基于无线网络路灯监测及节能系统.docx

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基于无线网络路灯监测及节能系统

一、设计目的

随着我国城市化步伐的加快，城市经济和规模的发展，各种类型的道路越来越长，机动车数量迅速增加，夜间交通流量也越来越大，道路照明质量直接影响交通安全和城市发展，城市照明建设作为体现城市形象的作用日益受到重视，如何提高道路照明质量、降低能耗、实现绿色照明已成为城市照明的关键问题。

同时城市照明的管理范围日益扩大，城市的建设发展对道路照明以及景观照明提出了更高更新的要求，这就使得城市照明的管理难度越来越大，运营成本也越来越高。

作为城市照明的管理部门迫切需要一种现代化的管理系统平台，来提高管理效率和水平。

并且随着国家节能减排的目标的确定，政府对城市照明的降耗等也都提出了明确的要求，据此如何通过采用现代化技术，将高新技术与传统的运行管理模式相结合是实现绿色照明、提高管理效率和降低运行成本的关键，而单灯节能监控系统正是基于此而提出的。

道路照明的首要任务是在节约公共能源的基础上，提供安全和舒适的照明亮度，达到减少交通事故、提升交通运输效率的目的。

由于基础设施的条件有限，目前普遍缺少路灯级别的通信链路，路灯控制方式一般只能对整条道路统一控制，无法控制到每一盏灯。

针对上述情况，设计了一种基于无线传感网络的嵌入式无线通信模块，实现了每盏路灯的无线自主组网，使每一盏路灯都能遥测和遥控，并达到路灯的亮度（或照度）在30％～100％无级可调，可根据环境光强度和时段，在保证道路照明质量、辨认可靠且视觉舒适的情况下，节约电能30％～40％。

二、城市照明监控系统现状及问题

随着无线通信技术和计算机技术的飞速发展，起源于上个世纪90年代初的城市照明监控技术也有了长足的发展，城市照明监控网俗称“三遥”系统，其主要功能有：

（1）遥控：

对远端的研究对象和目标进行控制，系统按照控制中心主控机上的各项参数和控制目标来。

对远端执行机构进行控制。

（2）遥测：

对被测对象的参数进行远距离的间接测量，也就是系统具有实时获取远程现场的各项模拟量参数的功能。

（3）遥信：

把被控对象的动作结果和故障信息送回到控制端，也就是系统具有实时获取远程现场的各项开关量参数的功能。

（4）数据处理：

系统具有将RTU（RemoteTerminalUnit远程控制终端）采集到的实时数据处理加工成相应的报表，提交给系统管理人员或上级管理机构的能力。

（5）报警处理：

系统具有根据RTU的采集量进行声光报警的功能。

根据近年来数字化城市建设和节能需求，城市照明监控网又增加了“遥调”、“遥视”的新功能，俗称“四遥”或“五遥”。

“遥调”就是根据城市照明电网的实际情况和各时间段不同的照明要求，自动调整电压、电流等开关量，以达到既节能又保证照明功效的目的。

而“遥视”则是通过安装现场视频监视系统的手段，以达到更直观地监控目标、防盗、展示城市形象的目的。

目前国内应用的城市照明监控系统归纳起来，这些系统存在的主要问题在于：

（1）精度不高：

只能达到基站级别（路灯控制箱），最多到回路，精度不高，还远未达到单灯监控的水平，更不能体现智能化。

虽然可根据所测电流量与数据库中所存标准值进行比较，从而计算出亮灯率、功率因素等参数，但由于现场状况多变，监控手段所限，仍然停留在估算的水平上，根据回路电流估值本身并不精确，参考价值也就大打折扣。

而要达到单灯监控，采用怎样的通讯手段和方案、如何控制成本，都将是困扰其实现的难题。

（2）不能适应节能及监控新光源要求：

近年来，能源问题日趋紧张，国家大力宣传在城市照明行业发展节能新技术，采用节能新光源，倡导“绿色照明”新观念。

为顺应国家能源战略的总体要求，各种路灯节能设备在城市照明行业得到普遍应用，但目前采用的节能器，大多设置在控制箱端，体积庞大，控制线路长、设备多，因而节能效果也受到一定限制。

