基于ZigBee的路灯控制系统设计
中国照明学会《照明工程学报》
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2016-07-08
耿晓明1,2，文玉梅1
1.重庆大学光电工程学院；2.重庆四联光电科技有限公司
引言
城市道路照明系统作为城市基础设施的重要组成部分，在提高夜间交通安全、提升市民满意度和城市形象等方面起着越来越重要的作用。随着市政照明规模的扩大，城市路灯的用电量、管理和维护费用大大增加。近几年，国家和各地方政府纷纷出台鼓励城市照明节能政策，采用节能效果较好的LED照明产品替换传统的钠灯、汞灯等，同时采用照明控制系统进行按需供电、按需照明、分时分组调光等技术进行二次节能，提高系统的管理效率，降低照明能耗、管理成本和维护成本。
同时，由于路灯遍布城市各个角落，路灯控制系统可以扩展为智慧城市物联网系统的基础网络平台，灯杆为物联网设备提供安装位置，方便集成各种传感器和设备，实现与智慧城市的交通、物流、安全、信息发布和水电气管路监测等系统的融合。
1 系统方案设计
根据路灯控制要求，照明控制系统功能设计如图1所示。
系统主要管理的设备包括路灯、灯杆、路灯控制器、集中器、配电箱及其它需要扩展的设备等，在系统运行过程中，还需完成路灯控制器与灯杆的绑定、路灯控制器与集中器的分配、灯杆和配电箱地理位置的绑定、灯具和设备的分组、系统控制策略和情景模式的设定等工作.系统除接受终端设备主动上传的数据及报警信号外，还要定期对每个路灯运行情况进行轮询，获取路灯工作状态、报警、电力参数等，并将轮询数据存储在数据库中，以备后期数据处理、统计及报表打印等。
图1 照明控制系统功能树
系统整体架构如图2所示，由应用层、服务层、汇聚层和节点层构成，其中：各服务器和客户端相关设备放置在主控室，完成系统的配置、用户操作、远程数据采集存储和设备监控；集中器是系统的网关和ZigBee子网的簇头，上行数据采用GPRS/3G移动通讯网络与服务器进行通讯，下行数据采用ZigBee无线通讯与路灯控制器进行通讯，完成数据采集、指令分发和路灯轮询工作；路灯由路灯控制器进行控制，从集中器获取指令，执行开关灯或调光动作，并获取路灯运行数据，如工作电流、电压、功率、温度等参数，上传至集中器。
图2 路灯控制系统架构图
2 路灯控制器设计
2.1 路灯控制器系统框图
路灯控制器安装在路灯上，用于完成与集中器的通讯、路灯的控制和数据采集工作，是该系统中数量最多的设备，且在室外工作，使用环境比较恶劣，因此对控制器电气性能、防护等级以及设备失效率的控制等要求较高。控制器的系统框图如图3所示。
路灯控制器与LED灯具的接口有开关和调光控制，其中开关采用继电器输出，调光控制接口采用1~10V调光。主控CPU采用32位的ARM Cortex-M0的LPC1112，成本低，片上资源比较丰富.通讯模块采用数据透传模块，电力计量芯片采用CS5463。控制器预留数据采集卡接口，使用SPI总线，可以方便接入由照度、振动、噪声等传感器设计的数据采集卡，提高系统可扩展性。
图3 路灯控制器框图
2.2 路灯控制器工作状态
控制器主要工作状态分为正常运行状态、出厂标定状态、远程升级状态等，状态机如图4所示。
图4 路灯控制器运行状态机
系统上电复位后Bootloader检测代码区的远程升级标志位和代码完整性，如果无异常则进入初始化状态，否则进入远程升级状态，远程升级状态执行系统固化升级代码，通过ZigBee接收升级指令和升级代码，擦写并校验代码.系统初始化完成后进入正常运行状态，在正常运行状态下，系统周期对CS5463进行采样[5]，计算并进行报警判断，如果产生报警则设置相应报警代码，可以监测的报警有电力计量芯片故障、过压、过流、欠压、过温、LED灯具模组坏、继电器故障等，部分报警处理流程图如图5所示。在正常运行状态下，系统通过串口获取集中器指令并执行，当接收到标定指令时，进入出厂标定状态，执行出厂标定流程，对EEPROM进行初始化，并对CS5463等外部设备进行标定，保存标定参数。
图5 路灯控制器报警处理流程
2.3 控制器产品的使用和升级
由于路灯控制器是近几年才开始使用的产品，对产品使用环境和产品的用户功能需求理解需要很长时间的实践、总结和升级.经过数年的现场使用，路灯控制器目前已经升级为第四代产品，产品在电气性能、防护等级、环境适应性、功能设计等方面有很大的提升，图6为第二代产品的控制器主板。
图6第二代路灯控制器主板
3 集中器和配电箱主控器设计
集中器和配电箱控制器是现场设备，其上行数据均采用GPRS/3G移动网络与控制中心的通信服务器直接连接.两种设备采用相同的ARM9核心板，运行Linux系统，根据各自功能需求分别设计控制主板和应用程序。
集中器是连接服务器和路灯控制器的网关，也是ZigBee子网的中心设备.系统框图如图7所示。
图7 集中器系统框图
