摘要：笔者主要从关键技术介绍、关于物联网技术的智能路灯控制系统总体设计等方面概述了本文主题，旨在与同行共同探讨学习。
关键词：物联网技术；智能控制系统；设计
一、智能路灯控制系统的系统架构
现有的传统路灯控制系统，由两级构成：一级是高压电线通过变压器接入配电柜，一级是 220V 的交流电通过时空的控制开关，控制灯的亮与灭。相比于传统路灯控制系统，智能路灯控制系统在现有的基础之上将整个控制系统扩展到三个控制层次。
第一个层次是上位机的路灯控制系统软件（LMS），LMS 作为整个系统的控制终端，提供良好的人机交互界面，通过各个功能模块，实现对路灯的策略控制，比如引入开关灯计划，可以实现对路灯的自动开关，通过特殊策略控制，可以根据具体的实时要求，来实现对路灯的开关、亮度的调整。同时，在本系统中，可以根据具体的开发要求，添加相关功能，比如引入物料管理，可以跟踪路灯相关物料的使用以及报废情况，特别是在政府部门，这些功能能为政府财政预算提供有力的依据。
第二个层次是数据集中器，数据集中器安装在配电柜中，在智能路灯控制系统中，数据集中器起一个承上启下的作用。通过无线网络（主要是 GPRS）通信，与上位机的控制软件系统实现通信，既可以根据上层软件的数据需要，也可以实时的将数据反馈回上层软件。数据集中器的下一级控制实体则是单灯控制器，数据集中器对单灯控制器的控制主要体现在数据收集与下发控制命令，实现对路灯的开、关及调光控制。单灯控制器与数据集中器的通信是通过电力线载波信号来实现。在本系统中，数据集中器选用的是美国 Echelon 公司的i.LON，在接下来的小节将具体的对这款服务器做一个简要介绍。
第三个层次是单灯控制器（SLC），在本系统中，单灯控制器作为控制的神经末梢，实现对与之相连的路灯的控制，同时，SLC 也通过 MCU 将有用的数据通过电力载波实时的反馈给数据集中器。更重要的是，SLC 使用的 MCU 包含了一个全球唯一的标识码，这个标识码作为系统识别单灯个体的唯一凭证，同时也是电力载波寻址的唯一标志。目前，单灯控制器可以收集单灯的电流、电压、功率因数以及单灯运行时间等数据。
智能路灯控制系统的基本框架由上述的这三个部分组成，如图1所示：
图 1 智能路灯系统层次结构图
二、关键技术介绍
1. 物联网技术
物联网（IOT，Internet of Things），即基于传统计算机互联网，利用 RFID 和无线数据通信等技术，构建覆盖世界上所有物质的物联网.在这个网络中，系统能自动实时对物体进行识别、定位、追踪、监控并智能化处理。
业界认为，物联网应该具备的特征：一是全面感知，即物体的信息可以通过无线射频技术、各种传感器和二维码等随时随地获取；二是信息可靠传递，利用互联网与各种电信网络的融合，物体的信息可以实时准确地传递出去；三是信息智能处理，使用云计算、模糊识别等智能计算技术对海量数据和信息进行分析和处理后，可以对物体实施智能化的控制.本文提出了一种基于物联网技术的智能路灯监控系统设计方案，在城市路灯监控系统中对ZigBee，GPRS 和 GIS 技术进行了集成应用，实现对路灯系统的智能、精细和高效管理。
2. GPRS 技术
GPRS（General Packet Radio Service），即通用分组无线服务，数据以封包（Packet）方式来传输信息.GPRS 的传输速率可达 56 kbps，甚至到 114 kbps.GPRS 通过利用 TDMA 信道提供中速的数据传递.在 GPRS 分组交换的通信方式中，待传送数据信息被分成固定长度的包（分组），每个包前面含有一个分组头（其中地址标志分组目的地）.GPRS 数据传送前并不需要预先分配信道资源和建立连接，而是在每个数据包到达时，依据数据包报头中包含信息（如目标地址），实时寻找一个可用信道并将该数据包发送出去.在使用 GPRS 传输中，信道资源可认为是由全体用户共享，数据的发送和接收方同信道之间没有固定占有关系。
系统采用无线传感器网络中的网状网拓扑结构，实现单灯信息终端与网络集中协调器之间的数据通信.在每个控制点安装一个 GPRS 无线控制器，选用模块化、数字式的智能灯光控制模块，城市照明控制中心与网络集中协调器之间的数据传输是通过 GPRS 网络实现的.将 ZigBee 和 GPRS 技术结合，构建新型的路灯监控模式，可对路灯进行单灯控制，并有效节约能源，从而实现城市照明的智能化管理.此外，将外接防盗装置（如线路防盗器、变压器防盗器等）的开关量输出信号接到监控终端的开关量输入端，当设备被盗或故障时监控终端的开关量输入信号会立即发生改变，监控软件通过遥测就能判断相关设备异常，向管理人员发出告警信息。
