基于ZigBee的城市路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著國(guó)家城市化進(jìn)程的發(fā)展，城市規(guī)模不斷變大，人們對(duì)城市照明的需求也不斷提高，方便高效的路燈監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于一個(gè)城市現(xiàn)代化發(fā)展具有重要意義。很多發(fā)達(dá)國(guó)家已普遍采用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的監(jiān)控，大大節(jié)約了人力資源。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的城市路燈控制系統(tǒng)還處于計(jì)時(shí)器/光感控制階段，智能化的研究還處于初期階段，表現(xiàn)為：通過(guò)人工巡查及群眾反映等方式實(shí)現(xiàn)路燈的開(kāi)關(guān)控制以及故障排查;城市夜晚沒(méi)有行人時(shí)，路燈也照常工作，浪費(fèi)了能源;路燈工作狀態(tài)沒(méi)有存檔，不方便日后的查詢(xún)。以上缺點(diǎn)不但消耗了大量的人力、物力和財(cái)力，而且實(shí)時(shí)性差，故障的上報(bào)率較低，故障處理率也低。最重要的是路燈控制手段不靈活，無(wú)法實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)控制和按需照明，導(dǎo)致照明能耗的浪費(fèi)，因此實(shí)現(xiàn)路燈的智能監(jiān)控刻不容緩。

ZigBee技術(shù)是一門(mén)新興通信技術(shù)，利用該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)的聯(lián)網(wǎng)，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)終端進(jìn)行跟蹤和管理，ZigBee技術(shù)的發(fā)展使路燈的網(wǎng)絡(luò)化和智能化管理成為可能。

在本路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)中，使用ZigBee節(jié)點(diǎn)將路燈與傳感器組成一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)，傳感器對(duì)路燈工作狀態(tài)，如有無(wú)行人、路燈是否出現(xiàn)故障和光強(qiáng)等信息進(jìn)行采集，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)將狀態(tài)信息通過(guò)網(wǎng)關(guān)上傳至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于ZigBee/GSM和WEB服務(wù)器的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)多種傳感器采集工作環(huán)境參數(shù)(如光強(qiáng))并通過(guò)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)將參數(shù)傳輸至ZigBee協(xié)調(diào)器。Zi gBee協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸至計(jì)算機(jī)服務(wù)器，本系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)上搭建了WEB服務(wù)器，最終可由互聯(lián)網(wǎng)終端利用瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器網(wǎng)站實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的本地控制功能，本系統(tǒng)在單片機(jī)網(wǎng)關(guān)中對(duì)實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)加以分析，并反饋調(diào)節(jié)路燈亮度，同時(shí)啟用故障檢測(cè)功能，若出現(xiàn)故障，利用GSM模塊將報(bào)警短信發(fā)送至路燈維修人員處。綜上，本系統(tǒng)在路燈信息監(jiān)測(cè)、路燈故障報(bào)警、路燈遠(yuǎn)程控制三方面對(duì)城市路燈進(jìn)行高效、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的管理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件部分主要包括：ZigBee模塊、傳感器模塊、UART接口、GTM900C、計(jì)算機(jī)等。本系統(tǒng)中，傳感器單元中包含霍爾電流傳感器、紅外傳感器和光敏傳感器，分別用于采集路燈故障信息、行人信息和光強(qiáng)信息。ZigBee模塊選用TI公司生產(chǎn)的C2530芯片，該芯片集成了Z—Stack協(xié)議棧，可以方便的實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)，建立無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)。為實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警功能，系統(tǒng)通過(guò)串口將GSM模塊與ZigBee協(xié)調(diào)器相連，當(dāng)出現(xiàn)路燈故障時(shí)，GSM模塊以短信的形式將故障信息發(fā)送至相關(guān)負(fù)責(zé)人。本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

ZigBee的無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)為樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)點(diǎn)按層次進(jìn)行連接，主要在上、下結(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行信息交換，即終端與路由器交換信息、路由器與協(xié)調(diào)器交換信息，適用于匯集信息的應(yīng)用要求。ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)圖如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用B/S模式使用戶(hù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控路燈的功能，B/S模式由3個(gè)模塊組成，包括客戶(hù)端、WEB服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器?？蛻?hù)端僅僅使用瀏覽器即可訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器，事務(wù)處理放在服務(wù)器端，數(shù)據(jù)處理則由數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器進(jìn)行，這樣用戶(hù)就可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行異地?cái)?shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)，最終實(shí)現(xiàn)路燈的監(jiān)控。系統(tǒng)軟件平臺(tái)為Microsoft Visual Studio2010和Micros oft SOL Seiver2005，主要工作包括WEB服務(wù)器的搭建，數(shù)據(jù)庫(kù)建立及事件處理和服務(wù)器端程序的開(kāi)發(fā)。當(dāng)系統(tǒng)為監(jiān)測(cè)模式時(shí)，計(jì)算機(jī)通過(guò)串口，按照設(shè)定的時(shí)間定時(shí)通過(guò)串口向ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，對(duì)ZigBee協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，并將數(shù)據(jù)傳送至控制中心，控制中心通過(guò)入庫(kù)線(xiàn)程將數(shù)據(jù)入庫(kù)，同時(shí)更新最新的路燈狀態(tài);當(dāng)系統(tǒng)為控制模式時(shí)，通過(guò)外部中斷的方式向ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送控制命令，由無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，最終由ZigBee終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)路燈控制單元對(duì)路燈進(jìn)行控制。由于是B/S結(jié)構(gòu)，所以使用普通瀏覽器即可查看或控制。普通用戶(hù)登陸只能查看路燈狀況，管理員身份登陸還可以控制路燈工作狀態(tài)。服務(wù)器端程序流程圖如圖4所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 測(cè)試方法

系統(tǒng)調(diào)試主要分為硬件測(cè)試和軟件調(diào)試兩部分。硬件測(cè)試主要檢測(cè)系統(tǒng)的硬件是否正常工作，包括ZigBee結(jié)點(diǎn)的硬件測(cè)試和嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件測(cè)試。采用方法：人工改變路燈的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)置虛假“緊急”情況，檢測(cè)是否能收到報(bào)警短信。軟件調(diào)試是在硬件正常工作的基礎(chǔ)上來(lái)檢測(cè)軟件是否能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控以及自己搭建的服務(wù)器的壓力測(cè)試。采用的方法：人工改變路燈的運(yùn)行狀態(tài)，檢測(cè)是否能正確顯示以及控制是否有效;壓力測(cè)試方面，由于用于搭建服務(wù)器的主機(jī)為個(gè)人電腦，所以實(shí)際抗壓性能并不強(qiáng)，但是作為模型檢測(cè)，它是可行的。系統(tǒng)軟硬件整合后，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行雙向的監(jiān)控。

4.2 效果圖

整體調(diào)試的效果圖如圖5所示。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到對(duì)路燈的管理中，利用了ZigBee技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)構(gòu)建了智能城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，并能夠?qū)崿F(xiàn)故障定位和自動(dòng)報(bào)警功能，節(jié)約了路燈維護(hù)工作的人力成本，并減小了照明能耗，為傳統(tǒng)的路燈管理方法創(chuàng)新提供了新的思路。