ZigBee無線遠(yuǎn)程路燈監(jiān)控系統(tǒng)方案
一、引言
當(dāng)代社會，城市照明已經(jīng)成為展示城市魅力的名片和窗口，因為城市照明不僅是一門科學(xué)，而更是一種文化，是一種藝術(shù)。城市路燈照明在帶來輝煌、絢麗和方便的同時，也遇到了諸多預(yù)料不到的問題，如：管理問題、費用問題、用電問題、電纜被盜的問題等等。照明自動監(jiān)控與管理系統(tǒng)能夠靈活開/關(guān) 燈，隨時了解運行參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)故障，將傳統(tǒng)的人工“巡燈”制度改為“值班”制度，極大地提高照明系統(tǒng)的管理效率。系統(tǒng)能將采集到的數(shù)據(jù)自動進(jìn)行存儲、統(tǒng) 計，并能隨時進(jìn)行查詢和打印，極大地提高管理水平，同時還能通過全夜燈、半夜燈和智能調(diào)壓等手段，降低能耗，提高設(shè)備使用壽命，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。
在城市路燈照明面臨的諸多問題中，節(jié)能問題是一個迫切需要解決的問題。它不僅涉及到降低城市路燈照明經(jīng)費的問題，還涉及到電力能源問題，特別是在電力能緊張的背景下，通過智能照明控制裝置，合理調(diào)整照明時間，不僅可以節(jié)省照明系統(tǒng)20％以上的用電量，而且照明燈具的使用壽命也得到了極大的延長。ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控行業(yè)，并取得了較好的效果。提出了基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)的通訊系統(tǒng)。在降低成本的同時能夠克服電力線載波通訊中不能換相的問題，另外使用Mesh網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊保障了無線通訊的可靠性。
二、項目分析
2.1 系統(tǒng)組成
2.1.1路燈控制終端
路燈采集控制終端由一級終端路燈控制監(jiān)控柜和二級終端組成，監(jiān)控柜包括工控機、電能測量單片機、多路控制板、監(jiān)控板；二級終端安裝在每盞燈里，包括電力載波模塊（EPCW）和輸入輸出接口板；路燈控制終端可實時監(jiān)控每盞路燈的亮滅情況、電能負(fù)荷狀態(tài)、燈桿損壞報警，漏電報警等功能。
2.1.2無線傳輸設(shè)備
前端采用四信F8914 ZigBee終端，通過232/485（端子接口）和路燈監(jiān)控終端內(nèi)的PLC相連，Zigbee作為一種無線連接,可工作在2. 14 GHz(全球流行) 、868 MHz (歐洲流行)和915 MHz (美國流行) 3個頻段上,分別具有最高至250 kbit/ s、20 kbit/ s、40 kbit/ s的傳輸速率。該型號設(shè)備一般為終端節(jié)點，與中心節(jié)點建立通信，完成信息的發(fā)送和接收。實物如圖1
ZigBee中心節(jié)點采用四信F8114 ZigBee+GPRS模塊，中心節(jié)點收到的數(shù)據(jù)可以通過串口直接是輸出到服務(wù)器上（前端與服務(wù)器的距離較近）；還可有通過GPRS把其收到的數(shù)據(jù)發(fā)送的遠(yuǎn)端的服務(wù)器上，GPRS部分采用國際標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP通信協(xié)議，且兩種方式都是實現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸功能。省去了每個終端的GPRS模塊，只需要中心節(jié)點一個，節(jié)約了成本。實物如圖2
2.1.3數(shù)據(jù)管理中心
1） 遙控：主站計算機按設(shè)定好的經(jīng)緯時間曲線自動控制全市路燈的開/關(guān)狀態(tài)，也可在主站手動控制任意的一級終端和二級終端的開/關(guān)狀態(tài)。
2） 遙測：自動巡測或隨機檢測各個終端亮燈率、電壓、電流、功率因數(shù)、有功和頻率等工作參數(shù)，在自動運行時只要終端有變化，它便立即將變化數(shù)據(jù)向主站傳輸，無須主站巡檢。
3） 遙信：對各個終端開/關(guān)狀態(tài)、故障和報警等信息的獲取，保證系統(tǒng)有效正常地運行。
2.2 系統(tǒng)總架構(gòu)
2.2.1 F8914 --- F8914組網(wǎng)
F8914（前端）通過標(biāo)準(zhǔn)的232/485與路燈監(jiān)控一級終端里的PLC連接通信，獲取的數(shù)據(jù)直接通過2.4G頻率發(fā)送到F8914(中心節(jié)點)。F8914(中心節(jié)點)通過串口與服務(wù)器連接，把數(shù)據(jù)送到后臺，后臺管理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。如圖3所示
2.2.2 F8914----F8114組網(wǎng)
2.2.2.1 原理框架
