張作鵬

摘 要：路燈照明系統(tǒng)是城市基礎(chǔ)設(shè)施中的重要組成部分，與人們的日常生活及城市交通安全息息相關(guān)，所以對其控制系統(tǒng)展開研究具有十分重要的意義。對基于ZigBee的城市路燈控制系統(tǒng)展開了研究，設(shè)計了一種基于ZigBee通信技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于控制城市的LED路燈。

關(guān)鍵詞：ZigBee；城市路燈；遠(yuǎn)程監(jiān)控；控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.23.079

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的要求不斷提高，城市路燈照明系統(tǒng)作為城市基礎(chǔ)設(shè)施中的重要組成部分，越來越受人們的重視。當(dāng)前，傳統(tǒng)的路燈開關(guān)和巡檢方式已無法滿足城市發(fā)展的需求，如何節(jié)約能源、提高路燈能源的利用率，有效實現(xiàn)對城市路燈的遠(yuǎn)程監(jiān)控是當(dāng)前的一個重要課題。而ZigBee作為一種新興無線通信技術(shù)，以其低能耗、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠性高等優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用?；诖?，筆者進(jìn)行了相關(guān)介紹。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

ZigBee技術(shù)是一種在近距離內(nèi)使用的雙向無線通訊技術(shù)，其具有功耗低、成本低、傳輸速率低的特點，所以在短距離無線通訊領(lǐng)域十分常用。根據(jù)照明系統(tǒng)的設(shè)計要求，可以按照圖1的方式來設(shè)計照明控制系統(tǒng)。

城市路燈照明控制系統(tǒng)主要是控制路燈、路燈調(diào)節(jié)器、路燈的燈桿、配電箱、中心連接器等設(shè)備。照明控制系統(tǒng)在運行時，要把路燈調(diào)節(jié)器和路燈燈桿結(jié)合，將路燈調(diào)節(jié)器和中心連接器相連接，使路燈燈桿和配電箱的位置相匹配，把路燈和其

他設(shè)備按實際情況分組，設(shè)置好照明控制系統(tǒng)的控制方案等。照明控制系統(tǒng)除了對主動獲取的信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以外，還要定期檢查每個設(shè)備的運行狀態(tài)，檢測設(shè)備的運行參數(shù)，并予以保存，便于日后的統(tǒng)計工作。

城市路燈照明控制系統(tǒng)服務(wù)層里各種類型的服務(wù)器都安裝在核心控制室內(nèi)，用來組建控制系統(tǒng)的核心部分，也便于統(tǒng)一操作，信息收集后也可以統(tǒng)一處理；中心連接器是照明控制系統(tǒng)總網(wǎng)關(guān)和ZigBee子網(wǎng)的主要連接手段，上傳數(shù)據(jù)時，用3G無線網(wǎng)絡(luò)的方式上傳數(shù)據(jù)，而下載數(shù)據(jù)時，則使用Zinebee近距離無線通信收集所檢測到的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)對數(shù)據(jù)的分析制訂運行計劃，將各運行指令分配到各個路燈，根據(jù)實際運行情況調(diào)整路燈，并將路燈的運行參數(shù)發(fā)送到中心連接器。

2 路燈調(diào)節(jié)器的設(shè)計

2.1 路燈調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)

路燈調(diào)節(jié)器的主要作用是控制調(diào)節(jié)路燈的狀態(tài)、采集路燈運行的參數(shù)并將參數(shù)上傳給中心連接器。路燈調(diào)節(jié)器是整個照明控制系統(tǒng)當(dāng)中使用頻率最高的設(shè)備，而且由于大多都是安裝在室外，所以路燈調(diào)節(jié)器很容易受到外界環(huán)境影響，所以對路燈調(diào)節(jié)器的防護(hù)措施要求更加嚴(yán)格。

路燈調(diào)節(jié)器與路燈相連接的位置有路燈開關(guān)和燈光亮度調(diào)節(jié)器。路燈開關(guān)是由繼電器支持，而燈光亮度調(diào)節(jié)器有1～10 V電壓的選擇。主控CPU價格比較便宜，而且性能比較好。除此之外，調(diào)節(jié)器還預(yù)留了接口，可以使用數(shù)據(jù)傳輸線，方便數(shù)據(jù)的采集和運輸。

