基于ZigBee网络的城市道路智能照明控制系统设计研究

甘肃有色冶金职业技术学院 刘 航 田建荣

金川集团股份有限公司 吴小娟 吴金娟

目前，城市路灯依旧存在浪费资源、维护不及时等问题，不仅影响民众的正常出行，还易形成不确定隐患，同时也不符合当前建设绿色城市的发展理念。本文研究的智能照明系统正可以消除部分问题。

1 城市道路照明

道路照明是城市建设中的关键组成内容，自动进入网络时代以来，道路照明也趋向于智能化，并已然成为当前的建设总体趋势。在城市发展期间，照明关乎整个城市的运转时长，若其控制设计较为现代化，会予以民众良好且更加安全的出行空间。但现如今，部分城市的照明控制系统存在一系列问题有待处理，限制着城市发展的脚步。比如，在道路不断扩建的过程中，道路照明用具持续增加，不仅增加后期运维的费用投入量，还浪费诸多资源，存有诸多负面作用。另外，夜间车流量及行人均会大幅减少，此时路灯依旧如初入夜时继续明亮，势必会造成电能的浪费。加之由此导致路灯的长期使用，缩短灯具的使用周期，加剧资源浪费的问题。同时，路灯长期处于露天工作环境中，极易被自然因素影响，导致灯具损坏，丧失照明功能的同时，可能还会形成部分安全隐患，而此类故障无法在第一时间被发现。

运用智能照明系统，可以实现实时掌握照明用具的工作状态，并了解其内部无法通过肉眼观察到的隐性问题，可有效处理传统道路照明工具的弊端。智能照明是借助电力线的载波通讯以及各类通信网络、ZigBee等，达到节能式的集中管控。在路灯正式投入运营前，会在系统中设定控制程序，包括亮度、警报等单元，以控制电能的消耗，并保证道路交通的安全性，提升对运维费用的管控效果。笔者以ZigBee为主，从该方面研究此类智能系统的设计过程，如图1所示。

图1 智能照明控制系统结构图

2 基于ZigBee网络的城市道路智能照明控制系统设计分析

2.1 系统总体设计

智能化的道路照明系统中，包括照明灯具的终端节点及相连的无线通信网络，后台管控中心。在照明终端节点需和道路中的每个灯具相连，属于一种网络化的控制节点。而无线网络则起到类似于传感器的作用，借助链状树形的组织框架，达到连通网络的效果，多个灯具终端节点和一个网络节点共同组成道路间的局域网。传感网络是借助ZigBee实现相互之间的数据交换。系统实际运转期间，网关节点会把采集到的信息传给对应IP服务器，而后发送到相应的后台管控中心。操作工作者能通过电脑或移动终端接收信息，并通过进一步地信息处理分析，改变控制照明网络的模式。路灯启动后，管理员会通过控制程序查看路灯当前的工作状态，如若发现异常，现场检测数据会直接通过服务器来到到控制中心，而后，管理员将故障数据传给维修技术员，故障信息需要包括故障类型、具体故障点等，及时安排技术员到现场处理维护。

2.2 系统硬件选型

在智能照明系统中，硬件通常涉及到ZigBee单元、传感装置以及GPRS单元等。笔者本次的系统设计，传感装置共选用两种，即光敏电阻以及光照传感，并分别负责检测灯具工作状态及周边自然光线强度情况。ZigBee单元中加入CC2530芯片，其包括Z-Stack协议栈，能提高自组网的效率，打造道路灯具的传感网络。而上文提到的最后一种模块，笔者选择M260模块，其本身使用性能已经达到工业级，集中无线通讯以及定位功能，借助SIM卡与合作运营商予以的无线通讯，实现远程设置，快速得到所需的地理坐标数据。此外，借助串口与被监测装置之间稳定衔接，实现数据通讯。此模块中包含的协议栈，可利用云平台或移动终端SDK，提升系统设计的便利性。具体设计如下：

