基于物联网技术的智能照明控制系统
时间：2023-02-28 18:45:08 来源：千叶帆 本文已影响人
张文彬
（深圳佳比泰智能照明股份有限公司，广东深圳 518000）
传统的城市照明系统一般采用分散受控灯光与时控灯光两大方式，即在路灯配电箱中安装定时器，并按照预定时间自行开关灯。这种技术管理方式相对死板，只能在统一时间开关灯，同时需要人工干预来调整开关时间，且其电力载波控制受到电力线强磁场干扰，整体看通信环境相当恶劣，信号衰减时变性表现较大。现如今，应遵循智能化建设原则，采用物联网技术，运用ZigBee 通信技术+传感器技术来组成联合网络，有效解决传统照明控制中所存在的诸多问题，实现城市照明系统的自动化、智能化控制。
1.1 物联网技术
物联网技术概念早在1999年就已经被提出，它是基于互联网、RFID、EPC 等技术标准所提出的，在计算机互联网基础上合理利用射频识别技术和无线数据通信技术，构造了一个能够实现信息实时共享的实物互联网，即物联网（Internet of Things）。现如今，物联网又被称之为“传感网”，它是互联网与移动通信网的结合体，在感知技术内容方面有所丰富。物联网所体现出的系统性、聚合性创新应用特征已经掀起了信息技术的第三次革命，它在识别通信特征、强调物物通信功能方面表现出色，同时具有网络系统的自我反馈与智能控制功能。
1.2 ZigBee通信协议
在物联网技术体系中，ZigBee通信协议不得不提，它通过一种特殊肢体语言来告知系统信息源位置，所以还被称为“ZiZag 舞蹈”，代表了一种信息的简单传达方式，就像蜜蜂之间工作配合所演绎的舞蹈，所以才被称为“ZigBee”通信协议。作为一种无线电通信技术，ZigBee 通信协议中包含了超过70 000个无线数传模块，它们共同组成了一个完整的无线数传网络平台，在整个网络范围内实现了网络数传模块的相互通信，确保每个网络节点之间的距离都能从标准距离到75m 距离无限延展。ZigBee 技术的低功耗、低速率、近距离双向无线通信技术表现强大，它对于典型周期性、间歇性数据的传输到位，同时也能建立数据传输应用技术体系，保证ZigBee 技术能够主动嵌入到某些消费性电子设备中，形成小范围内无线通信控制与自动化、智能化操作。
在当前的城市智能化照明系统中，物联网技术的应用是相当广泛的，为有效体现城市现代化形象，调整亮灯率、开关灯准确率非常有必要，同时也必须提高照明系统的故障检测效率与实时性维修机制。为此就必须做好技术改造，保证物联网技术与ZigBee 通信协议发挥其应有功能作用，满足新形势下城市建设与发展的现实需求。具体来说，就是要将物联网技术中的GPRS 与ZigBee 技术联系起来，有效组建新型的城市照明灯控制模式，如此对实现城市中照明系统的单灯控制、大幅度节约能源都有一定帮助，同时也能够实现对国家低碳环保节能要求的全面响应。另外，ZigBee 也能将终端层的运行数据通过主节点层直接反馈到服务器层，保证监控中心能够实时动态掌握照明系统中灯的实时运行状态。
2.1 系统总体设计要点
基于物联网的城市智能照明控制系统在总体设计方面主要围绕终端层、主节点层、服务器层展开，具体如下。
2.1.1 终端层的设计要点
在城市智能照明控制系统设计过程中，对于终端层的设计首当其冲，要采用物联网技术来分析路端单灯测控器，保证与终端层核心控制器相互连接，形成无线传感网络节点。而对网络节点的通信控制则通过ZigBee 通信协议实现，其主要功能就是控制和检测路灯状态，实现对灯具的有效开关与功率升降。即要在每一个单灯测控器位置都设置ZigBee 网络协议，组成物物联通网络。如可在城市景观区安装物联网络智能照明控制系统，形成区域独立的照明智能化网络。
在终端层设计过程中，需要做好MCU 晶振模块设计，在设计过程中降低系统成本因素，同时考虑采用物联网配合CLKO 时钟来输出作为MCU 的外部时钟源，建立低成本、高精度的MCU 时钟供给方案。另外在终端层中还要设计射频模块，体现物联网技术应用优势，通过射频模块来增加测控器网络通信距离，同步增加低噪声放大器、射频收发开关的IC 功能。其射频模块电路图如图1所示。
图1 城市智能照明控制系统中的射频模块原理
2.1.2 主节点层的设计要点
