陳育+黃梓龍+盧偉斌

摘要：針對(duì)LED智能照明管理的業(yè)務(wù)流程、ZigBee+GPRS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的軟硬件配置、ZigBee+GPRS物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提出了ZigBee+GPRS物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在LED智能照明管理平臺(tái)上的運(yùn)用，以實(shí)現(xiàn)廣覆蓋性、高效性、精確性、高可靠性、節(jié)約性和智能性的LED智能照明控制需求。

關(guān)鍵詞：智能照明；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）28-0225-03

1 前言

LED進(jìn)入城市照明領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了城市照明第一次節(jié)能。不僅如此，由于城市照明路燈數(shù)量眾多，如果能應(yīng)用無(wú)線傳感等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智能控制技術(shù)，通過(guò)實(shí)時(shí)感知天氣、室外光線亮度和交通流量的變化，借助電子通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)城市照明系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、控制路燈的運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障路燈，以便及時(shí)維修，在滿足適時(shí)照明需求的同時(shí)達(dá)到二次節(jié)能與降低維護(hù)成本的目的。

2 現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的群控、組控等傳統(tǒng)路燈控制模式與有線的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)因施工布線復(fù)雜、可靠性差、不經(jīng)濟(jì)等問(wèn)題已經(jīng)逐步被無(wú)線智能控制技術(shù)所取代。目前的無(wú)線智能控制中，因Zigbee在網(wǎng)絡(luò)容量十分巨大、低功耗、工作在2.4G免費(fèi)頻段、網(wǎng)絡(luò)自愈功能、技術(shù)成本低等方面的優(yōu)勢(shì)被廣泛使用。但作為新興的無(wú)線通信技術(shù)，ZigBee也存在著一些缺點(diǎn)，如網(wǎng)絡(luò)深度、網(wǎng)絡(luò)容量等。從理論上說(shuō)，ZigBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)容量能達(dá)到65536個(gè)，但現(xiàn)有的技術(shù)水平只能做到幾百個(gè)。在網(wǎng)絡(luò)深度方面，目前的技術(shù)水平也只能達(dá)到二十左右，這些給道路照明智能控制帶來(lái)了許多麻煩，因此，上層必須結(jié)合應(yīng)用GPRS技術(shù)，擴(kuò)展城市路燈監(jiān)控范圍。

公司于2014年下半年開(kāi)始《基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的LED智能照明管理平臺(tái)》的研發(fā)，在綜合應(yīng)用Zigbee和GPRS等無(wú)線通訊技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了建設(shè)二層通訊網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)到監(jiān)控中心節(jié)點(diǎn)之間為主干網(wǎng)，采用GPRS連接；智能化單燈終端節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間為二級(jí)子網(wǎng)，采用Zigbee傳感網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)過(guò)近兩年的研發(fā)與實(shí)地測(cè)試，已經(jīng)顯示出技術(shù)的優(yōu)越性。結(jié)合《基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的LED智能照明管理平臺(tái)》項(xiàng)目的實(shí)施，現(xiàn)就ZigBee+GPRS物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在LED智能照明管理上的運(yùn)用做一淺析探討。

3 LED智能照明管理的業(yè)務(wù)流程

LED智能照明管理業(yè)務(wù)流程如下圖1所示：

LED智能照明管理的業(yè)務(wù)流程如上圖所示。

服務(wù)場(chǎng)景：公路＼廣場(chǎng)＼園林是社會(huì)化路燈應(yīng)用的幾個(gè)場(chǎng)景，在相應(yīng)的場(chǎng)景中我們應(yīng)以不同的情景模式來(lái)控制路燈，達(dá)到快速配置節(jié)能的目的。

遙控：按時(shí)間曲線和光照度由監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)統(tǒng)一自動(dòng)控制各照明節(jié)點(diǎn)路燈和亮化燈的開(kāi)/關(guān)，并能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)單節(jié)點(diǎn)、分組開(kāi)關(guān)燈等功能。

遙測(cè)：自動(dòng)巡測(cè)為2秒鐘的時(shí)間周期，隨機(jī)手動(dòng)檢測(cè)路燈的電壓、電流等工作參數(shù)，最多可檢測(cè)3×8個(gè)交流信號(hào)。

遙信：獲取路燈的狀態(tài)和控制開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

遙調(diào)：實(shí)現(xiàn)與配電柜和單燈的調(diào)壓、節(jié)能設(shè)備對(duì)接。

分組功能：節(jié)點(diǎn)任意分組，分別采用時(shí)控/光控、工作日/節(jié)假日/重大節(jié)日燈的多套控制方案。

故障告警：采用聲光、語(yǔ)音和短信多種形式報(bào)警，告警項(xiàng)目可配置。

GPS授時(shí)功能：采用衛(wèi)星GPS系統(tǒng)，確保監(jiān)控中心、燈光節(jié)點(diǎn)控制器、單燈控制器時(shí)間精準(zhǔn)。

自主運(yùn)行能力：照明節(jié)點(diǎn)控制器和單燈控制器具有自運(yùn)行能力，確保無(wú)線通信不暢時(shí)正常開(kāi)/關(guān)燈。

要實(shí)現(xiàn)上述LED智能照明管理的遙感、遙測(cè)、遙信、遙調(diào)、分組多模式功能切換、預(yù)警和自主運(yùn)行等功能，就必須解決監(jiān)控中心到路燈終端的信號(hào)長(zhǎng)距離無(wú)失真?zhèn)鬏斉c近距離高效、精確、高可靠性的通信問(wèn)題。