2.2 路燈調(diào)節(jié)器的運行狀態(tài)

路燈調(diào)節(jié)器運行狀態(tài)主要有正常工作狀態(tài)、出廠設(shè)置狀態(tài)、遠(yuǎn)程升級狀態(tài)等，運行狀態(tài)之間的關(guān)系如圖2所示。

首先系統(tǒng)會對代碼進(jìn)行檢測，如果一切正常，就開始初始化，準(zhǔn)備正常運行。正常運行時，要定期對系統(tǒng)運行參數(shù)進(jìn)行抽查，通過對數(shù)據(jù)的分析判斷系統(tǒng)是否存在故障。如果有故障，要及時啟動報警系統(tǒng)。如果代碼還存在缺陷，那么就需要進(jìn)行遠(yuǎn)程升級。遠(yuǎn)程升級是按照系統(tǒng)自帶的代碼進(jìn)行的，ZigBee無線通訊系統(tǒng)作為信息傳播的手段，將遠(yuǎn)程升級所需要的固定代碼發(fā)送到系統(tǒng)，然后開始遠(yuǎn)程升級。

2.3 路燈調(diào)節(jié)器的升級

路燈調(diào)節(jié)器投入使用的時間并不長，所以對于路燈調(diào)節(jié)器的應(yīng)用和功能還不太了解。要想使得路燈調(diào)節(jié)器的應(yīng)用范圍更加廣泛、使用效果更好，就得經(jīng)過更多的實踐，在實踐當(dāng)中總結(jié)經(jīng)驗。目前所使用的路燈調(diào)節(jié)器為第四代調(diào)節(jié)器，比起初代調(diào)節(jié)器來，第四代調(diào)節(jié)器在適用性、功能性和防護(hù)措施等方面都有明顯的提升。

3 中心連接器和配電箱控制的設(shè)計

中心連接器和配電箱是通過控制器直接控制的。控制器位于現(xiàn)場，其通過3G無線網(wǎng)絡(luò)與核心控制室內(nèi)的通信服務(wù)器相連。

中心連接器是服務(wù)器與路燈調(diào)節(jié)器聯(lián)系的媒介，也是ZigBee子網(wǎng)的核心。中心連接器通過ZigBee無線通訊和路燈調(diào)節(jié)器聯(lián)系，并可以接收到中心服務(wù)器的指令，對路燈調(diào)節(jié)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集或?qū)崿F(xiàn)對路燈的控制。中心連接器自帶臨時運行方案，當(dāng)中心連接器無法接收到中心服務(wù)器的指令時，臨時運行方案自動開啟，以供系統(tǒng)繼續(xù)運行。中心連接器的臨時運行方案開啟時，可以將收集到的數(shù)據(jù)儲存到臨時空間內(nèi)，待與中心服務(wù)器的聯(lián)系恢復(fù)正常，即可將這些數(shù)據(jù)上傳。

為了方便中心連接器與路燈調(diào)節(jié)器之間的聯(lián)系，提高ZigBee無線通訊的效率，中心連接器優(yōu)化了ZigBee無線通訊方式的路由算法，并為路燈調(diào)節(jié)器的路由表設(shè)置了緩沖結(jié)構(gòu)。

配電箱的主要作用是給路燈供電，并收集路燈供電線路的運行參數(shù)，且配電箱的結(jié)構(gòu)與中心連接器有相似之處。

4 設(shè)備的通訊方案的設(shè)計

設(shè)備的通訊方案設(shè)計對于照明控制系統(tǒng)而言具有十分重要的作用，設(shè)備的通訊主要有服務(wù)器與中心連接器、中心連接器與路燈調(diào)節(jié)器、服務(wù)器與配電箱等，這些通訊總的來說可以分為兩類，一類是核心控制室內(nèi)的服務(wù)器與現(xiàn)場的設(shè)備之間的通訊，另一類是現(xiàn)場的設(shè)備與設(shè)備之間的聯(lián)系。為了簡化通訊方式，在這里引入通訊幀的方式來實現(xiàn)各設(shè)備之間的通訊。

