物联网在智能化城市照明节能监控管理系统中的应用

清华同方股份有限公司 于海成

近年来，随着我国经济改革的深入发展，城市照明与城市形象规划彰显城市经济与科技实力，体现城市定位与竞争力，逐步受到各级政府机构的重视。城市照明作为城市形象的重要组成部分，越来越为政府所重视，投入大量的资金进行建设和升级。随着城市发展规模壮大，城市照明的能耗也逐年攀升，由此产生关联问题亦逐渐显露出来，如城市照明的维护量增大，带来人员不足；维护费用增加，社会成本过高，电费支出过多，财政负担加重。同时，据调查，城市公共照明在我国照明耗电中占30%的比例，我国小型城市在夜晚9点后，大中城市在午夜12点后，户外活动的人流量大幅下降，仅为平常10%或者更低，但随着人流量的降低，城市照明的运行能耗并没有下降，很多地方仍然保持较高照度，显然这些不合理的现象造成了能源的浪费。这些问题无疑给当地的政府机构与城市照明管理部门带来巨大的能耗与财政压力，急切需要我们共同探讨解决之道。

现有的节能监控管理技术中所采用的多种节能控制方式，都各自存在着一些不尽人意的表现。近几年，随着物联网技术的发展，一种基于Zigbee的无线传感器的物联网智能化城市照明节能监控管理系统越来越受到人们的重视。这种系统具有可靠性高、抗干扰性能好、功耗低等优点，可以延长灯具的使用寿命，降低灯具的损坏率和拆换费用，节省车辆巡检、人工开支费用，避免出现大面积灭灯或白天亮灯的现象，比较适合现代化的城市照明节能监控管理。

1 物联网

物联网是新一代信息技术的重要组成部分。其英文名称是“The Internet of things”。由此，顾名思义，“物联网就是物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。因此，物联网的定义是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

2 Zigbee技术

Zigbee是一种无线连接技术的商业化命名，该无线连接技术主要解决低成本、低功耗、低复杂度、低传输速率、近距离的设备联网应用。国际上，IEEE 802.15.4工作组及Zigbee联盟共同致力于该无线连接技术的推广工作，其中，IEEE 802.15.4工作组主要负责制定Zigbee物理层及MAC层的协议，其余协议主要参照和采用现有标准，以便于今后不同厂商设备的互联互通； Zigbee联盟则负责高层应用及市场推广工作。ZigBee标准基于802.15.4协议栈而建立，具备了强大的设备联网功能，它支持三种主要的自组织无线网络类型，即星状结构、网状结构(Mesh)和簇状结构(Cluster tree)，特别是网状结构，具有很强的网络健壮性和系统可靠性。这种网状结构非常适合应用于系统化照明产品的管理，如路灯产品:每灯之间的距离最长不超过50米，每个路灯加装一个Zigbee无线传感模块，每个模块之间互为路由，直至网络集中协调器，网络集中协调器再通过GPRS网络实现网络集中协调器与城市照明管理中心之间的数据传输。

3 无线传感网技术

从技术架构上来看，物联网可分为三层：感知层、网络层和应用层。感知层由各种传感器以及传感器网关构成，包括二氧化碳浓度传感器、温度传感器、湿度传感器、二维码标签、RFID标签和读写器、摄像头、GPS等感知终端。感知层的作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢，它是物联网识别物体、采集信息的来源，其主要功能是识别物体，采集信息。

本文介绍的是这种无线传感器网络技术是一种基于Zigbee技术的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术。它支持3种主要的自组织无线网络类型，即星状网、集群树状网和网状网三种拓扑。本系统采用的网状网使用RF 广播功能和一套路径调查和修复命令来动态的更新整个网络的路由信息。支持的Mesh 协议，类似于Ad hoc On-Demand Vector(AODV) 路由，在这个路由中，发起信息的源节点通过询问邻居节点，负责建立起一条合适的路径。路径询问过程逐渐在网络中呈波状传递，直到目的节点确认已经被连接并且发出回复应答。这个应答回复同样会以波状传递方式被返回到源节点，并在返回过程中搜集重要的路由统计数据。最后，这个源节点接收到最新的路由信息并据此选择最佳的路由。本系统所采用的网状网最佳路由选择示意图如图1所示。从Source到Destination有许多可以选择的路径。网络会自动选择类似红色虚线那种最近的路径。

图1 WSN网状网最佳路由选择示意图

本文研究的基于物联网的智能化城市照明监控管理系统采用网状网结构的无线传感器网络技术，实现单灯信息终端与网络集中协调器间的数据通信，通过GPRS网络实现网络集中协调器与城市照明管理中心之间的数据传输。实现了城市照明的智能化管理，通过科学管理做到最大限度的节能。

4 城市照明管理系统结构及主要功能

城市照明远程管理控制系统由远程城市照明管理主控中心、若干网络集中协调器和每个网络集中协调器所管辖的专用前端单灯信息终端组成，整体结构图如图2所示。主控中心由城市照明管理软件通过Internet和GPRS无线通信信道向网络集中协调器发送数据，网络集中协调器的GPRS模块收到数据，再转发给主Zigbee模块，主Zigbee模块再通过2.4G频段发送给单灯信息终端，单灯信息终端根据拟定的专门的通讯协议对收到的数据做处理，执行相应的命令，采集单灯运行参数或者控制城市照明降功率运行。

