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)技術發(fā)現(xiàn)迅速，在國家“十三五”規(guī)劃的指導下，智慧城市的建設已經(jīng)成為每一個城市發(fā)展的必備戰(zhàn)略。在智慧城市的建設中，路燈網(wǎng)作為城市建設中分布最廣的基礎網(wǎng)絡，對于智慧城市的建設有著舉足輕重的地位?？梢哉f智慧城市的建設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，在此基礎上擴展傳感網(wǎng)的應用、道路wifi覆蓋等應用層模塊，可視為智慧城市的雛形。本文就對只能路燈照明控制系統(tǒng)的設計和應用進行分析和研究。 關鍵詞：智慧照明；ZigBee；智慧城市；物聯(lián)網(wǎng) 中圖分類號：TP277.2 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）04-0128-02 1 概述 在城市發(fā)展領域，新型智慧城市建設的不斷得到政府和社會的重視。在推進城市智能化的進程中，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，也遇到了諸多預料不到的問題，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（比如凌晨時段）也全部開啟。 （2）路燈及夜景亮化運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）無法遠程實現(xiàn)單燈控制、無法及時獲取路燈狀態(tài)信息、無法準確獲取能耗信息，最終導致路燈管理效率低下。 2 傳統(tǒng)路燈系統(tǒng)的缺陷和社會需求 2.1 目前傳統(tǒng)路燈系統(tǒng)的缺陷 （1）系統(tǒng)缺陷：無遠程控制、無實時控制、無單燈管理、無集中式管理、無數(shù)據(jù)監(jiān)測管理。 （2）管理困難：無法實時操控、巡檢人員繁忙、巡檢周期長、數(shù)據(jù)采集分析困難。 （3）隱患：能源浪費、故障無預警、故障排除滯后、道路安全隱患、設備容易被盜、亮燈率及節(jié)能成效無法量化。 2.2 社會和市場的需求 （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，更承擔起城市形象的職責，但隨著城市規(guī)模的擴大，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：隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，能源的浪費已經(jīng)成為日漸嚴重的社會問題，而電力能源的浪費占比重最大。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，成為國家節(jié)能減排的頭號課題。 3 物聯(lián)網(wǎng)路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)核心技術分析和方案論述 采用目前成熟的控制技術來實現(xiàn)道路照明單燈控制的方式有很多，目比較通用的的有Zigbee無線通信技術和（PLC）電力載波通信技術兩種模式。兩種技術各有特點和優(yōu)劣勢； （1）（PLC）電力線載波技術：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諧振電路把信號向高頻載波上進行調(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，就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和指令收發(fā)，不需要重新鋪設信號傳輸線路。根據(jù)電力載波的技術特點，采用其他作為信息傳輸媒介進行語音或數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕橘|(zhì)，對輸電線并沒有任何特殊的要求。 （2）Zigbee通訊技術是利用電磁波信號進行數(shù)字信號傳輸，需在每桿路燈上集成部署一個Zigbee無線通信模塊，電磁波信號構成一個專用的無線局域網(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)絡層（NWK）、應用層（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）電力線載波技術的存在的缺點： 1）電力載波信號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損失（10 dB -30dB）。通訊距離很近時， 電力載波芯片不同相間可能會收到信號； 2）電力載波信號只能在一個配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳送，因為配電變壓器對電力載波信號有阻隔作用； 3）信號藕合方式的不同對電力載波信號傳輸產(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）電力線會對載波信號產(chǎn)生高削減。如果電力線上的負荷很重，而線路阻抗可達1歐姆以下，則會造成對載波信號的高削減。在工程應用中，如果電力線空載，點對點載波信號可傳輸幾公里。但當電力線上負荷較重，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，會出現(xiàn)兩次峰值，兩次峰值會帶來兩次脈沖干擾，這就是電力線上有固定的100HZ或120HZ脈沖干擾，干擾時間大約2ms，因此干擾必須加以處理。有一種利用波形過0點的短時間內(nèi)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ǎ捎谶^0點時間短，實際應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，所以難以應用。 