F8114首先進(jìn)行GPRS撥號上網(wǎng)，然后自動向數(shù)據(jù)管理中心發(fā)起TCP連接，握手成功后開始數(shù)據(jù)透明傳輸。路燈監(jiān)控終端把數(shù)據(jù)集中采集通過PLC把數(shù)據(jù)傳給F8914，F(xiàn)8914接到數(shù)據(jù)后即時的將數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送到F8114。F8114通過GPRS數(shù)據(jù)管理中心將上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得出直觀的結(jié)果和相應(yīng)的指令通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給F8114，再通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送到F8914即時通過232/485傳送給PLC，PLC根據(jù)指令對路燈做出相應(yīng)的控制處理，以此達(dá)到遠(yuǎn)程控制路燈的效果。如圖4所示
2.2.2.2 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)接入方式
1.專線接入
中心采用APN專線， 所有點都采用內(nèi)網(wǎng)固定IP客戶中心通過一條2M APN專線接入移動公司GPRS網(wǎng)絡(luò)，雙方互聯(lián)路由器之間采用私有固定IP地址進(jìn)行廣域連接，在GGSN與移動公司互聯(lián)路由器之間采用GRE隧道。為客戶分配專用的APN，普通用戶不得申請該APN。用于GPRS專網(wǎng)的SIM卡才能進(jìn)入專網(wǎng)APN，防止其他非法用戶的進(jìn)入。用戶在內(nèi)部建立RADIUS服務(wù)器，作為內(nèi)部用戶接入的遠(yuǎn)程認(rèn)證服務(wù)器（或在APN路由器內(nèi)，啟用路由器本地認(rèn)證功能）。只有通過認(rèn)證的用戶才允許接入，用以保證用戶內(nèi)部安全。
用戶在內(nèi)部建立DHCP服務(wù)器（或在APN路由器內(nèi)，啟用DHCP功能），為通過認(rèn)證的用戶分配用戶內(nèi)部地址。移動終端和服務(wù)器平臺之間采用端到端加密，避免信息在整個傳輸過程中可能的泄漏。雙方采用防火墻進(jìn)行隔離，并在防火墻上進(jìn)行IP地址和端口過濾。此種方案無論實時性，安全性和穩(wěn)定性較前一種方案都有大大提高，適合于安全性要求較高、數(shù)據(jù)點比較多、實時性要求較高的應(yīng)用環(huán)境。在資金允許的情況下之最佳組網(wǎng)方式。
2. ADSL撥號連接（動態(tài)公網(wǎng)IP地址）
中心采用ADSL等INTELNET公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)動態(tài)IP+DNS解析服務(wù)的?？蛻粝扰cDNS服務(wù)商聯(lián)系開通動態(tài)域名，IP MODEM先采用域名尋址方式連接DNS服務(wù)器，再由DNS服務(wù)器找到中心公網(wǎng)動態(tài)IP，建立連接。此種方式可以大大節(jié)約公網(wǎng)固定IP的費用，但穩(wěn)定性受制于DNS服務(wù)器的穩(wěn)定，所以要尋找可靠的DNS服務(wù)商。此種方案適合小規(guī)模應(yīng)用。
3. 通過固定公網(wǎng)IP連接
中心采用ADSL等INTELNET公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)固定IP服務(wù)的。此種方案先向INTERNET運營商申請ADSL等寬帶業(yè)務(wù)，中心有公網(wǎng)固定IP的。IP MODEM直接向中心發(fā)起連接。運行可靠穩(wěn)定，推薦此種方案。
2.3系統(tǒng)實現(xiàn)功能
1.根據(jù)經(jīng)緯度精確計算出每天的日出日落時間。進(jìn)而計算出每天的開關(guān)燈精確時間。對路燈運行進(jìn)行合理、可靠的控制：達(dá)到節(jié)省用照明系統(tǒng)10%-20%用電量。
2.對路燈全年的開關(guān)時間，可以按照：臨時、周、節(jié)假日、經(jīng)緯度等方式進(jìn)行設(shè)計。
3.對路燈開關(guān)燈控制可按設(shè)計的時間進(jìn)行合理控制：根據(jù)經(jīng)緯度計算每天的日出日落時間，實現(xiàn)全年365天每天精確的開關(guān)燈時間，可以把全年節(jié)假日的特殊開關(guān)燈時間進(jìn)行設(shè)置，有突發(fā)事件時，可以設(shè)置臨時時間方案。使城市照明更具人性化。
4.對路燈運行狀態(tài)進(jìn)行全自動的監(jiān)控。
5.自動和手動遙控系統(tǒng)可以根據(jù)不同類型的路燈與景觀燈控制要求，把全市路燈、景觀燈分成若干個組，采用時控方案，自動遙控開/關(guān)全市全夜燈、半夜燈、市政景觀燈、樓宇景觀燈；也可以手動對各種燈型進(jìn)行遙控開/關(guān)操作?？刂颇Ｊ娇梢匀我馓砑?。根據(jù)不同控制模式控制不同回路。
6.定時自動上報，手動迅測操作者可隨時手動巡測各監(jiān)控終端的電壓、電流、有功功率、無功功率和功率因數(shù)等各種監(jiān)測數(shù)據(jù)。上述參數(shù)定時上報。參數(shù)變化量取值范圍可以手動設(shè)置。達(dá)到變化值，下位機自動上報變化值。
7.自動計算亮燈率能根據(jù)電壓、電流、有功功率和功率因數(shù)的變化自動進(jìn)行亮燈率估算。為了保證亮燈率的統(tǒng)計，數(shù)據(jù)采集精度優(yōu)于1%。
