基于多種網絡技術的區域照明監控系統的設計

陳東升

【摘 要】本文提出一套智能社區照明系統的設計，此系統由照度傳感器作為系統信號采集的初始端，借助Zigbee技術構建以街區為單位的局域網絡。設置局域網終端處理器，由局域網控制柜內的單片機分路監控公用照明燈具的工作情況。最后根據實際情況將各局域網信息通過GPS或GSM、GPRS等公網直接聯入萬維網以監控社區的公用照明情況。

【中圖分類號】P754.1【文獻標識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）07-0084-01

1、簡介

近年來，隨著社會對能源問題的逐漸重視，節能減排已經深入人心，人們在各個領域都在為節能進行著孜孜不倦的努力。就我國而言，早在2002年度，照明用電就已經超過1500億kwh，占發電量的10%—12%。隨著照明能耗的不斷增加，照明節電具有重要意義。建設智能化區域監控系統可以大幅節約能源，節省維護人力成本。目前應用廣泛的HID燈具為例，通過電子鎮流器進行時序和恒功率控制，能夠達到很好的驅動效果。處理各種故障模式，進行短路、開路保護等。此外由單片機進行編程控制，即能實現精確數字控制，又能將燈況參數儲存并顯示在LED屏幕上，同時單片機又便于串接GPS、GSM模塊等，便于城市亮化網絡的建立，實現節能、智能的網絡控制。

2、城市監控網絡體系架構

本文所構建的監控網絡主要分為3層，最外層為信號采集層，主要由傳感器采集工作信號，再將信號經由基層的無限發射器發送給控制柜內接收端。第二層為各基站的單片機控制處理器，他們負責按照程序分路監控一條路段上各路燈的工作情況，并應對例如沙塵、大霧等突發事件，將接收到的各路燈工作情況匯總處理。第三層為城市監控中心，接受各基站的信號，利用GPS，將各基站的監控情況和其地理位置結合起來，構成城市照明的監控網絡。

3、監控網絡具體方案

3.1 傳感器的設計

在光的各項指標中，我們選擇以照度為監控元素。這里采用照度傳感器ISL29020芯片，利用其提供的貼近人眼睛的反應和良好的紅外抑制，使系統能夠做到判斷準確，高效節能。采集外界環境的亮度，生成信號觸發燈具開關。各燈的工作情況通過感應到的信號變化實時的反映給單片機進行處理。在大霧、沙塵等惡劣天氣下，傳感器也能及時感應，保證燈具正常工作。此外需設置保護電路，其主要是設置一些短路、斷路保護，防脈沖沖擊電路等。

3.2 控制柜內供電電路設計

3.2.1 HID路燈的電子鎮流器部分

作為HID路燈可靠工作的保證，在這里我們采用PHILIP的UC3854功率因數修正模塊作為電子鎮流器的核心部件。

UC3854內部包含了一個功率因數修整電路，它以平均電流模式控制法實現了很高的靈活度可以配置各種不同功率的電路。ENA與Vcc內接低電壓鎖定比較器及其智能比較器，這兩個比較器輸出必須同為高電平，芯片才能開始工作。Vsens內設7.5V參考電壓用于軟啟動，可以避免啟動時產生的突波現象。IC內部設定有一個可對軟啟動定時電容器充電的電流源。V/Ao接內部乘法器的輸入端，乘法器的另一個信號來自Ivac管腳，此管腳的信號是以電流形式來自輸入端整流器的斜率控制命令信號，這只接腳保持在6V。Vff為前饋輸入端，其信號值在被取平方后輸入到乘法器的除法輸入端。Rest輸入的電流也用于內部乘法器上以限制最大的輸出電流。

3.3 區域網絡的設計

3.3.1 Zigbee技術

ZigBee是IEEE802.15.4的擴展集，是一種近距離、低速率、低功耗、低成本、短時延的雙向無線通信技術。適合于承載數據流量較小的業務，并可方便地嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。

3.3.2 傳感器節點設計

ZigBee無線網絡通常是由大量的傳感器節點組成，在設定區域內的節點通過自組織方式構成網絡。其耗能很低，節點在低功耗待機模式下兩節普通5號電池可使用6—24個月，在這里使用整流后的直流電源對其供電，免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。ZigBee數據傳輸速率低，協議簡單，并且ZigBee協議免收專利費用，降低了開發成本。其響應速度較快，一般從睡眠到工作狀態只需要15ms，節點連接進入網絡只需要30ms，進一步節約了電能。一個ZigBee網絡可以容納最多254個RFD和FFD，一個區域內可以同時存在100個ZigBee網絡，這樣最多可組成65000節點的大網，網絡容量大，組網靈活。

4、城市監控網絡的構建

GPS的應用軟件可以免費下載，利用其可以建立城市的路燈電子地圖式管理?？刂乒窕疽约案鞅K路燈的具體位置通過總機的GPS軟件均可以在顯示器上顯示?？倷C通過命令由基站的單片機精確控制各盞路燈。路燈的工作情況將由總站進行分析監控，管理維修人員可通過PDA設備在城市公網覆蓋的區域接受主站信息，可以及時準確的更換或維修照明設施。同時借助SMS功能建立起照明設施的防盜系統，設施被盜將通過短信發送給總站，再由總站將信息發送給管理人員的手機上。本系統采用Unicode的編碼形式，其丟失信息的發送基于以上硬件的程序如下。

#define uchar unsigned char

U c h a r c o d P D U S T R 0 [ ] ={“0891683108200905F011000D91683115036919F6”}；

//發送固定PDU數據串

Uchar code PDUSTR1[]={“AB76D70021”}；//被盜PDU數據串

viod GSMSendSMS0（void）

{

GSMRFlag0=1；//不接受串口返回數據

GSMSendData（“AT+CMGS=25＼r”）；

GSMDelayMS（500）；

GSMSendData（PDUSTR0）；//發送固定PDU數據串

GSMSendData（PDUSTR1）；//發送被盜數據串

GSMSendchar（0x1A）；//結束

GSMRFlag0=0；//接受串口返回數據

}

5、結論

本設計目的在于構建一個功能強大的城市公用照明監控網絡，其利用性價比良好的Zigbee無線傳感網絡技術以及單片機技術構建各街區路燈的局域監控子網，實現了一種靈活、方便的街區路燈無線解決方案。借助GSM公網，以SMS形式向上級網絡發送短信息，聯系GPS功能，使各照明單位及基站顯現于監控中心的電子地圖上，在精確定位，無線控制的同時，又實現了路燈的安防功能。該整體系統既避免了Zigbee傳輸距離過短，形成網絡規模較小的問題，又解決了單純利用GPS或WEB構網成本過高的問題。二者結合使該系統具有良好的可擴展性和使用價值。能夠做到準確、全方位的監控。

參考文獻

[1] Zigbee Specification Document 053474rl3[G].Zigbee Standars Organization，2006

[2] Next-gen ZigBee tackles scalability，Clendenin，Mike，Electronic Engineering Times，n 1444，p 49-62，October 9，2006

[3] An enhanced trust center based authentication in ZigBee networks. Lee，Joohyun，Zhang， Bongduk，Kim，Jaeho，ISA 2009， v5576 LNCS，p 471-484，2009