基于ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)的分析和研究.doc

基于ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)的分析和研究 摘要：目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)現(xiàn)迅速，在國(guó)家“十三五”規(guī)劃的指導(dǎo)下，智慧城市的建設(shè)已經(jīng)成為每一個(gè)城市發(fā)展的必備戰(zhàn)略。在智慧城市的建設(shè)中，路燈網(wǎng)作為城市建設(shè)中分布最廣的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于智慧城市的建設(shè)有著舉足輕重的地位?？梢哉f智慧城市的建設(shè)可以從智慧路燈開啟，通過路燈控制系統(tǒng)的全部覆蓋，讓城市具備基本的信息采集網(wǎng)絡(luò)，在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展傳感網(wǎng)的應(yīng)用、道路wifi覆蓋等應(yīng)用層模塊，可視為智慧城市的雛形。本文就對(duì)只能路燈照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用進(jìn)行分析和研究。 關(guān)鍵詞：智慧照明；ZigBee；智慧城市；物聯(lián)網(wǎng) 中圖分類號(hào)：TP277.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）04-0128-02 1 概述 在城市發(fā)展領(lǐng)域，新型智慧城市建設(shè)的不斷得到政府和社會(huì)的重視。在推進(jìn)城市智能化的進(jìn)程中，城市道路照明、智慧照明等逐漸受到重視，照明光源和控制手段得到了巨大的提升。但是城市路燈照明在帶來輝煌、絢麗和方便的同時(shí)，也遇到了諸多預(yù)料不到的問題，如：節(jié)能問題、監(jiān)控問題、管理問題等。 （1）節(jié)能問題：景觀路燈不僅在車流量高峰全部開啟，在車流量低估時(shí)（比如凌晨時(shí)段）也全部開啟。 （2）路燈及夜景亮化運(yùn)行一定程度上依靠管理部門車輛巡查和市民保修等原始手段去排查故障。 （3）無法遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)單燈控制、無法及時(shí)獲取路燈狀態(tài)信息、無法準(zhǔn)確獲取能耗信息，最終導(dǎo)致路燈管理效率低下。 2 傳統(tǒng)路燈系統(tǒng)的缺陷和社會(huì)需求 2.1 目前傳統(tǒng)路燈系統(tǒng)的缺陷 （1）系統(tǒng)缺陷：無遠(yuǎn)程控制、無實(shí)時(shí)控制、無單燈管理、無集中式管理、無數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)管理。 （2）管理困難：無法實(shí)時(shí)操控、巡檢人員繁忙、巡檢周期長(zhǎng)、數(shù)據(jù)采集分析困難。 （3）隱患：能源浪費(fèi)、故障無預(yù)警、故障排除滯后、道路安全隱患、設(shè)備容易被盜、亮燈率及節(jié)能成效無法量化。 2.2 社會(huì)和市場(chǎng)的需求 （1）智能管理：市政路燈照明系統(tǒng)不僅需要為城市交通提供照明光源，更承擔(dān)起城市形象的職責(zé)，但隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大，傳統(tǒng)的照明方式已經(jīng)不適合節(jié)約能源的要求，于是尋求新的智能照明方式迫在眉睫。 （2）節(jié)能減排：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，能源的浪費(fèi)已經(jīng)成為日漸嚴(yán)重的社會(huì)問題，而電力能源的浪費(fèi)占比重最大。如果通過高科技手段提高日常生活照明用電和公共道路照明用電的效率，成為國(guó)家節(jié)能減排的頭號(hào)課題。 3 物聯(lián)網(wǎng)路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)核心技術(shù)分析和方案論述 采用目前成熟的控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)道路照明單燈控制的方式有很多，目比較通用的的有Zigbee無線通信技術(shù)和（PLC）電力載波通信技術(shù)兩種模式。兩種技術(shù)各有特點(diǎn)和優(yōu)劣勢(shì)； （1）（PLC）電力線載波技術(shù)：指利用現(xiàn)有的路燈傳輸電力的線路作為控制用的數(shù)字信號(hào)的通信信道來傳輸數(shù)據(jù)，利用功率放大電路和LC諧振電路把信號(hào)向高頻載波上進(jìn)行調(diào)制并傳輸?shù)囊环N通信模式。即每桿路燈之間采用現(xiàn)有的電力線作為通信信道，就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和指令收發(fā)，不需要重新鋪設(shè)信號(hào)傳輸線路。根據(jù)電力載波的技術(shù)特點(diǎn)，采用其他作為信息傳輸媒介進(jìn)行語音或數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕橘|(zhì)，對(duì)輸電線并沒有任何特殊的要求。 （2）Zigbee通訊技術(shù)是利用電磁波信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)傳輸，需在每桿路燈上集成部署一個(gè)Zigbee無線通信模塊，電磁波信號(hào)構(gòu)成一個(gè)專用的無線局域網(wǎng)在自由空間中傳播，屬于一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、傳輸層（TL）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL）等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4?俗嫉墓娑?不需要物理連接線。 （3）電力線載波技術(shù)的存在的缺點(diǎn)： 1）電力載波信號(hào)只能在單相電力線上傳輸。三相電力線之間有比較大的信號(hào)損失（10 dB -30dB）。通訊距離很近時(shí)， 電力載波芯片不同相間可能會(huì)收到信號(hào)； 2）電力載波信號(hào)只能在一個(gè)配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳送，因?yàn)榕潆娮儔浩鲗?duì)電力載波信號(hào)有阻隔作用； 3）信號(hào)藕合方式的不同對(duì)電力載波信號(hào)傳輸產(chǎn)生的衰減不同，藕合方式有線-地藕合和線-中線藕合。線-地藕合方式與線-中線藕合方式相比，電力載波信號(hào)少損失十幾dB，但線-地藕合方式不是所有地區(qū)電力系統(tǒng)都適用； 4）電力線會(huì)對(duì)載波信號(hào)產(chǎn)生高削減。如果電力線上的負(fù)荷很重，而線路阻抗可達(dá)1歐姆以下，則會(huì)造成對(duì)載波信號(hào)的高削減。在工程應(yīng)用中，如果電力線空載，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)載波信號(hào)可傳輸幾公里。但當(dāng)電力線上負(fù)荷較重，則只能傳輸幾十米； 5）電力線本身就存在各種固有的脈沖干擾。目前使用的交流電有50HZ和60HZ兩種，其周期分別為20ms和16.7ms，在每一交流周期中，會(huì)出現(xiàn)兩次峰值，兩次峰值會(huì)帶來兩次脈沖干擾，這就是電力線上有固定的100HZ或120HZ脈沖干擾，干擾時(shí)間大約2ms，因此干擾必須加以處理。有一種利用波形過0點(diǎn)的短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?，但由于過0點(diǎn)時(shí)間短，實(shí)際應(yīng)用與交流波形同步不好控制，現(xiàn)代通訊數(shù)據(jù)幀又比較長(zhǎng)，所以難以應(yīng)用。 4 物聯(lián)網(wǎng)路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 電力載波通信（PLC）技術(shù)和Zigbee無線通信技術(shù)兩種方式各有利弊，本文著重研究基于ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和分析； 整個(gè)系統(tǒng)由拓?fù)鋱D1所示，現(xiàn)場(chǎng)路燈安裝無線ZigBee路燈控制器，通過現(xiàn)場(chǎng)控制中心ZigBee轉(zhuǎn)GPRS網(wǎng)關(guān)，將數(shù)據(jù)匯總，通過GPRS連接到互聯(lián)網(wǎng)，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過聯(lián)網(wǎng)的路燈監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)路燈的調(diào)光、省電統(tǒng)計(jì)、損壞監(jiān)測(cè)等功能。 4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路與原則 4.1.1 可靠性和安全性 軟件設(shè)計(jì)方面：系統(tǒng)建成后，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)在傳輸過程中采用加解密的技術(shù)；防止非法用戶的惡意侵入，保證系統(tǒng)的安全，系統(tǒng)具有經(jīng)過嚴(yán)密設(shè)計(jì)的保密機(jī)制防止惡意入侵。 硬件設(shè)計(jì)方面：系統(tǒng)涉及的現(xiàn)場(chǎng)硬件產(chǎn)品應(yīng)經(jīng)過規(guī)模應(yīng)用實(shí)踐驗(yàn)證，具有極高的可靠性，特別是抵抗高溫環(huán)境和惡劣電磁環(huán)境具有異常突出的表現(xiàn)。系統(tǒng)支持負(fù)載均衡功能，單個(gè)服務(wù)器出現(xiàn)故障不會(huì)影響到整個(gè)監(jiān)控平臺(tái)的正常工作。 從用戶操作者方面：不同的區(qū)域可以設(shè)定不用的管理者權(quán)限，每個(gè)管理者權(quán)限的操作內(nèi)容、功能模塊可以分別定義。 4.1.2 可擴(kuò)展性及前瞻性 城市智能照明監(jiān)控系統(tǒng)作為智慧城市的一部分，采用國(guó)際通用的開源數(shù)據(jù)庫(kù)，便于數(shù)據(jù)共享并且可以快速高效的接入智慧城市系統(tǒng)軟件，并可靈活地與其他智能平臺(tái)/應(yīng)用進(jìn)行對(duì)接。