尤其引人注目的是，大批光伏照明产品在各大中城市陆续登场，太阳能路灯、太阳能景观灯在生活中已习以常见。

而如何对分散分布的太阳能灯实施监控，达到“分散测控，集中管理”的要求，业已成为新光源推广使用中的迫切难题。

（3）盗失严重，管理乏术：

随着城市建设规模的迅速扩展，市政公用设施的管理已成为一个老大难问题。

仅在如何防止盗失方面，各地方各行业就此想了很多办法，比如加固设施，派专人巡查，加大处罚力度，甚至组建机构、招募人员，可以说不遗余力，想尽了方法。

但公用设施被盗事件仍层出不穷，防范效果并不显著。

原因主要是监控周期长，监控范围大而目标分散，单纯依靠人力毕竟不是科学和长久之计。

三、技术简介

ZigBee技术和RFID技术在2004年就被列为当今世界发展最快，市场前景最广阔的十大最新技术中的两个。

而这两项技术都使用电波的方式作无线信息传输，二者之间有着紧密的联系，前者是复数节点互连互通的网络系统，而后者是一种标示和对个体的识别。

把后者的电子标签设在前者的节点上可以进行数据传输和控制，使两者有机地结合在一起，可以派生出无穷的应用来。

ZigBee是个仿生学名词，来源于蜂群中蜜蜂相互通讯时的螺旋形“z”字舞蹈。

ZigBee伴随着短距离无线通信技术、即无线个人局域网（WPAN）的应用需求而迅速发展，使用免费的工业、科学、医疗专用频段（2.4G-ISM），它是IEEE802．15．4协议的代名词。

根据这个协议规定的技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率（20-250KB／s）、低成本、高可靠性、高容量、高安全的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。

其主要特点可以概括为“三低两高”：

（1）近距离：

传输范围一般在10～100m之间，在增加RF发射功率后，也可增加到1-3km。

这指的是相邻节点间的距离。

如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。

（2）低功耗：

在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6-24个月，甚至更长。

这是ZigBee的突出优势。

相比之下蓝牙只可以工作数周、WiFi只能工作数小时。

（3）低成本：

通过大幅简化协议使成本很低（不足蓝牙的1／10），降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee的协议专利免费。

（4）高容量：

ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点（设备）管理若干子节点（设备），最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。

（5）高可靠性：

ZigBee技术中，由于采用网状网拓扑结构，自动路由，动态组网，直序扩频（DSSS）的方式。

因而抗干扰性强，能够很好适应工业自动化控制现场的复杂状况。

通常，符合如下条件之一的短距离通信就可以考虑应用ZigBee：

（1）需要数据采集或监控的网点多；

（2）要求传输的数据量不大，而要求设备成本低；

（3）要求数据传输可靠性高，安全性高；

（4）要求设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；

（5）可以用电池供电；

（6）地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖：

（7）对于那些现有的移动网络的盲区进行覆盖；

（8）已经使用了现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统。

相比其他无线技术：

ZigBee的系统复杂性要远小于蓝牙等其他无线通讯系统。

ZigBee协议栈简单，实现相对容易，需要的系统资源也较少，据估计运行ZigBee需要系统资源约28Kb；蓝牙协议栈相对复杂，它需要系统资源约为250Kb。

因此网络的整体成本比较低。

从这一点来说，ZigBee非常适合有大量终端设备的网络，如传感网络、楼宇自动化等。

四、道路照明监控及节能系统介绍

基于ZigBee技术的道路照明节能系统结构如图1所示。

图1：

系统结构图

系统采用“主站——子站——终端节点”三层结构，由道路照明监控中心、道路照明监控子站、照明终端节点（ZigBee节点）组成。

子站与数目众多的终端节点通过无线射频通信，形成特定拓扑结构的控制局域网——控制子系统；各个控制局域网（控制子系统）通过GPRS网络与道路照明监控中心相连，形成星型的大区域控制网络。

控制模型及节能方法

道路照明节能控制策略除了针对单盏路灯的基于时间和亮度的节能控制方法外，还包括大区域道路照明的节能策略，比如基于地理、地形的控制策略等。

以基于时间和亮度的节能控制方法为例，根据当地的日出日落时间分时段控制。

终端节点通过电压互感器、电流互感器监测节点电压、电流信息。

对变压器抽头进行组合控制，结合闭环控制方法，能做到电压正弦波输出，实现节能控制并延长灯具寿命。

基于ZigBee网络，可以通过网络将节点电压、电流信息传送到监控中心，判断节点工作是否正常以及是否被盗，并改变控制策略。

控制框图如图2所示。

图2：

基于ZigBee网络的控制方案

网络拓扑控制

道路照明系统有两个特点：

空间位置跨度大、节点的数目庞大。

路灯的相对空间位置形成一种“长链型”的结构，要确保端到端的通信稳定性。

另外，由于节点的数目庞大，节点通过多跳来实现路由通信，如果路由选择不恰当的话，路由过程中某些节点转发信息频繁，可能会出现传输瓶颈、信息拥塞的现象。

此外，如果中间某些节点出现故障，可能造成延时严重、网络不稳定等问题。

因此，我们的主导思想是把路灯系统空间位置上的“长链型”结构缩短，系统的局部分解为ZigBee典型的星型或者树型结构。

从实现的角度，就是尽量减少节点信息传递的跳数，采用一个路由节点管理多个端节点的方法，减少路由次数，达到快速稳定访问远端节点的目的。

端节点会根据与路由节点通信的信号强度与稳定度，自动寻找最佳的链路连接到路由节点上，形成星型网络。

国外实验研究证明，单次长距离的数据转发减少转发次数，与单次短距离的数据转发增加转发次数相比，长距离的数据转发更具有优势，我们把节点通信距离设计为1000米（节点包含功率放大），这样在两个路由节点间可以布置多个端节点形成星形网络。

