ZigBee无线远程路灯监控系统方案
一、引言
当代社会，城市照明已经成为展示城市魅力的名片和窗口，因为城市照明不仅是一门科学，而更是一种文化，是一种艺术。城市路灯照明在带来辉煌、绚丽和方便的同时，也遇到了诸多预料不到的问题，如：管理问题、费用问题、用电问题、电缆被盗的问题等等。照明自动监控与管理系统能够灵活开/关 灯，随时了解运行参数，及时发现故障，将传统的人工“巡灯”制度改为“值班”制度，极大地提高照明系统的管理效率。系统能将采集到的数据自动进行存储、统 计，并能随时进行查询和打印，极大地提高管理水平，同时还能通过全夜灯、半夜灯和智能调压等手段，降低能耗，提高设备使用寿命，获得良好的经济效益。
在城市路灯照明面临的诸多问题中，节能问题是一个迫切需要解决的问题。它不仅涉及到降低城市路灯照明经费的问题，还涉及到电力能源问题，特别是在电力能紧张的背景下，通过智能照明控制装置，合理调整照明时间，不仅可以节省照明系统20％以上的用电量，而且照明灯具的使用寿命也得到了极大的延长。ZigBee技术是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术。目前已经广泛应用于无线网络监控行业，并取得了较好的效果。提出了基于ZigBee技术的无线网络的通讯系统。在降低成本的同时能够克服电力线载波通讯中不能换相的问题，另外使用Mesh网络进行通讯保障了无线通讯的可靠性。
二、项目分析
2.1 系统组成
2.1.1路灯控制终端
路灯采集控制终端由一级终端路灯控制监控柜和二级终端组成，监控柜包括工控机、电能测量单片机、多路控制板、监控板；二级终端安装在每盏灯里，包括电力载波模块（EPCW）和输入输出接口板；路灯控制终端可实时监控每盏路灯的亮灭情况、电能负荷状态、灯杆损坏报警，漏电报警等功能。
2.1.2无线传输设备
前端采用四信F8914 ZigBee终端，通过232/485（端子接口）和路灯监控终端内的PLC相连，Zigbee作为一种无线连接,可工作在2. 14 GHz(全球流行) 、868 MHz (欧洲流行)和915 MHz (美国流行) 3个频段上,分别具有最高至250 kbit/ s、20 kbit/ s、40 kbit/ s的传输速率。该型号设备一般为终端节点，与中心节点建立通信，完成信息的发送和接收。实物如图1
ZigBee中心节点采用四信F8114 ZigBee+GPRS模块，中心节点收到的数据可以通过串口直接是输出到服务器上（前端与服务器的距离较近）；还可有通过GPRS把其收到的数据发送的远端的服务器上，GPRS部分采用国际标准TCP/IP通信协议，且两种方式都是实现数据透明传输功能。省去了每个终端的GPRS模块，只需要中心节点一个，节约了成本。实物如图2
2.1.3数据管理中心
1） 遥控：主站计算机按设定好的经纬时间曲线自动控制全市路灯的开/关状态，也可在主站手动控制任意的一级终端和二级终端的开/关状态。
2） 遥测：自动巡测或随机检测各个终端亮灯率、电压、电流、功率因数、有功和频率等工作参数，在自动运行时只要终端有变化，它便立即将变化数据向主站传输，无须主站巡检。
3） 遥信：对各个终端开/关状态、故障和报警等信息的获取，保证系统有效正常地运行。
2.2 系统总架构
2.2.1 F8914 --- F8914组网
F8914（前端）通过标准的232/485与路灯监控一级终端里的PLC连接通信，获取的数据直接通过2.4G频率发送到F8914(中心节点)。F8914(中心节点)通过串口与服务器连接，把数据送到后台，后台管理软件对数据进行分析。如图3所示
2.2.2 F8914----F8114组网
2.2.2.1 原理框架
F8114首先进行GPRS拨号上网，然后自动向数据管理中心发起TCP连接，握手成功后开始数据透明传输。路灯监控终端把数据集中采集通过PLC把数据传给F8914，F8914接到数据后即时的将数据通过ZigBee网络传送到F8114。F8114通过GPRS数据管理中心将上传的数据进行分析处理，得出直观的结果和相应的指令通过GPRS网络发送给F8114，再通过ZigBee网络传送到F8914即时通过232/485传送给PLC，PLC根据指令对路灯做出相应的控制处理，以此达到远程控制路灯的效果。如图4所示
2.2.2.2 数据中心网络接入方式
1.专线接入
中心采用APN专线， 所有点都采用内网固定IP客户中心通过一条2M APN专线接入移动公司GPRS网络，双方互联路由器之间采用私有固定IP地址进行广域连接，在GGSN与移动公司互联路由器之间采用GRE隧道。为客户分配专用的APN，普通用户不得申请该APN。用于GPRS专网的SIM卡才能进入专网APN，防止其他非法用户的进入。用户在内部建立RADIUS服务器，作为内部用户接入的远程认证服务器（或在APN路由器内，启用路由器本地认证功能）。只有通过认证的用户才允许接入，用以保证用户内部安全。
用户在内部建立DHCP服务器（或在APN路由器内，启用DHCP功能），为通过认证的用户分配用户内部地址。移动终端和服务器平台之间采用端到端加密，避免信息在整个传输过程中可能的泄漏。双方采用防火墙进行隔离，并在防火墙上进行IP地址和端口过滤。此种方案无论实时性，安全性和稳定性较前一种方案都有大大提高，适合于安全性要求较高、数据点比较多、实时性要求较高的应用环境。在资金允许的情况下之最佳组网方式。
2. ADSL拨号连接（动态公网IP地址）