系統(tǒng)架構(gòu)采用模塊化，多層級(jí)設(shè)計(jì)，考慮后續(xù)隨著智慧平臺(tái)的發(fā)展，可以將整個(gè)市、整個(gè)省、整個(gè)國(guó)家的照明系統(tǒng)納入統(tǒng)一的監(jiān)控平臺(tái)。 4.1.3 科學(xué)性和實(shí)用性 系統(tǒng)依賴先進(jìn)技術(shù)組建的復(fù)雜系統(tǒng)，最終面向用戶的卻是非常生動(dòng)直觀的軟件界面和十分簡(jiǎn)潔明了的硬件模塊單元。使用者無需具備很多的專業(yè)知識(shí)。在系統(tǒng)使用和維護(hù)方面只需要具備普通的計(jì)算機(jī)操作知識(shí)和電工知識(shí)，經(jīng)過系統(tǒng)專業(yè)人員簡(jiǎn)單的技術(shù)培訓(xùn)即可熟練駕奴。 4.1.4 設(shè)備工作環(huán)境 硬件產(chǎn)品部按照工業(yè)級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，產(chǎn)品的工作溫度滿足：-40-85，工作濕度適應(yīng)性：5%90%，可以確保設(shè)備在極端可靠穩(wěn)定的運(yùn)行。 4.1.5 產(chǎn)品防水防塵等級(jí) 中位機(jī)控制器具備IP54的防水防塵等級(jí)，加之安裝于相對(duì)封閉的開關(guān)控制箱內(nèi)，對(duì)濕度、揚(yáng)塵等，均具有一定的防護(hù)，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境需求。設(shè)備終端具備IP67的防水等級(jí)，設(shè)備長(zhǎng)期浸泡在也可以正常使用。 4.1.6 防雷擊浪涌功能 因設(shè)備均在戶外使用，因此對(duì)于設(shè)備的防雷擊、浪涌功能就有極高的要求。監(jiān)控系統(tǒng)使用到的硬件設(shè)備均具備6KV以上的防雷擊功能，可以在極端環(huán)境下對(duì)設(shè)備起到保護(hù)。 4.1.7 系統(tǒng)故障應(yīng)對(duì)機(jī)制 中位機(jī)設(shè)備支持脫機(jī)運(yùn)行：如果監(jiān)控中心或者通信系統(tǒng)出現(xiàn)故障中位機(jī)進(jìn)入脫機(jī)運(yùn)行模式，可以按照預(yù)設(shè)的任務(wù)自主運(yùn)行。監(jiān)控終端設(shè)備如果出現(xiàn)故障，可以自動(dòng)屏蔽故障點(diǎn)不影響燈具的正常照明。 4.1.8 系統(tǒng)通訊方式 考慮到無線通訊技術(shù)的成熟性和應(yīng)用穩(wěn)定性，系統(tǒng)通訊方式擬設(shè)計(jì)采用公網(wǎng)通訊方式（CDMA）。監(jiān)控中心光纖專線接入，配置固定IP；前端通過配置通訊模塊、安裝通訊卡實(shí)現(xiàn)無線通訊。 4.2 系統(tǒng)的層次化結(jié)構(gòu) 本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從層次化設(shè)計(jì)思路出發(fā)，設(shè)計(jì)為三層系統(tǒng)架構(gòu)，分別是： 監(jiān)控中心：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總體控制，信息、管理、維護(hù)、突?l事件處理等；通過計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)筑基礎(chǔ)局域網(wǎng)絡(luò)，并實(shí)現(xiàn)與外網(wǎng)連接； 通訊層：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸與通訊（現(xiàn)場(chǎng)通訊采用ZigBee，系統(tǒng)通訊采用無線公網(wǎng)）； 執(zhí)行層：接收中心指令，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制、數(shù)據(jù)采集、場(chǎng)景控制、故障監(jiān)測(cè)等； 三層系統(tǒng)架構(gòu)，互為獨(dú)立又相互融合，形成一個(gè)完整的系統(tǒng)。 系統(tǒng)架構(gòu)采用模塊化結(jié)構(gòu)，具有良好的擴(kuò)展性，可靈活地與其他城市監(jiān)管平臺(tái)/應(yīng)用進(jìn)行對(duì)接。 5 結(jié)語 當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅猛，智慧城市的建設(shè)已經(jīng)成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。本文著重提出了由智慧照明作為智慧城市的建設(shè)基礎(chǔ)的概念，并研究和分析了實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)路燈智慧照明的方案和技術(shù)應(yīng)用。ZigBee技術(shù)在智慧路燈系統(tǒng)中的應(yīng)用，可以根據(jù)不同的照明策略進(jìn)行照明控制，在保證道路照明的同時(shí)節(jié)約了能源。無線方式的信息傳輸，可以避免有限電纜的鋪設(shè)，降低了部署和施工所產(chǎn)生的成本和影響。智慧路燈控制網(wǎng)絡(luò)的鋪設(shè)也可以為其他智慧城市設(shè)施的投放