主节点层的设计要点主要从城市智能照明控制系统的路端通信装置开始，保证汇集底层传感信息，通过GPRS 网络来发送数据信息到应用层监控中心中。在这里，需要设置Internet 与路灯网络接口网关，配合5G 技术与无线传感网络技术来将数据直接发送到监控中心服务器之中。整体来讲，主节点层中所有装置都采用了高性能芯片作为控制单元，结合无线传感网络形成微控制器，满足数据传输要求。在配合5G技术过程中，也能够针对城市中的不同要求选择适合的通信方式，建立主节点层。
在主节点层的硬件设计方面，需要对硬件模型进行设计，保证路端通信装置中硬件总体框架设计到位，确保系统结合控制监测路端灯箱，实现IIC 与SPI 接口的有效扩展，体现硬件系统总体设计的灵活性以及可扩展性。如图2所示。
图2 城市智能照明控制系统的路端通信装置硬件总体设计
2.1.3 服务器层的设计要点
在服务器层设计过程中，需要围绕其核心内容展开设计，即设计管理软件与通信软件。以通信软件设计为例，其主要结合ZigBee 通信协议展开设计，联合GPRS 技术来获取数据库中的未处理控制指令内容，确保某些信息指令都能放入到数据库中，建立通信软件侦听服务器TCP 端口。在服务器运行过程中，需要保证通信软件设计采用Service 形式，配合服务运行监控中心服务器来侦听TCP 端口内容，保证系统路端通信装置通信到位。目前的城市智能照明控制系统一般采用多线程Socket 机制进行通信软件设计，其通信软件也附属了ZigBee 通信协议，配合哈希表记录路端通信装置，形成TCP 客户端。TCP 客户端是对应Socket 句柄的，它能够有效减少服务器层设计开发的复杂度，最大限度提高系统运营稳定性。
2.2 系统软件设计要点
2.2.1 管理软件设计
管理软件设计主要是设计系统模块，有效增加、删除和修改照明控制内容，确保系统能够灵活自主调整软件功能，例如建立手工控制模块。而在手工控制模块中，则要设计对灯箱的开关、功率调节机制，保证实现对系统景观灯控制的要求，建立整条路段的灯箱控制机制，在无线传感网络中实现对路灯的单灯控制。
在实时数据统计模块中，则需要建立智能管理软件，并与城市地理信息系统相互结合，满足数据信息统计要求，确保用户能够相对直观地观测到灯箱的实时运行状态。
2.2.2 通信软件设计
在通信软件设计过程中，需要建立基于GPRS 与ZigBee 通信协议联合的数据库管理机制，保证通信软件设计到位，在服务器上运行通信软件，侦听服务器的TCP 端口。在TCPSvr 类封装系统中，需要建立网络通讯事件模型，提供TCPSvr 事件分析机制，然后才能对通信软件进行科学合理化编程。在这里，需要为通信软件设计提供具有自定义形式的服务器侦听技术体系，避免通信阻塞问题出现。例如要采用到哈希表中的数据结构来存储TCP 客户端信息，同时封装形成Session，体现通信软件的强大扩展性与灵活性。当然，也要建设Coder 编码解码机制，在该基础上实现数据编码、解码与加密操作，提高通信软件运行安全性，方便解析报文数据内容。
2.3 系统功能实现要点
城市智能照明控制系统在功能实现方面也相当突出，在控制模式选择方面需要对路灯控制模式进行设置，其中就包括了自由控制模式、经纬度控制模式、节假日控制模式以及夏季运行控制模式。其系统能够控制路灯进行分区域照明，有效调整控制功率与控制类型。以控制类型为例，它设置了包括城市、区域、街道、主控箱在内的四大不同级别，保证路灯功率能够到80%以上，甚至实现无极限调节。
在自由控制模式中，则需要保证所选择的控制类型，能够确保城市智能照明控制系统的输入功率可以从0～100%有效调节，同时实现单模式背景下的单灯控制。以节假日控制为例，其开灯时间与关灯时间控制相对严谨，要结合手工设置与手工控制记录来控制系统照明范围，同时设置电感景观灯，提高系统运行功率。图3为城市智能照明控制系统的夏季照明模式运行控制界面。
图3 城市智能照明控制系统的夏季照明模式运行控制界面
综上所述，本文中探讨了基于物联网技术与ZigBee 通信协议的城市照明智能综合控制系统。系统中对于技术的应用要点多、应用范围大、应用深度较深，在制定相对统一的控制模式过程中也提高了城市照明效率，真正做到了城市智能化、自动化照明操作，为城市美化建设创造了有利条件，也为城市建立了市政景观照明传感网，深层次感知城市区域交通、环境以及居民工作生活各方面变化，建立了真正意义上的物联网世界。
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