一方面，路灯的终端节点。此部分位于智能系统的末端，其需要为控制中心提供实地数据，借助传感装置采集信息。根据控制中心反馈的指令，调整对应的路灯及PWM，以此改变亮度。各终端节点都安装芯片及光敏电阻、照明灯具。其中光敏电阻是借助对灯具光照信息的采集感知，辨别其的工作状态，如果发现异常，会直接把异常数据传至控制中心。灯具则借助芯片调整PWM占空对比灯具亮度，实现智能管控。另一方面，无线网关的节点。其位于智能系统的中心位置，每个节点需要和多个传感网络相连，并完成信息交换。道路照明灯具运行期间产生的数据会经过终端达到该节点，并由此传给服务器后，进入控制中心，管理员查看处理分析数据后，直接将调整指令通过服务器传输给网关节点，最终达到路灯末端，执行控制指令。各区的网关节点会有配套的光感传感装置，以感知自然条件下光照情况，并传输给控制中心加以分析，灵活改变路灯的运行方案。所有网关节点中都包含CC2530、M260以及传感装置，并且前两个模块是借助串口实现信息通讯，以此满足ZigBee与GPRS的协议构建。最后的传感装置是借助通讯协议完成信息采集工作。

图2 智能照明系统控制器

2.3 系统软件程序

智能照明系统中的软件有信息通讯帧、传感网络及控制中心三个部分的软件程序。为提高收发信息的稳定性，需依托于数据帧，以降低控制中心及系统末端两处的信息分析难度。同时，传感网络应当利用准确地编程，完成对组网模式及外设单元等部分的设计，而控制中心需要功能齐全的操作界面，确保管控程序得以简化。

首先，通讯数据帧。笔者考虑到智能系统的实际应用，提前规划系统的控制方案，具体而言，以当地的车流量较大的时间段、多个路灯同时工作及单灯模式工作时间、基于自然条件下的光线照明度三个指标，进行路灯的智能调控。此外，还涉及到末端灯具运行异常的警报数据及对客观环境的数据采集限制。为保证智能系统拥有稳定的数据传输，加入节点指令控制帧以及信息传送帧，以提高系统程序处理信息的便利性。一方面，指令控制帧，其应用在系统控制中心，通过无线网络下达控制指令，以此操控终端节点，开关道路上的灯具，达到调整亮度及群组的目的。此部分的控制帧包括四个字节，各自负责开关、控制方案、节点号数据以及亮度调节工作。另一方面，节点信息传送帧，其传送的信息有光照情况、路灯异常数据，并借助井字符号进行分隔，实现同时显示两个信息的目的。控制中心在获取由此传送的信息后，需要通过拆解字符串，进行归类整理，最终显示在操作界面上，经过辨别分析后处理并解决问题，下达执行指令。

其次，终端节点的软件设计。此节点主要的工作是实时采集路灯当下的工作状态，而后借助传感网络将数据传送至网关节点。在获取控制中从网关节点传达的执行指令后，会先进行数据解析，判断指令具体的意图，而后完成对色路灯的调整任务，并发送PWM调整后的路灯工作信息。再次，网关节点的软件设计。该节点需进行上电初始化设置，并确定适宜稳定的信道，完成网络构建后，才会开启监控工作。运用控制终端节点，并配以传感网络中的协调装置，和光照传感装置建立联系，实现对路灯所处的光照条件数据进行感知收集，之后将实地获取的数据利用串口，传送至GPRS单元后，进入相连服务器。而后终端节点会反馈照明用具当前工作情况数据，协调装置接受后，利用串口完成转发动作。在GPRS单元获取到控制中心下达的执行指令时，会借助串口将信息转发给协调装置，由此借助系统内的广播，将信息发送至区域网结构内的所有终端节点，并完成管理命令的内容操作。

最后，控制中心的软件设计。控制中心地运作是依托于遥感传输平台，其属于一种即时的通讯协议，利用IBM云计算技术得以构成实现，在物联网中具有较高的地位。此协议能应用在现有的全部平台上，推动集约化管控，可以实现系统内全部的物品与外部建立联系，在传感装置及制动装置中均有应用。笔者的智能控制软件，实现利用移动终端进行操作，并能实现信息的动态更新。管理员能直接查看控制中心界面，掌握系统末端设备的工作状态，采取自动或手动的模式，完成对路灯的管控调整。在此期间，如果出现异常数据，软件程序会立即发出提醒信号，通过使用电子地图准确定位到对应的路灯，以便及时找到故障路灯，完成维修。

结束语：笔者设计的照明系统是依托于ZigBee以及GPRS实现，配以服务器及遥感控制中心。系统通过检测后，基本达到预期的成效，具有故障识别准确、通讯效率高等优势，可用于智慧城市建设，提升城市管理水平。