一个ZigBee子网（即由一个子站协调器管理的网络）的节点容量很大，理论上最大节点数为216个。

如图3所示，系统采用多星、链型的拓扑结构。

图3：

系统拓扑结构图

由于减少了长距离转发的次数，因此由网关（网络协调器）到最后的端节点的路由访问速度很快。

另外，信号的传输速率为250kb／s，完全可以满足照明节点信息的传输量。

在实际的应用中，50kb／s的传输速率已经足够。

因此，我们可以配置较低的传输速率来获得较高的数据传输可靠性。

在实际的工程应用中，总结出以下实施要点：

每个节点配备直流蓄电池，当道路照明系统出现线路被盗导致失电等意外情况下，提供电能供节点将信息传送到监控中心，实现防盗报警功能。

每个路由节点可管理多个端节点，路由节点的间距主要根据路段环境设定，保证路由节点与受其管理的最远端节点的距离满足稳定通信条件。

为保证路由节点的稳定性，路由节点处设计为双节点，即有2个路由节点在同一点，其中1个为备用路由节点。

当主路由节点故障，备用路由节点会自动替代主路由节点，提高系统的稳定冗余。

每个节点出厂时配置唯一的MAC地址。

现场安装时记录每个灯杆对应的节点MAC地址。

路由节点会自动给端节点分配IP地址，实现自动路由。

节能

首先，由于采用无线监控系统，无需铺设专用线缆，在城市管网日益拥挤、金属材料价格日益昂贵的今天，一方面减少施工难度，另一方面节省人力、物力，将有效地降低工程成本，同时有利于长期的管理维护。

其次，在节能控制方面，根据电功率计算公式：

P=U2/R，实际功率与电压存在如表1关系：

表1：

电压与功率关系表

我国现有的路灯70％以上是高压钠灯，其设计寿命为24000小时，但是由于我国城市电网技术落后，线路的电压波动大大超过国际标准，有时甚至超过额定电压的15％以上，特别是午夜以后，许多城市为节能普遍实行“半夜灯”制度，一条路关掉三分之一至一半的路灯，电负荷的减少使得电网电压接近250V，以致路灯灯泡的实际寿命平均不到一年。

因此，适当进行的调压既可以提高路灯光源寿命，同时根据上表，也将减少电能的无谓损耗，是一举两得的好事。

应用ZigBee技术，通过网络将终端的电压、电流数据传送到控制中心进行调控，也可在节点通过软件进行程序自动控制，从而达到监控和调整的目的。

防盗

防盗功能主要由RFID标签和读写器负责，正常情况下不工作，处于休眠状态。

而一旦现场设备发生异常（断电、位移等）时，就将激活巡检模块，对局域网内的设备进行检查，确认人为偷盗故障后，迅速向中心控制室报警（如有条件，可唐动现场摄像系统）。

RFID标签的布置应选择被盗价值和概率大的部件，还需注意RFID读写器的有效监控范围，比如对于地下管线，可考虑在管线显露出地面的位置（灯座内引上、控制箱内引上部分）设置。

RFID读写器的电源可以和ZigBee合二为一，配备必要的备用电源（UPS），以保证系统在掉电时也能正常工作。

五、总结

归纳起来，符合绿色照明规范的城市照明智能监控网至少应该具备以下三个特点：

（1）精确化

其一，以ZigBee为代表的短距离无线通信技术与以GPRS为代表的公网无线通信技术的结合，使得对整个照明设施的控制精确到单灯（杆），从而彻底摆脱电网及其它监控对象对监控目标的影响。

其二，RFID和ZigBee技术的结合，使得对于管理随时间动态变化的市政公用设施（比如灯盏数），各专业部门能够快速统计，摸清家底，从而做到心中有数。

对于令人头痛的盗失问题，具体监管部门也能迅速做出反应，在使用较少的人力物力基础上，尽可能减少由此造成的损失，从而获得良好的管理效益。

其三，消除由于以太阳能、风能等可再生性能源为动力的新兴照明光源的产生，而出现的城市照明监控盲区，提供对面广量大的市政设施进行有效化管理的新思路。

（2）节约化

其一，采用无线监控，直接免除了铺设控制线缆的费用。

其二，实现单灯监控，可以极大提高节能效率，避免节能设备对电网造成二次污染，降低节能成本。

其三，RFID和ZigBee技术的介入，将使管理者全面准确地掌控设备运行及故障情况，预防或减少各种事故所造成的损失。

（3）智能化

适应数字化城市的要求，现代城市照明监控网如何做到智能化，主要体现在以下三方面：

首先，在网络组建和和初始化阶段，它应该能够自发现、自组织，而ZigBee恰恰支持这样的网络协议。

其次，在网络运行阶段，它应该能自检测、自调节，在一系列软硬件的配合下，维持网络正常工作状态，实现故障预警、节能等目的。

最后，它还应该能自适应、自修复，这点要求较高，也是其高级阶段。

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