8.查詢打印可以對各監(jiān)控終端任意定時數(shù)據(jù)和年、月、日統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，顯示的表格、曲線圖、均可打印。可以對任意一天的實際開關(guān)燈時間、模擬量數(shù)據(jù)日志，報警日志。日出日落時間等記錄進(jìn)行查詢，顯示的表格、曲線圖、均可打印?？梢詫v史故障進(jìn)行查詢和打印。
9.控制方案根據(jù)不同類型的路燈、景觀燈控制要求，可以把路燈、景觀燈分別設(shè)置成不同的功能組，分別用經(jīng)緯度 和節(jié)假日 的的時間控制方式進(jìn)行控制。有突發(fā)時間時可設(shè)置臨時時間方案?；蛘咄ㄟ^上位機手動，或者手機短信方式開關(guān)燈。
三、方案特點
1 、傳輸模塊采用無線接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，目前GPRS網(wǎng)絡(luò)在國內(nèi)已經(jīng)運營了十幾年，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，技術(shù)成熟，覆蓋率廣。
2、傳輸模塊采用工業(yè)級ZigBee模塊，標(biāo)準(zhǔn)頻段IEEE802.15.4 ISM2.4GHz,通信距離90m,戶外通信距離800m,發(fā)射功率22dBm（增加功放），接受靈敏度-104dBm；低功耗設(shè)計，支持多級休眠和喚醒模式，最大限度降低功耗，內(nèi)置實時時鐘（RTC），支持定時開關(guān)機功能，定時關(guān)機狀態(tài)下功耗小于1mA。外接電源DC 12V/500mA（標(biāo)準(zhǔn)）；通信電流：50mA-80mA@12VDC、115-150mA@5VDC;待機狀態(tài)：20mA@12VDC、35mA@5VDC；休眠狀：8mA@12VDC、18mA@5VDC；工作環(huán)境溫度 -25~+65ºC;儲存溫度 -40~+85ºC;相對濕度 95%(無凝結(jié));多重軟硬件看門狗設(shè)計。適用于戶外工作環(huán)境。
3、傳輸模塊具有可靠的網(wǎng)絡(luò)連接、智能防掉線、支持在線檢測、在線維護(hù)、掉掉線自動重拔，確保設(shè)備永遠(yuǎn)在線，確保通信通道正常，為數(shù)據(jù)中心提供數(shù)據(jù)。
4、終端傳輸模塊支持多種激活方式，如語音電話、短信、數(shù)據(jù)等；終端設(shè)備故障或異常時，自動發(fā)短信報警信息給維護(hù)人員。
5、傳輸模塊采用主備份中心與中心自動恢復(fù)功能，并同時支持多中心并發(fā)功能（最多五個）。
6、方便控制，管理人員不需要親臨現(xiàn)場就可以對現(xiàn)場的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視，完成參數(shù)的調(diào)整與設(shè)置，進(jìn)行有效的故障恢復(fù)等，大大提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約了生產(chǎn)的人力資源。
7、及時響應(yīng)，實時的遠(yuǎn)程監(jiān)控，可以對故障做出及時的響應(yīng)，從而大大降低故障帶來的經(jīng)濟(jì)和其他方面的損失。
8、規(guī)范管理和操作，運行作業(yè)過程全面監(jiān)控是非常必要的，通過過程監(jiān)測，可將機械作業(yè)的過程以數(shù)字方式全部記錄下來，從而既可以對操作人員進(jìn)行工作量考核提供 真實的數(shù)據(jù)，也可以規(guī)范操作，對違章作業(yè)提供記錄信息，另一方面還可以監(jiān)控設(shè)備的故障狀況，及時找出故障點，同時根據(jù)記錄查出故障原因。
9、四信可為客戶提供二次開發(fā)包和多語言版本數(shù)據(jù)中心服務(wù)器軟件以便客戶的需要進(jìn)行二次開發(fā)；同時針對客戶的需求，提供多種技術(shù)支持，包括產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案設(shè)計、技術(shù)人員技術(shù)培訓(xùn)、軟件開發(fā)全程技術(shù)配合、設(shè)備現(xiàn)場調(diào)試技術(shù)支持等服務(wù)
四、小結(jié)
路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，也獲得了很好的效果，不僅對路燈控制進(jìn)行了優(yōu)化，而且實現(xiàn)了節(jié)電節(jié)能，給智慧城市添了一把力。四信通信在智慧城市的建設(shè)中也在不斷的做著自己應(yīng)該做的事情，而且在其他的很多領(lǐng)域例如移動POS終端、金融、供應(yīng)鏈自動化、智能化運輸、工業(yè)自動化、智能建筑、智能家居、消防、公共安全、環(huán)境保護(hù)、氣象、數(shù)字化醫(yī)療、遙感勘測、軍事、空間探索、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水務(wù)、電力、煤礦、石化等行業(yè)都不錯的表現(xiàn)，相信四信在物聯(lián)網(wǎng)的浪潮中會發(fā)揮更大的作用。
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