基于ZigBee+GPRS物联网技术的LED智能照明管理系统的研究

陈育+黄梓龙+卢伟斌

摘要：针对LED智能照明管理的业务流程、ZigBee+GPRS网络拓扑结构、网关节点的软硬件配置、ZigBee+GPRS物联网技术的优势，提出了ZigBee+GPRS物联网技术在LED智能照明管理平台上的运用，以实现广覆盖性、高效性、精确性、高可靠性、节约性和智能性的LED智能照明控制需求。

关键词：智能照明；物联网

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）28-0225-03

1 前言

LED进入城市照明领域，实现了城市照明第一次节能。不仅如此，由于城市照明路灯数量众多，如果能应用无线传感等物联网技术与智能控制技术，通过实时感知天气、室外光线亮度和交通流量的变化，借助电子通讯技术和计算机技术，实现城市照明系统自动监测、控制路灯的运行状况，及时发现故障路灯，以便及时维修，在满足适时照明需求的同时达到二次节能与降低维护成本的目的。

2 现状

传统的群控、组控等传统路灯控制模式与有线的现场总线技术因施工布线复杂、可靠性差、不经济等问题已经逐步被无线智能控制技术所取代。目前的无线智能控制中，因Zigbee在网络容量十分巨大、低功耗、工作在2.4G免费频段、网络自愈功能、技术成本低等方面的优势被广泛使用。但作为新兴的无线通信技术，ZigBee也存在着一些缺点，如网络深度、网络容量等。从理论上说，ZigBee技术网络容量能达到65536个，但现有的技术水平只能做到几百个。在网络深度方面，目前的技术水平也只能达到二十左右，这些给道路照明智能控制带来了许多麻烦，因此，上层必须结合应用GPRS技术，扩展城市路灯监控范围。

公司于2014年下半年开始《基于物联网技术的LED智能照明管理平台》的研发，在综合应用Zigbee和GPRS等无线通讯技术基础上，提出了建设二层通讯网络的网络结构：网关节点到监控中心节点之间为主干网，采用GPRS连接；智能化单灯终端节点到网关节点之间为二级子网，采用Zigbee传感网络。经过近两年的研发与实地测试，已经显示出技术的优越性。结合《基于物联网技术的LED智能照明管理平台》项目的实施，现就ZigBee+GPRS物联网技术在LED智能照明管理上的运用做一浅析探讨。

3 LED智能照明管理的业务流程

LED智能照明管理业务流程如下图1所示：

LED智能照明管理的业务流程如上图所示。

服务场景：公路＼广场＼园林是社会化路灯应用的几个场景，在相应的场景中我们应以不同的情景模式来控制路灯，达到快速配置节能的目的。

遥控：按时间曲线和光照度由监控中心计算机统一自动控制各照明节点路灯和亮化灯的开/关，并能实现手动单节点、分组开关灯等功能。

遥测：自动巡测为2秒钟的时间周期，随机手动检测路灯的电压、电流等工作参数，最多可检测3×8个交流信号。

遥信：获取路灯的状态和控制开关状态。

遥调：实现与配电柜和单灯的调压、节能设备对接。

分组功能：节点任意分组，分别采用时控/光控、工作日/节假日/重大节日灯的多套控制方案。

故障告警：采用声光、语音和短信多种形式报警，告警项目可配置。

GPS授时功能：采用卫星GPS系统，确保监控中心、灯光节点控制器、单灯控制器时间精准。

自主运行能力：照明节点控制器和单灯控制器具有自运行能力，确保无线通信不畅时正常开/关灯。

要实现上述LED智能照明管理的遥感、遥测、遥信、遥调、分组多模式功能切换、预警和自主运行等功能，就必须解决监控中心到路灯终端的信号长距离无失真传输与近距离高效、精确、高可靠性的通信问题。

4 ZigBee+GPRS的网络拓扑

ZigBee+GPRS物联网技术的网络拓扑图如下：

局域网：以类似公路局，是指在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组。局域网可以实现统操作、系文件管理、应用软件共享、打印机共享、工作组内的日程安排、电子邮件和传真通信服务等功能。智能路灯管理软件的WEB服务器与工作人员一般都处于同一个局域网中。