5 城市路燈照明控制系統(tǒng)的具體應(yīng)用

城市路燈照明控制系統(tǒng)已經(jīng)設(shè)計完成，并且開始投入生產(chǎn)，已經(jīng)在許多地區(qū)廣泛應(yīng)用。

某城市的道路總數(shù)為118條，道路總長度約為198 km，道路所使用的路燈總數(shù)為12 002盞。在之前一直使用的高壓鈉燈，城市主要道路使用了5 420盞功率為380 W的路燈，而次要道路使用了4 312盞功率為240 W的路燈，支路使用了2 398盞功率為240 W的路燈。在將城市照明控制系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用到該城市當(dāng)中后，主要道路的路燈功率降低到170 W，次要道路路燈功率降低到100 W，支路路燈功率降低到60 W，而且路燈亮度控制方案也有所調(diào)整，主要道路的路燈亮度在下半夜的時間段內(nèi)控制在50%，而次要道路和支路的路燈亮度在下半夜時間段內(nèi)控制在20%.

在城市路燈照明控制系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用以后，所節(jié)約的電能如表1所示，每年可以節(jié)省約1.0×107 kW·h的電能，按照每千瓦時電0.85元的價格來算，一年就可以節(jié)約大概850萬元的電費。在實際情況中，城市照明控制系統(tǒng)會自帶光衰補償，所以實際的電能節(jié)約效果比理論的還要高。此外，城市照明控制系統(tǒng)還自帶故障報警功能，可以大大延長路燈的使用年限，減少路燈的維修頻率和維修成本。

注：一年按365 d來算，每天路燈開啟的時間按10 h計算，下半夜按5 h計算。

城市路燈照明控制系統(tǒng)投入使用已有幾年的時間，其各方面的性能都有顯著提升，但是就目前而言，還存在一定的問題：①ZigBee無線通訊技術(shù)在應(yīng)用到城市照明控制系統(tǒng)當(dāng)中時，應(yīng)用的條件比較復(fù)雜，而且需要覆蓋的范圍比較廣，所以通訊節(jié)點會比較多，無線通訊的穩(wěn)定性得不到保證；②路燈調(diào)節(jié)器與中心連接器之間的聯(lián)系穩(wěn)定性有待提升，而且急需提高用戶的體驗感以及系統(tǒng)投入使用以后為用戶創(chuàng)造的經(jīng)濟效益；③城市照明系統(tǒng)設(shè)計完畢之后的施工工藝十分復(fù)雜，其中包括路燈的排序編號、各路燈的定位數(shù)據(jù)采集、路燈和中心連接器的合理分配等，這些都需要大量的人力，加大了管理難度，也增加了施工難度；④由于現(xiàn)場設(shè)備需要與中心服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊，所以需要利用移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，會產(chǎn)生一定的流量費用；⑤新設(shè)計的應(yīng)用需要與城市發(fā)展逐漸匹配，所以會有一段時間的適應(yīng)期。

我國某些地區(qū)的政府已經(jīng)將城市路燈照明控制系統(tǒng)的設(shè)計在城市當(dāng)中進(jìn)行試點，并且已經(jīng)有部分企業(yè)開始關(guān)注這套城市路燈照明控制系統(tǒng)，并積極參與到設(shè)計規(guī)范的討論當(dāng)中去。相信經(jīng)過眾多企業(yè)的共同研究和開發(fā)，經(jīng)過多年的實踐以后，城市路燈照明控制系統(tǒng)會越來越發(fā)達(dá)，為我國帶來更多的經(jīng)濟效益。

6 結(jié)束語

城市照明控制系統(tǒng)是重要的城市基礎(chǔ)設(shè)施，它直接關(guān)系到城市居民的日常生活以及城市交通的安全性，所以政府部門要重視起城市路燈照明控制系統(tǒng)的應(yīng)用，采用ZigBee無線通訊技術(shù)，合理控制城市的路燈照明系統(tǒng)。這樣做一方面可以節(jié)約電能，減少電費成本，另一方面可通過自動化管理有效減少故障的發(fā)生，減少維修頻率，節(jié)約維修成本。本文對基于ZigBee無線通訊技術(shù)的城市路燈照明控制系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)分析，希望能為城市路燈照明控制系統(tǒng)設(shè)計提供一定的參考。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：王霞〕

文章編號：2095-6835（2016）23-0081-02