4 ZigBee+GPRS的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

ZigBee+GPRS物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如下：

局域網(wǎng)：以類似公路局，是指在某一區(qū)域內(nèi)由多臺(tái)計(jì)算機(jī)互聯(lián)成的計(jì)算機(jī)組。局域網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)操作、系文件管理、應(yīng)用軟件共享、打印機(jī)共享、工作組內(nèi)的日程安排、電子郵件和傳真通信服務(wù)等功能。智能路燈管理軟件的WEB服務(wù)器與工作人員一般都處于同一個(gè)局域網(wǎng)中。

以太網(wǎng)：工作人員的網(wǎng)絡(luò)主是以一個(gè)以太網(wǎng)的方式存在。

英特網(wǎng)：英特網(wǎng)主要是外圍有權(quán)限的操作員（外線維修員）及連接智能硬件GPRS網(wǎng)絡(luò)。

GPRS網(wǎng)：通過(guò)利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞，以達(dá)到無(wú)線控制路燈集中控制器的目的。

ZigBee區(qū)域網(wǎng)：ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。他有效節(jié)省大規(guī)模部署路燈的GPRS模塊的成本，使一個(gè)區(qū)域的路燈在個(gè)區(qū)域的集中器的集中操作。

5 Zigbee與GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的軟硬件配置

在基于ZigBee/GPRS/互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)被分成主干網(wǎng)和二級(jí)子網(wǎng)兩層，主干網(wǎng)運(yùn)行的是TCP/IP協(xié)議，通過(guò)GPRS連接；二級(jí)子網(wǎng)運(yùn)行的ZigBee協(xié)議。由于兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)分別使用不同協(xié)議，因此，需要網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)完成協(xié)議的轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)的透明傳輸。

5.1 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件配置

Zigbee與GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過(guò)GPRS接入互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)Zigbee模塊和所轄線路的單燈控制器相連，收集單燈控制器上傳的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并下傳控制信令。另外，經(jīng)由GPRS模塊將收集到的數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心進(jìn)行相應(yīng)處理。

Zigbee與GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)原理框圖如圖3所示。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可采用基于ARM7或ARM9核RISC結(jié)構(gòu)的微處理器，ZigBee無(wú)線射頻模塊可采用基于Freescale、Chipcon、Helicomm等公司的系列專用芯片，GPRS通訊模塊可選用Motorola公司的G20、Siemens公司的MC39i及SIMCOM公司的SIMl00等產(chǎn)品，完成基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)數(shù)據(jù)通信。主存儲(chǔ)器方面，使用Flash存儲(chǔ)器和SDRAM，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器可存放已調(diào)試好的用戶應(yīng)用程序、嵌入式操作系統(tǒng)或其它在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)等，SDRAM為操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序提供運(yùn)行空間，并為通信提供接收和發(fā)送數(shù)據(jù)緩存區(qū)。直流穩(wěn)壓電路、LED檢測(cè)電路、LED調(diào)光電路、功率控制電路等電路設(shè)計(jì)與單燈控制器中的電路相同。

5.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

軟件分層結(jié)構(gòu)如圖4所示。

6 Zigbee+GPRS在LED智能照明管理平臺(tái)上運(yùn)用的優(yōu)勢(shì)

LED智能照明管理平臺(tái)有效結(jié)合應(yīng)用ZigBee和GPRS網(wǎng)絡(luò)，具有如下優(yōu)勢(shì)、特點(diǎn)：

①長(zhǎng)短的距離互補(bǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)大距離范圍內(nèi)（如一個(gè)城市）的城市路燈監(jiān)控。

②低成本的軟硬件結(jié)合，使得技術(shù)可行性高。

③GPRS具有實(shí)時(shí)在線的特性，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延小，能很好地滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性的要求。

④GPRS采用完善的頻分復(fù)用機(jī)制，具有很強(qiáng)的抗干擾性能，數(shù)據(jù)傳輸可靠。ZigBee技術(shù)采用了碰撞避免機(jī)制，具有低的丟包率和傳輸出錯(cuò)率，這使得整個(gè)系統(tǒng)的信息收集和傳遞具有很高的可靠性。

⑤二層通訊網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可靈活配置，以適應(yīng)不同的應(yīng)用。在企業(yè)內(nèi)部，由于范圍不大，路燈數(shù)量有限，控制相對(duì)簡(jiǎn)單，可只配置一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，其余節(jié)點(diǎn)均為智能化單燈終端節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成一個(gè)基于Zigbee的小范圍、低成本傳感網(wǎng)絡(luò)。相反，如果是城市公共路燈，由于覆蓋范圍廣，環(huán)境復(fù)雜，此時(shí)的路燈遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)將由眾多的Zigbee傳感網(wǎng)絡(luò)組成，傳感網(wǎng)絡(luò)之間通過(guò)GPRS連接，并需要大量增加網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)量，以緩解終端節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、監(jiān)控中心節(jié)點(diǎn)等節(jié)點(diǎn)間通訊壓力。

7 總結(jié)

根據(jù)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的LED智能照明管理平臺(tái)項(xiàng)目實(shí)施的實(shí)際情況，并借鑒其他LED智能控制系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)劣勢(shì)，ZigBee+GPRS物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)憑借廣覆蓋性、高效性、精確性、高可靠性、節(jié)約性和智能性，符合LED智能照明控制發(fā)展的趨勢(shì)，系統(tǒng)軟硬件配置合理，功能完備，性能突出，不僅可以滿足LED智能照明管理平臺(tái)的控制、監(jiān)視、測(cè)量和報(bào)警等要求，也為L(zhǎng)ED智能照明管理平臺(tái)后續(xù)功能復(fù)雜化、融入智慧城市實(shí)現(xiàn)單一的業(yè)務(wù)服務(wù)向綜合性服務(wù)體系的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)社會(huì)公共服務(wù)向民生應(yīng)用領(lǐng)域的延伸提供可行性。

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