基于物联网的智能城市照明节能监控管理系统主要能实现如下功能：

（1）单点控制或集成控制

通过单点控制来满足不同的特殊情况，自动和手动遥控：按不同的季节自动定时开关全夜灯和半夜灯，也可手动对全夜灯和半夜灯进行遥控。可实现单点监测，采集单一灯具运行参数。

（2）自动控制

按照预先设定好的时间进行开关灯操作，调光节能；自动进行巡测，检测城市照明的运行状况。

（3）远程控制

可以足不出户，远程操作管辖范围内的城市照明，减少巡灯人员的工作量，大大提高了工作效率。

控制LED驱动器调节灯光亮度，在不影响功能与应用照明前提下，达到最大节能效果。

（4）门限报警

将过去的巡逻式维护报警改为预防式提醒报警，这样控制中心可以得到第一手资料从而进行调度协调。

图2 城市照明管理系统整体结构图

（5）精确定位

故障出现后，控制中心可以准确获取故障灯的精确位置信息，工作人员可以在最短时间内赶到现场进行维护。

（6）防盗警报

通过采集电力线的电流、电压值，通知控制中心，从而进行防盗监控处理。

（7）丰富的软件管理手段

GIS系统：电子地图上显示每盏灯具的运行状态参数及其它重要信息，使管理者一目了然。

能耗评估：方便客户进行有功功率、无功功率的计算，为能耗评估打下数字基础；

过载保护：通过采集到的数据进行处理判断，保证负载处于合理范围内；

空载保护：如果采集到电流小于门限值，则不允许进行开灯操作；

运行监测：自动测量显示系统的电压、电流、功率因数和温度等 ；

报警处理：对于设备异常和事故，可进行声光报警，并可以设置语音报警和报警信息打印；

设备管理：可对灯具安装和时间、地点、运行参数、工作时间等用户关心的信息进行记录与查询。提供节能指标建立、监督、维修及稽核的完整信息服务。

（8）可移植性

此系统不仅可用于城市照明，还可通用于景观照明、广告牌控制；通用于超市等室内灯具、电器等集成控制系统。

另外，此系统还安有装施工、维护方便的特点，不需要进行专门布线。以上这些功能特点为实现照明高效节能提供了强有力的技术支持。

5 系统各部分简介

5.1 用户管理软件

系统采用客户机/服务器（C/S）模式，分为控制中心和管理客户端，基于XML标准的数据接口的技术实现数据交换与传输，与各类数据库实现连接与共享。

系统采用具有开放体系与接口的.NET技术平台架构，应用软件操作系统为Windows XP , 采用视窗化语言设计，运用灯具地理信息系统（GIS），中文人机交流界面，鼠标操作，所有命令、查询和打印均非常直观简便，无需培训即可完成各种功能操作。城市照明管理系统管理软件结构图如图3所示：

图3 城市照明管理系统管理软件结构图

5.2 单灯信息终端

每盏城市照明上面都要安装单灯信息终端，主要功能是采集单个灯具电压、电流、功率因数、温度等信息，进行初步判断，发送报警信息，是把单个灯具的电压电流等信息上传到网络集中协调器，同时接收网络集中协调器的指令，来控制单个灯具的开关或亮度调节，同时还有报警功能。单灯控制模块上配有无线传感模块。用来同网络集中协调器进行无线数据交换，其原理框图如图4所示。

硬件设计采用低功耗快速单片机为主处理器，与无线传感器之间采用串口交换数据，单灯信息单元在设计时采用低功耗设计，白天待机状态功耗只有几毫瓦。

既有灯具改造时，灯具的交流电源先经过此模块后再与灯具相连，无需重新布线。节约成本，方便施工。

图4 单灯信息终端原理框图

5.3 网络集中协调器

网络集中协调器的作用是把一条路或者一个区域内的城市照明信息集中起来，起到一个数据缓存，报警管理、通信管理的作用，通过GPRS通信发给城市照明管理中心，同时，将城市照明管理中心发来的指令分发给每个单个的城市照明，它是整个系统的桥梁，起到一个Zigbee到GPRS通信网关的作用。为防止意外故障，特设有备用手动控制功能。网络集中协调器上同样配有无线传感模块，用以和单灯信息终端进行无线通信。内置GPRS无线传输模块主要用于每条路的网络集中协调器与城市照明管理中心管理计算机之间的远程数据传输。

6 总结

随着我国节能减排，低碳经济的推行，城市照明节能被越来越受到重视，城市照明能耗与工程运行维护成为大家关注的重点问题，如何让城市照明既高效运营又降低投入成本？引入物联网智能化城市照明节能监控管理系统，配套现有产品的升级与改造可以很好的解决上述问题。国家大力推广的合同能源管理服务模式给城市照明节能改造注入新的活力，城市照明远程监控管理系统恰恰为合同能源管理提供了一种科学有效的技术手段，相信在不远的将来，基于物联网的智能化城市照明监控管理系统一定会被广泛的应用于各个城市的城市照明管理中心，为节约能源、建设低碳城市发挥广泛的作用。

[1]吕治安.ZigBee网络原理与应用开发[M].北京：北京航天航空大学出版社.

[2]于海成.基于ZigBee 的无线安防系统设[J].中国电子商情-RFID技术与应用,2008(4).

[3]瞿雷,刘盛德,胡咸斌. ZigBee技术实用手册[M].北京：北京航空航天大学出版社,2007.

[4] 中国照明学会科技研讨会会刊.绿色照明与低碳技术论文集[C].2010.