4 物聯(lián)網(wǎng)路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn) 電力載波通信（PLC）技術和Zigbee無線通信技術兩種方式各有利弊，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)的實現(xiàn)和分析； 整個系統(tǒng)由拓撲圖1所示，現(xiàn)場路燈安裝無線ZigBee路燈控制器，通過現(xiàn)場控制中心ZigBee轉(zhuǎn)GPRS網(wǎng)關，將數(shù)據(jù)匯總，通過GPRS連接到互聯(lián)網(wǎng)，遠程監(jiān)控中心通過聯(lián)網(wǎng)的路燈監(jiān)控軟件，實現(xiàn)路燈的調(diào)光、省電統(tǒng)計、損壞監(jiān)測等功能。 4.1 系統(tǒng)設計思路與原則 4.1.1 可靠性和安全性 軟件設計方面：系統(tǒng)建成后，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，平臺對數(shù)據(jù)在傳輸過程中采用加解密的技術；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)過嚴密設計的保密機制防止惡意入侵。 硬件設計方面：系統(tǒng)涉及的現(xiàn)場硬件產(chǎn)品應經(jīng)過規(guī)模應用實踐驗證，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)支持負載均衡功能，單個服務器出現(xiàn)故障不會影響到整個監(jiān)控平臺的正常工作。 從用戶操作者方面：不同的區(qū)域可以設定不用的管理者權限，每個管理者權限的操作內(nèi)容、功能模塊可以分別定義。 4.1.2 可擴展性及前瞻性 城市智能照明監(jiān)控系統(tǒng)作為智慧城市的一部分，采用國際通用的開源數(shù)據(jù)庫，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/應用進行對接。系統(tǒng)架構采用模塊化，多層級設計，考慮后續(xù)隨著智慧平臺的發(fā)展，可以將整個市、整個省、整個國家的照明系統(tǒng)納入統(tǒng)一的監(jiān)控平臺。 4.1.3 科學性和實用性 系統(tǒng)依賴先進技術組建的復雜系統(tǒng)，最終面向用戶的卻是非常生動直觀的軟件界面和十分簡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。在系統(tǒng)使用和維護方面只需要具備普通的計算機操作知識和電工知識，經(jīng)過系統(tǒng)專業(yè)人員簡單的技術培訓即可熟練駕奴。 4.1.4 設備工作環(huán)境 硬件產(chǎn)品部按照工業(yè)級的標準進行設計，產(chǎn)品的工作溫度滿足：-40-85，工作濕度適應性：5%90%，可以確保設備在極端可靠穩(wěn)定的運行。 4.1.5 產(chǎn)品防水防塵等級 中位機控制器具備IP54的防水防塵等級，加之安裝于相對封閉的開關控制箱內(nèi)，對濕度、揚塵等，均具有一定的防護，能夠滿足現(xiàn)場環(huán)境需求。設備終端具備IP67的防水等級，設備長期浸泡在也可以正常使用。 4.1.6 防雷擊浪涌功能 因設備均在戶外使用，因此對于設備的防雷擊、浪涌功能就有極高的要求。監(jiān)控系統(tǒng)使用到的硬件設備均具備6KV以上的防雷擊功能，可以在極端環(huán)境下對設備起到保護。 4.1.7 系統(tǒng)故障應對機制 中位機設備支持脫機運行：如果監(jiān)控中心或者通信系統(tǒng)出現(xiàn)故障中位機進入脫機運行模式，可以按照預設的任務自主運行。監(jiān)控終端設備如果出現(xiàn)故障，可以自動屏蔽故障點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的成熟性和應用穩(wěn)定性，系統(tǒng)通訊方式擬設計采用公網(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、安裝通訊卡實現(xiàn)無線通訊。 4.2 系統(tǒng)的層次化結構 本次系統(tǒng)設計，從層次化設計思路出發(fā)，設計為三層系統(tǒng)架構，分別是： 監(jiān)控中心：實現(xiàn)系統(tǒng)的總體控制，信息、管理、維護、突?l事件處理等；通過計算機技術構筑基礎局域網(wǎng)絡，并實現(xiàn)與外網(wǎng)連接； 通訊層：實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸與通訊（現(xiàn)場通訊采用ZigBee，系統(tǒng)通訊采用無線公網(wǎng)）； 執(zhí)行層：接收中心指令，實現(xiàn)現(xiàn)場控制、數(shù)據(jù)采集、場景控制、故障監(jiān)測等； 三層系統(tǒng)架構，互為獨立又相互融合，形成一個完整的系統(tǒng)。 系統(tǒng)架構采用模塊化結構，具有良好的擴展性，可靈活地與其他城市監(jiān)管平臺/應用進行對接。 5 結語 當前物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展迅猛，智慧城市的建設已經(jīng)成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。本文著重提出了由智慧照明作為智慧城市的建設基礎的概念，并研究和分析了實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)路燈智慧照明的方案和技術應用。ZigBee技術在智慧路燈系統(tǒng)中的應用，可以根據(jù)不同的照明策略進行照明控制，在保證道路照明的同時節(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，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)絡的鋪設也可以為其他智慧城市設施的投放