以太网：工作人员的网络主是以一个以太网的方式存在。

英特网：英特网主要是外围有权限的操作员（外线维修员）及连接智能硬件GPRS网络。

GPRS网：通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递，以达到无线控制路灯集中控制器的目的。

ZigBee区域网：ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。他有效节省大规模部署路灯的GPRS模块的成本，使一个区域的路灯在个区域的集中器的集中操作。

5 Zigbee与GPRS网关节点的软硬件配置

在基于ZigBee/GPRS/互联网的远程智能监控系统中，网络被分成主干网和二级子网两层，主干网运行的是TCP/IP协议，通过GPRS连接；二级子网运行的ZigBee协议。由于两级网络分别使用不同协议，因此，需要网关节点完成协议的转换，以实现两级网络之间数据的透明传输。

5.1 网关节点的硬件配置

Zigbee与GPRS网关节点负责将无线传感器网络通过GPRS接入互联网络。该网关节点通过Zigbee模块和所辖线路的单灯控制器相连，收集单灯控制器上传的状态数据，并下传控制信令。另外，经由GPRS模块将收集到的数据上传至远程监控中心，由监控中心进行相应处理。

Zigbee与GPRS网关节点原理框图如图3所示。

网关节点可采用基于ARM7或ARM9核RISC结构的微处理器，ZigBee无线射频模块可采用基于Freescale、Chipcon、Helicomm等公司的系列专用芯片，GPRS通讯模块可选用Motorola公司的G20、Siemens公司的MC39i及SIMCOM公司的SIMl00等产品，完成基于GPRS网络的移动数据通信。主存储器方面，使用Flash存储器和SDRAM，Flash存储器可存放已调试好的用户应用程序、嵌入式操作系统或其它在系统掉电后需要保存的用户数据等，SDRAM为操作系统和应用程序提供运行空间，并为通信提供接收和发送数据缓存区。直流稳压电路、LED检测电路、LED调光电路、功率控制电路等电路设计与单灯控制器中的电路相同。

5.2 网关节点的软件设计

软件分层结构如图4所示。

6 Zigbee+GPRS在LED智能照明管理平台上运用的优势

LED智能照明管理平台有效结合应用ZigBee和GPRS网络，具有如下优势、特点：

①长短的距离互补，能够实现大距离范围内（如一个城市）的城市路灯监控。

②低成本的软硬件结合，使得技术可行性高。

③GPRS具有实时在线的特性，数据传输时延小，能很好地满足系统对数据传输实时性的要求。

④GPRS采用完善的频分复用机制，具有很强的抗干扰性能，数据传输可靠。ZigBee技术采用了碰撞避免机制，具有低的丢包率和传输出错率，这使得整个系统的信息收集和传递具有很高的可靠性。

⑤二层通讯网络的网络结构扩展了网络覆盖范围，同时网络结构可灵活配置，以适应不同的应用。在企业内部，由于范围不大，路灯数量有限，控制相对简单，可只配置一个网关节点，其余节点均为智能化单灯终端节点，构成一个基于Zigbee的小范围、低成本传感网络。相反，如果是城市公共路灯，由于覆盖范围广，环境复杂，此时的路灯远程智能监控系统将由众多的Zigbee传感网络组成，传感网络之间通过GPRS连接，并需要大量增加网关节点数量，以缓解终端节点、网关节点、监控中心节点等节点间通讯压力。

7 总结

根据基于物联网技术的LED智能照明管理平台项目实施的实际情况，并借鉴其他LED智能控制系统的技术优劣势，ZigBee+GPRS物联网技术凭借广覆盖性、高效性、精确性、高可靠性、节约性和智能性，符合LED智能照明控制发展的趋势，系统软硬件配置合理，功能完备，性能突出，不仅可以满足LED智能照明管理平台的控制、监视、测量和报警等要求，也为LED智能照明管理平台后续功能复杂化、融入智慧城市实现单一的业务服务向综合性服务体系的转变，实现社会公共服务向民生应用领域的延伸提供可行性。

参考文献：

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[2] 张伟，王宏刚，程培温.基于GPRS的智能路灯远程监控系统的研究[J].计算机测量与控制，2010，18（9）.

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[5] 汪丽.基于物联网和GPRS的智能路灯监控系统[D].杭州电子科技大学，2013.