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)一般采用分散受控燈光與時控燈光兩大方式，即在路燈配電箱中安裝定時器，并按照預(yù)定時間自行開關(guān)燈。這種技術(shù)管理方式相對死板，只能在統(tǒng)一時間開關(guān)燈，同時需要人工干預(yù)來調(diào)整開關(guān)時間，且其電力載波控制受到電力線強磁場干擾，整體看通信環(huán)境相當惡劣，信號衰減時變性表現(xiàn)較大。現(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)，運用ZigBee 通信技術(shù)+傳感器技術(shù)來組成聯(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題，實現(xiàn)城市照明系統(tǒng)的自動化、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)標準所提出的，在計算機互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上合理利用射頻識別技術(shù)和無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)，構(gòu)造了一個能夠?qū)崿F(xiàn)信息實時共享的實物互聯(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，它在識別通信特征、強調(diào)物物通信功能方面表現(xiàn)出色，同時具有網(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，它通過一種特殊肢體語言來告知系統(tǒng)信息源位置，所以還被稱為“ZiZag 舞蹈”，代表了一種信息的簡單傳達方式，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。作為一種無線電通信技術(shù)，ZigBee 通信協(xié)議中包含了超過70 000個無線數(shù)傳模塊，它們共同組成了一個完整的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊的相互通信，確保每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的距離都能從標準距離到75m 距離無限延展。ZigBee 技術(shù)的低功耗、低速率、近距離雙向無線通信技術(shù)表現(xiàn)強大，它對于典型周期性、間歇性數(shù)據(jù)的傳輸?shù)轿唬瑫r也能建立數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用技術(shù)體系，保證ZigBee 技術(shù)能夠主動嵌入到某些消費性電子設(shè)備中，形成小范圍內(nèi)無線通信控制與自動化、智能化操作。

在當前的城市智能化照明系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用是相當廣泛的，為有效體現(xiàn)城市現(xiàn)代化形象，調(diào)整亮燈率、開關(guān)燈準確率非常有必要，同時也必須提高照明系統(tǒng)的故障檢測效率與實時性維修機制。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，滿足新形勢下城市建設(shè)與發(fā)展的現(xiàn)實需求。具體來說，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，有效組建新型的城市照明燈控制模式，如此對實現(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，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)對國家低碳環(huán)保節(jié)能要求的全面響應(yīng)。另外，ZigBee 也能將終端層的運行數(shù)據(jù)通過主節(jié)點層直接反饋到服務(wù)器層，保證監(jiān)控中心能夠?qū)崟r動態(tài)掌握照明系統(tǒng)中燈的實時運行狀態(tài)。

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

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計要點

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

2.1.1 終端層的設(shè)計要點

在城市智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計過程中，對于終端層的設(shè)計首當其沖，要采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來分析路端單燈測控器，保證與終端層核心控制器相互連接，形成無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。而對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信控制則通過ZigBee 通信協(xié)議實現(xiàn)，其主要功能就是控制和檢測路燈狀態(tài)，實現(xiàn)對燈具的有效開關(guān)與功率升降。即要在每一個單燈測控器位置都設(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)域獨立的照明智能化網(wǎng)絡(luò)。

在終端層設(shè)計過程中，需要做好MCU 晶振模塊設(shè)計，在設(shè)計過程中降低系統(tǒng)成本因素，同時考慮采用物聯(lián)網(wǎng)配合CLKO 時鐘來輸出作為MCU 的外部時鐘源，建立低成本、高精度的MCU 時鐘供給方案。另外在終端層中還要設(shè)計射頻模塊，體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢，通過射頻模塊來增加測控器網(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)點層的設(shè)計要點

主節(jié)點層的設(shè)計要點主要從城市智能照明控制系統(tǒng)的路端通信裝置開始，保證匯集底層傳感信息，通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)來發(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)與無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來將數(shù)據(jù)直接發(fā)送到監(jiān)控中心服務(wù)器之中。整體來講，主節(jié)點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)過程中，也能夠針對城市中的不同要求選擇適合的通信方式，建立主節(jié)點層。

