàn)出色，同時(shí)具有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的自我反饋與智能控制功能。

1.2 ZigBee通信協(xié)議

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系中，ZigBee通信協(xié)議不得不提，它通過(guò)一種特殊肢體語(yǔ)言來(lái)告知系統(tǒng)信息源位置，所以還被稱為“ZiZag 舞蹈”，代表了一種信息的簡(jiǎn)單傳達(dá)方式，就像蜜蜂之間工作配合所演繹的舞蹈，所以才被稱為“ZigBee”通信協(xié)議。作為一種無(wú)線電通信技術(shù)，ZigBee 通信協(xié)議中包含了超過(guò)70 000個(gè)無(wú)線數(shù)傳模塊，它們共同組成了一個(gè)完整的無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊的相互通信，確保每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的距離都能從標(biāo)準(zhǔn)距離到75m 距離無(wú)限延展。ZigBee 技術(shù)的低功耗、低速率、近距離雙向無(wú)線通信技術(shù)表現(xiàn)強(qiáng)大，它對(duì)于典型周期性、間歇性數(shù)據(jù)的傳輸?shù)轿?，同時(shí)也能建立數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用技術(shù)體系，保證ZigBee 技術(shù)能夠主動(dòng)嵌入到某些消費(fèi)性電子設(shè)備中，形成小范圍內(nèi)無(wú)線通信控制與自動(dòng)化、智能化操作。

在當(dāng)前的城市智能化照明系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用是相當(dāng)廣泛的，為有效體現(xiàn)城市現(xiàn)代化形象，調(diào)整亮燈率、開(kāi)關(guān)燈準(zhǔn)確率非常有必要，同時(shí)也必須提高照明系統(tǒng)的故障檢測(cè)效率與實(shí)時(shí)性維修機(jī)制。為此就必須做好技術(shù)改造，保證物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與ZigBee 通信協(xié)議發(fā)揮其應(yīng)有功能作用，滿足新形勢(shì)下城市建設(shè)與發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求。具體來(lái)說(shuō)，就是要將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的GPRS 與ZigBee 技術(shù)聯(lián)系起來(lái)，有效組建新型的城市照明燈控制模式，如此對(duì)實(shí)現(xiàn)城市中照明系統(tǒng)的單燈控制、大幅度節(jié)約能源都有一定幫助，同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)國(guó)家低碳環(huán)保節(jié)能要求的全面響應(yīng)。另外，ZigBee 也能將終端層的運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)主節(jié)點(diǎn)層直接反饋到服務(wù)器層，保證監(jiān)控中心能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)掌握照明系統(tǒng)中燈的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的城市智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要點(diǎn)

基于物聯(lián)網(wǎng)的城市智能照明控制系統(tǒng)在總體設(shè)計(jì)方面主要圍繞終端層、主節(jié)點(diǎn)層、服務(wù)器層展開(kāi)，具體如下。

2.1.1 終端層的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在城市智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于終端層的設(shè)計(jì)首當(dāng)其沖，要采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)分析路端單燈測(cè)控器，保證與終端層核心控制器相互連接，形成無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。而對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信控制則通過(guò)ZigBee 通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)，其主要功能就是控制和檢測(cè)路燈狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)燈具的有效開(kāi)關(guān)與功率升降。即要在每一個(gè)單燈測(cè)控器位置都設(shè)置ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，組成物物聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)。如可在城市景觀區(qū)安裝物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)智能照明控制系統(tǒng)，形成區(qū)域獨(dú)立的照明智能化網(wǎng)絡(luò)。

在終端層設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要做好MCU 晶振模塊設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中降低系統(tǒng)成本因素，同時(shí)考慮采用物聯(lián)網(wǎng)配合CLKO 時(shí)鐘來(lái)輸出作為MCU 的外部時(shí)鐘源，建立低成本、高精度的MCU 時(shí)鐘供給方案。另外在終端層中還要設(shè)計(jì)射頻模塊，體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，通過(guò)射頻模塊來(lái)增加測(cè)控器網(wǎng)絡(luò)通信距離，同步增加低噪聲放大器、射頻收發(fā)開(kāi)關(guān)的IC 功能。其射頻模塊電路圖如圖1所示。

圖1 城市智能照明控制系統(tǒng)中的射頻模塊原理

2.1.2 主節(jié)點(diǎn)層的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

主節(jié)點(diǎn)層的設(shè)計(jì)要點(diǎn)主要從城市智能照明控制系統(tǒng)的路端通信裝置開(kāi)始，保證匯集底層傳感信息，通過(guò)GPRS 網(wǎng)絡(luò)來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)信息到應(yīng)用層監(jiān)控中心中。在這里，需要設(shè)置Internet 與路燈網(wǎng)絡(luò)接口網(wǎng)關(guān)，配合5G 技術(shù)與無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)將數(shù)據(jù)直接發(fā)送到監(jiān)控中心服務(wù)器之中。整體來(lái)講，主節(jié)點(diǎn)層中所有裝置都采用了高性能芯片作為控制單元，結(jié)合無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)形成微控制器，滿足數(shù)據(jù)傳輸要求。在配合5G技術(shù)過(guò)程中，也能夠針對(duì)城市中的不同要求選擇適合的通信方式，建立主節(jié)點(diǎn)層。

在主節(jié)點(diǎn)層的硬件設(shè)計(jì)方面，需要對(duì)硬件模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證路端通信裝置中硬件總體框架設(shè)計(jì)到位，確保系統(tǒng)結(jié)合控制監(jiān)測(cè)路端燈箱，實(shí)現(xiàn)IIC 與SPI 接口的有效擴(kuò)展，體現(xiàn)硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的靈活性以及可擴(kuò)展性。如圖2所示。