中心采用ADSL等INTELNET公网连接，采用公网动态IP+DNS解析服务的。客户先与DNS服务商联系开通动态域名，IP MODEM先采用域名寻址方式连接DNS服务器，再由DNS服务器找到中心公网动态IP，建立连接。此种方式可以大大节约公网固定IP的费用，但稳定性受制于DNS服务器的稳定，所以要寻找可靠的DNS服务商。此种方案适合小规模应用。
3. 通过固定公网IP连接
中心采用ADSL等INTELNET公网连接，采用公网固定IP服务的。此种方案先向INTERNET运营商申请ADSL等宽带业务，中心有公网固定IP的。IP MODEM直接向中心发起连接。运行可靠稳定，推荐此种方案。
2.3系统实现功能
1.根据经纬度精确计算出每天的日出日落时间。进而计算出每天的开关灯精确时间。对路灯运行进行合理、可靠的控制：达到节省用照明系统10%-20%用电量。
2.对路灯全年的开关时间，可以按照：临时、周、节假日、经纬度等方式进行设计。
3.对路灯开关灯控制可按设计的时间进行合理控制：根据经纬度计算每天的日出日落时间，实现全年365天每天精确的开关灯时间，可以把全年节假日的特殊开关灯时间进行设置，有突发事件时，可以设置临时时间方案。使城市照明更具人性化。
4.对路灯运行状态进行全自动的监控。
5.自动和手动遥控系统可以根据不同类型的路灯与景观灯控制要求，把全市路灯、景观灯分成若干个组，采用时控方案，自动遥控开/关全市全夜灯、半夜灯、市政景观灯、楼宇景观灯；也可以手动对各种灯型进行遥控开/关操作。控制模式可以任意添加。根据不同控制模式控制不同回路。
6.定时自动上报，手动迅测操作者可随时手动巡测各监控终端的电压、电流、有功功率、无功功率和功率因数等各种监测数据。上述参数定时上报。参数变化量取值范围可以手动设置。达到变化值，下位机自动上报变化值。
7.自动计算亮灯率能根据电压、电流、有功功率和功率因数的变化自动进行亮灯率估算。为了保证亮灯率的统计，数据采集精度优于1%。
8.查询打印可以对各监控终端任意定时数据和年、月、日统计数据进行查询，显示的表格、曲线图、均可打印。可以对任意一天的实际开关灯时间、模拟量数据日志，报警日志。日出日落时间等记录进行查询，显示的表格、曲线图、均可打印。可以对历史故障进行查询和打印。
9.控制方案根据不同类型的路灯、景观灯控制要求，可以把路灯、景观灯分别设置成不同的功能组，分别用经纬度 和节假日 的的时间控制方式进行控制。有突发时间时可设置临时时间方案。或者通过上位机手动，或者手机短信方式开关灯。
三、方案特点
1 、传输模块采用无线接入GPRS网络，目前GPRS网络在国内已经运营了十几年，网络稳定，技术成熟，覆盖率广。
2、传输模块采用工业级ZigBee模块，标准频段IEEE802.15.4 ISM2.4GHz,通信距离90m,户外通信距离800m,发射功率22dBm（增加功放），接受灵敏度-104dBm；低功耗设计，支持多级休眠和唤醒模式，最大限度降低功耗，内置实时时钟（RTC），支持定时开关机功能，定时关机状态下功耗小于1mA。外接电源DC 12V/500mA（标准）；通信电流：50mA-80mA@12VDC、115-150mA@5VDC;待机状态：20mA@12VDC、35mA@5VDC；休眠状：8mA@12VDC、18mA@5VDC；工作环境温度 -25~+65ºC;储存温度 -40~+85ºC;相对湿度 95%(无凝结);多重软硬件看门狗设计。适用于户外工作环境。
3、传输模块具有可靠的网络连接、智能防掉线、支持在线检测、在线维护、掉掉线自动重拔，确保设备永远在线，确保通信通道正常，为数据中心提供数据。
4、终端传输模块支持多种激活方式，如语音电话、短信、数据等；终端设备故障或异常时，自动发短信报警信息给维护人员。
5、传输模块采用主备份中心与中心自动恢复功能，并同时支持多中心并发功能（最多五个）。
6、方便控制，管理人员不需要亲临现场就可以对现场的设备进行监视，完成参数的调整与设置，进行有效的故障恢复等，大大提高劳动生产率，节约了生产的人力资源。
7、及时响应，实时的远程监控，可以对故障做出及时的响应，从而大大降低故障带来的经济和其他方面的损失。
8、规范管理和操作，运行作业过程全面监控是非常必要的，通过过程监测，可将机械作业的过程以数字方式全部记录下来，从而既可以对操作人员进行工作量考核提供 真实的数据，也可以规范操作，对违章作业提供记录信息，另一方面还可以监控设备的故障状况，及时找出故障点，同时根据记录查出故障原因。
9、四信可为客户提供二次开发包和多语言版本数据中心服务器软件以便客户的需要进行二次开发；同时针对客户的需求，提供多种技术支持，包括产品网络组网方案设计、技术人员技术培训、软件开发全程技术配合、设备现场调试技术支持等服务
四、小结
路灯远程监控系统已经得到了广泛的应用，也获得了很好的效果，不仅对路灯控制进行了优化，而且实现了节电节能，给智慧城市添了一把力。四信通信在智慧城市的建设中也在不断的做着自己应该做的事情，而且在其他的很多领域例如移动POS终端、金融、供应链自动化、智能化运输、工业自动化、智能建筑、智能家居、消防、公共安全、环境保护、气象、数字化医疗、遥感勘测、军事、空间探索、农业、林业、水务、电力、煤矿、石化等行业都不错的表现，相信四信在物联网的浪潮中会发挥更大的作用。
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