3. ZigBee 技术
该技术是一种低功耗、低速率、近距离、低成本和低复杂度的双向无线通信技术.常用于距离较短、功耗较低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输，或用于典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据的传输。
ZigBee 技术凭借通信可靠、功耗较低、网络容量大和组网容易灵活等特点成为路灯控制的新选择.它支持星状网、集群树状网和网状网这 3 种主要的自组织无线网络类型.本系统采用网状网，这种结构非常适合应用在照明产品管理中.路灯线路上相邻两盏灯间的距离不超过 50 m，每盏路灯加装一个 ZigBee 无线传感模块，模块之间互为路由，将信息传至网络集中协调器，然后通过 GPRS 网络实现与城市照明管理中心间的数据传输。
三、关于物联网技术的智能路灯控制系统总体设计
1. 硬件系统设计
智能路灯控制系统的设计要实现节能和实时控制功能，在满足日常路灯照亮需要的同时，通过对路灯进行亮度调节的控制实现路灯的节能，实时控制可以对路灯系统出现的异常数据进行判断，减少维修人员日常维修和维护的难度，也可以达到节约开支的目的。智能路灯控制系统硬件设计要完成以下功能的需要，第一在单灯控制器的设计上，对与单灯控制器相连的路灯进行功率、运行时间和亮度值等数据的测量，也可以增加光照感应器等有用的功能设计。第二在三相耦合器的设计上，我国路灯线路的设计都是以三相电为基础，三相耦合器的设计可以实现负载均衡，减少了线路设计的难度，帮助数据集中器把另外两相电的信号耦合到数据集中器上。第三在信号隔离器的设计上，智能路灯控制系统的硬件基础设施是以原有的硬件设施为基础建立的，信号的传输也是以原有硬件连接方式来实现的。路灯连接方式如图2 所示。
图2 路灯连接方式
每一根线都是每一相电进行传输的主干线，灯节点代表输入的远端或者电流的终端，电力载波受到干扰小，但是随着原有线路的扩大，在与单灯相连的线路上安装了很多用电终端，这样造成信号干扰，为了避免信号干扰，在电力线干路上添加信号隔离器，信号隔离器连接方式如图3所示。
图3 信号隔离器连接方式
2. 软件系统设计
在基于物联网技术的智能路灯控制系统软件设计中包括两方面，一是终端监测软件的设计，终端监测软件主要是安装在远端服务器上的，通过功能模块进行控制；二是通信模块，根据传输功能的特点设计的新模块。系统软件是和用户直接接触的应用终端，系统软件界面设计要简洁美观，根据用户的需要来设计控制界面。系统软件要实时的把操作人员的控制指令发送给各个硬件的设备层，实现对硬件的控制，还要把下层的数据信息发回到上层软件的控制系统。系统软件的设计开发都是Java Web技术开发的，Java Web技术是把Java技术应用到互联网中并和Web技术一起解决相关的问题。WEN技术包括两部分，分别是Web服务器和Web客户端，Java在客户端主要应用Java applet技术，Java在服务器端的应用主要是JSP和第三方框架，Java技术为Web提供技术上的支持。系统作为一个控制软件终端，在终端功能设计上的功能模块主要有路灯监控，故障报警、开关等计划和控制器管理等模块等，路灯监控功能模块显示每条街道路灯的基本信息以及每个路灯的运行情况。故障报警功能模块对故障信息进行记录然后进行上报，便于工作人员对路灯进行维护，工作人员可以按照自己的需要对报警信息进行检索等操作。开关灯计划功能模块在路灯的开关灯设置上更加灵活，以最小的时间为单位对时间进行配置，根据异常情况和季节的变化来调整开关灯计划。控制器管理功能模块可以实现系统对控制器的设置，对控制器的连接情况进行记录。
结语
随着现代化城市的发展，智能路灯控制系统是一个城市现代化发展水平的体现。基于物联网技术的智能路灯控制系统是物联网技术在新的应用领域的探索，是物联网技术在应用领域中的延伸。
参考文献：
[1]刘宝.ZigBee 传感器网络在路灯远程监控系统中的应用[J].微计算机应用，2009.
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[4]于海成.物联网在智能化城市照明节能监控管理系统中的应用[J].自动化博览，2013.
论文作者:张文榜
论文发表刊物:《基层建设》2017年第23期
论文发表时间:2017/11/16
标签：路灯论文; 控制系统论文; 数据论文; 技术论文; 集中器论文; 智能论文; 终端论文; 《基层建设》2017年第23期论文;