在主節(jié)點層的硬件設(shè)計方面，需要對硬件模型進行設(shè)計，保證路端通信裝置中硬件總體框架設(shè)計到位，確保系統(tǒng)結(jié)合控制監(jiān)測路端燈箱，實現(xiàn)IIC 與SPI 接口的有效擴展，體現(xiàn)硬件系統(tǒng)總體設(shè)計的靈活性以及可擴展性。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

2.1.3 服務(wù)器層的設(shè)計要點

在服務(wù)器層設(shè)計過程中，需要圍繞其核心內(nèi)容展開設(shè)計，即設(shè)計管理軟件與通信軟件。以通信軟件設(shè)計為例，其主要結(jié)合ZigBee 通信協(xié)議展開設(shè)計，聯(lián)合GPRS 技術(shù)來獲取數(shù)據(jù)庫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)庫中，建立通信軟件偵聽服務(wù)器TCP 端口。在服務(wù)器運行過程中，需要保證通信軟件設(shè)計采用Service 形式，配合服務(wù)運行監(jiān)控中心服務(wù)器來偵聽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 機制進行通信軟件設(shè)計，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 客戶端是對應(yīng)Socket 句柄的，它能夠有效減少服務(wù)器層設(shè)計開發(fā)的復雜度，最大限度提高系統(tǒng)運營穩(wěn)定性。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計要點

2.2.1 管理軟件設(shè)計

管理軟件設(shè)計主要是設(shè)計系統(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)計對燈箱的開關(guān)、功率調(diào)節(jié)機制，保證實現(xiàn)對系統(tǒng)景觀燈控制的要求，建立整條路段的燈箱控制機制，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)對路燈的單燈控制。

在實時數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊中，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)計要求，確保用戶能夠相對直觀地觀測到燈箱的實時運行狀態(tài)。

2.2.2 通信軟件設(shè)計

在通信軟件設(shè)計過程中，需要建立基于GPRS 與ZigBee 通信協(xié)議聯(lián)合的數(shù)據(jù)庫管理機制，保證通信軟件設(shè)計到位，在服務(wù)器上運行通信軟件，偵聽服務(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 事件分析機制，然后才能對通信軟件進行科學合理化編程。在這里，需要為通信軟件設(shè)計提供具有自定義形式的服務(wù)器偵聽技術(shù)體系，避免通信阻塞問題出現(xiàn)。例如要采用到哈希表中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來存儲TCP 客戶端信息，同時封裝形成Session，體現(xiàn)通信軟件的強大擴展性與靈活性。當然，也要建設(shè)Coder 編碼解碼機制，在該基礎(chǔ)上實現(xiàn)數(shù)據(jù)編碼、解碼與加密操作，提高通信軟件運行安全性，方便解析報文數(shù)據(jù)內(nèi)容。

2.3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)要點

城市智能照明控制系統(tǒng)在功能實現(xiàn)方面也相當突出，在控制模式選擇方面需要對路燈控制模式進行設(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行控制模式。其系統(tǒng)能夠控制路燈進行分區(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)的四大不同級別，保證路燈功率能夠到80%以上，甚至實現(xiàn)無極限調(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)，同時實現(xiàn)單模式背景下的單燈控制。以節(jié)假日控制為例，其開燈時間與關(guān)燈時間控制相對嚴謹，要結(jié)合手工設(shè)置與手工控制記錄來控制系統(tǒng)照明范圍，同時設(shè)置電感景觀燈，提高系統(tǒng)運行功率。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)的夏季照明模式運行控制界面

3 結(jié)束語

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)中對于技術(shù)的應(yīng)用要點多、應(yīng)用范圍大、應(yīng)用深度較深，在制定相對統(tǒng)一的控制模式過程中也提高了城市照明效率，真正做到了城市智能化、自動化照明操作，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。