集中器使用ZigBee通讯模块与子网中的路灯控制器通讯，接受服务器指令进行轮询、数据采集和路灯控制.集中器有本地控制策略，在上行网络断线的情况下，执行本地控制策略，以保证系统的正常运行。集中器有本地数据存储功能，可以存储路灯及其它传感器数据、本地控制策略、路灯控制器路由表等，并可根据服务器指令远程上传。
为增加ZigBee子网通讯效率，提高网络稳定性，集中器针对路灯控制系统分布区域广、节点位置相对固定的特点，对ZigBee路由算法进行优化，同时设计了路灯控制器路由表缓冲池机制。
配电箱控制器作为一种终端设备，用于远程控制路灯供电回路，采集回路电压、电流等信息，其系统架构和软件设计与集中器类似，标准配置多路模拟输入、数字I/O和2路RS485通讯，可以灵活扩展照度传感器、电量计等其它采集板或设备。
4 通讯设计
通讯设计是路灯控制系统设计工作的核心之一，对于系统的功能实现、系统稳定性、安全性等起到至关重要的作用.该系统的通讯包括服务器与客户端、服务器与集中器、服务器与配电箱、集中器与路灯控制终端、数据采集卡等多种通讯，为简化系统的设计，其中服务器与现场设备以及现场设备之间的通讯均采用自定义的通讯帧结构进行数据交互。
通讯帧的通用定义如图8所示。各层次的通讯再根据各自需求进行命令集及相应数据的设计。
5 系统应用现状总结及展望
路灯控制系统设计开发完成后，已经批量生产，在全国多地使用，累计销售路灯控制器终端节点达8万余个。
以重庆市某区的路灯改造项目为例，该区主城区共有119条路，总长200公里，路灯12103盏，改造前使用高压钠灯，主干道采用400W路灯5459盏，次干道采用250W路灯4325盏，支路采用250W路灯2409盏，路灯改造项目将全部高压钠灯替换为LED路灯，并采用智能路灯控制系统，其中主干道路灯功率175W，次干道105W，支路70W，主干道采用下半夜半亮的控制策略，次干道和支路采用下半夜20%亮度控制策略。改造后路管所路灯控制室见图9。
图9 路灯控制室现场
改造后节能效果如表1所示，每年仅节电就达1007.44万度，按市政用电0.86元/度计算，可节约电费达866.40万元，相当于每年节约标准煤376.78万吨，减少SO2排放11.08万吨，CO2排放383.84万吨.其中，控制系统产生二次节能率达30.86%，在实际使用过程中，由于控制系统开启了自动光衰补偿功能，节能效果比理论节能效果更好。同时，由于情景模式和控制策略的使用，实现了路灯系统无人值守和故障自动报警功能，延长路灯使用寿命，大大减少了系统的维护、路灯巡检的工作量和路灯更换费用。
路灯控制系统经过几年的应用和发展，无论在系统的稳定度和实用性都有了很大的发展，但目前仍存在很多待解决的问题：
1）ZigBee网络用于路灯控制网络的组网规模较大，且使用环境较复杂，通讯的稳定性及组网效率有待提升；
2）路灯控制系统设备，尤其是路灯控制器和集中器的失效率和稳定度需要提升，用户功能也需进一步挖掘，提高系统给用户带来的效益和体验感；
3）工程施工及维护流程比较复杂，比如路灯灯杆编号、地理位置信息的采集、路灯与灯杆的绑定、路灯与集中器的分配、故障路灯更换后信息的变更等，大多数需要人工参与，给传统路灯管理所的工作增加很多工作量，增大了工作难度；
4） 由于利用移动通讯网络进行现场设备的控制，在运行过程中需要一定的运行费用；
5）系统的标准化、互换性，以及与智慧城市系统的系统及信息融合工作需要很长时间的发展。
当前，国际标准化及学术组织包括国际电工委员会IEC/TC274和IEC/TC34、国际照明委员会（CIE）、北美照明学会（IESNA）等正在积极进行照明控制系统的基础研究，目前已完成术语标准的草案。我国一些地方政府部门也通过开展智能路灯系统试点的方式，吸引大量对LED路灯控制系统感兴趣的厂家和公司，共同制定路灯控制的规范。国内众多企业也开始了路灯控制系统的开发和应用，相信经过各公司的广大技术人员和工程人员努力，未来路灯控制系统会为社会的进步带来巨大的经济效益，成为智慧城市乃至物联网发展的重要组成部分。
引用格式：耿晓明，文玉梅. 基于ZigBee的路灯控制系统设计[J]. 照明工程学报，2016, 27（3）：26.
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论坛主题：设计、应用、创新、发展
研讨内容：LED照明产品设计与创新，LED照明驱动与控制，LED室内外照明应用与创新，LED照明标准、检测与认证，智慧照明技术与系统研发，智慧照明项目实施与商务模式等
会议安排：2016年9月8日—10日
会议地点：济南南郊宾馆（山东省济南市马鞍山路2号）
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【征文通知】
论坛名称：2016年中国照明论坛——半导体照明创新应用暨智慧照明发展论坛
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