圖2 城市智能照明控制系統(tǒng)的路端通信裝置硬件總體設(shè)計(jì)

2.1.3 服務(wù)器層的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在服務(wù)器層設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要圍繞其核心內(nèi)容展開(kāi)設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)管理軟件與通信軟件。以通信軟件設(shè)計(jì)為例，其主要結(jié)合ZigBee 通信協(xié)議展開(kāi)設(shè)計(jì)，聯(lián)合GPRS 技術(shù)來(lái)獲取數(shù)據(jù)庫(kù)中的未處理控制指令內(nèi)容，確保某些信息指令都能放入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，建立通信軟件偵聽(tīng)服務(wù)器TCP 端口。在服務(wù)器運(yùn)行過(guò)程中，需要保證通信軟件設(shè)計(jì)采用Service 形式，配合服務(wù)運(yùn)行監(jiān)控中心服務(wù)器來(lái)偵聽(tīng)TCP 端口內(nèi)容，保證系統(tǒng)路端通信裝置通信到位。目前的城市智能照明控制系統(tǒng)一般采用多線程Socket 機(jī)制進(jìn)行通信軟件設(shè)計(jì)，其通信軟件也附屬了ZigBee 通信協(xié)議，配合哈希表記錄路端通信裝置，形成TCP 客戶端。TCP 客戶端是對(duì)應(yīng)Socket 句柄的，它能夠有效減少服務(wù)器層設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的復(fù)雜度，最大限度提高系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定性。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.2.1 管理軟件設(shè)計(jì)

管理軟件設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)系統(tǒng)模塊，有效增加、刪除和修改照明控制內(nèi)容，確保系統(tǒng)能夠靈活自主調(diào)整軟件功能，例如建立手工控制模塊。而在手工控制模塊中，則要設(shè)計(jì)對(duì)燈箱的開(kāi)關(guān)、功率調(diào)節(jié)機(jī)制，保證實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)景觀燈控制的要求，建立整條路段的燈箱控制機(jī)制，在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的單燈控制。

在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊中，則需要建立智能管理軟件，并與城市地理信息系統(tǒng)相互結(jié)合，滿足數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計(jì)要求，確保用戶能夠相對(duì)直觀地觀測(cè)到燈箱的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

2.2.2 通信軟件設(shè)計(jì)

在通信軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要建立基于GPRS 與ZigBee 通信協(xié)議聯(lián)合的數(shù)據(jù)庫(kù)管理機(jī)制，保證通信軟件設(shè)計(jì)到位，在服務(wù)器上運(yùn)行通信軟件，偵聽(tīng)服務(wù)器的TCP 端口。在TCPSvr 類封裝系統(tǒng)中，需要建立網(wǎng)絡(luò)通訊事件模型，提供TCPSvr 事件分析機(jī)制，然后才能對(duì)通信軟件進(jìn)行科學(xué)合理化編程。在這里，需要為通信軟件設(shè)計(jì)提供具有自定義形式的服務(wù)器偵聽(tīng)技術(shù)體系，避免通信阻塞問(wèn)題出現(xiàn)。例如要采用到哈希表中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)存儲(chǔ)TCP 客戶端信息，同時(shí)封裝形成Session，體現(xiàn)通信軟件的強(qiáng)大擴(kuò)展性與靈活性。當(dāng)然，也要建設(shè)Coder 編碼解碼機(jī)制，在該基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)編碼、解碼與加密操作，提高通信軟件運(yùn)行安全性，方便解析報(bào)文數(shù)據(jù)內(nèi)容。

2.3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)

城市智能照明控制系統(tǒng)在功能實(shí)現(xiàn)方面也相當(dāng)突出，在控制模式選擇方面需要對(duì)路燈控制模式進(jìn)行設(shè)置，其中就包括了自由控制模式、經(jīng)緯度控制模式、節(jié)假日控制模式以及夏季運(yùn)行控制模式。其系統(tǒng)能夠控制路燈進(jìn)行分區(qū)域照明，有效調(diào)整控制功率與控制類型。以控制類型為例，它設(shè)置了包括城市、區(qū)域、街道、主控箱在內(nèi)的四大不同級(jí)別，保證路燈功率能夠到80%以上，甚至實(shí)現(xiàn)無(wú)極限調(diào)節(jié)。

在自由控制模式中，則需要保證所選擇的控制類型，能夠確保城市智能照明控制系統(tǒng)的輸入功率可以從0～100%有效調(diào)節(jié)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)單模式背景下的單燈控制。以節(jié)假日控制為例，其開(kāi)燈時(shí)間與關(guān)燈時(shí)間控制相對(duì)嚴(yán)謹(jǐn)，要結(jié)合手工設(shè)置與手工控制記錄來(lái)控制系統(tǒng)照明范圍，同時(shí)設(shè)置電感景觀燈，提高系統(tǒng)運(yùn)行功率。圖3為城市智能照明控制系統(tǒng)的夏季照明模式運(yùn)行控制界面。

圖3 城市智能照明控制系統(tǒng)的夏季照明模式運(yùn)行控制界面

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文中探討了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與ZigBee 通信協(xié)議的城市照明智能綜合控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中對(duì)于技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)多、應(yīng)用范圍大、應(yīng)用深度較深，在制定相對(duì)統(tǒng)一的控制模式過(guò)程中也提高了城市照明效率，真正做到了城市智能化、自動(dòng)化照明操作，為城市美化建設(shè)創(chuàng)造了有利條件，也為城市建立了市政景觀照明傳感網(wǎng)，深層次感知城市區(qū)域交通、環(huán)境以及居民工作生活各方面變化，建立了真正意義上的物聯(lián)網(wǎng)世界。