基于ZigBee的城市路灯智能监控系统的设计

朱玲媛，徐文涛，刘邦超，陈 殷，王政伟

（1.南京航空航天大学 计算机科学与技术学院，江苏 南京 210016；2.南京航空航天大学 理学院，江苏 南京 210016；3.南京航空航天大学 自动化学院，江苏 南京 210016）

随着国家城市化进程的发展，城市规模不断变大，人们对城市照明的需求也不断提高，方便高效的路灯监控系统对于一个城市现代化发展具有重要意义。很多发达国家已普遍采用计算机技术来实现对路灯的监控，大大节约了人力资源。与发达国家相比，我国的城市路灯控制系统还处于计时器/光感控制阶段[1]，智能化的研究还处于初期阶段，表现为：通过人工巡查及群众反映等方式实现路灯的开关控制以及故障排查；城市夜晚没有行人时，路灯也照常工作，浪费了能源；路灯工作状态没有存档，不方便日后的查询。以上缺点不但消耗了大量的人力、物力和财力，而且实时性差，故障的上报率较低，故障处理率也低。最重要的是路灯控制手段不灵活，无法实现单点控制和按需照明，导致照明能耗的浪费，因此实现路灯的智能监控刻不容缓[2]。

ZigBee技术是一门新兴通信技术[3]，利用该技术可以实现终端节点的联网，并通过互联网对终端进行跟踪和管理，ZigBee技术的发展使路灯的网络化和智能化管理成为可能。在本路灯智能监控系统中，使用ZigBee节点将路灯与传感器组成一个无线传感网络，传感器对路灯工作状态，如有无行人、路灯是否出现故障和光强等信息进行采集，通过无线传感网络将状态信息通过网关上传至网络服务器中，实现用户远程监测与控制。

1 系统整体方案设计

本系统设计了基于ZigBee/GSM和WEB服务器的智能路灯监控系统。该系统通过多种传感器采集工作环境参数（如光强）并通过ZigBee终端节点将参数传输至ZigBee协调器。ZigBee协调器将数据通过串口传输至计算机服务器，本系统在计算机上搭建了WEB服务器，最终可由互联网终端利用浏览器访问服务器网站实现实时监测和远程控制。为了实现对路灯的本地控制功能，本系统在单片机网关中对实时采集到的数据加以分析，并反馈调节路灯亮度，同时启用故障检测功能，若出现故障，利用GSM模块将报警短信发送至路灯维修人员处。综上，本系统在路灯信息监测、路灯故障报警、路灯远程控制三方面对城市路灯进行高效、智能化、网络化的管理。系统结构如图1所示。

图1 系统结构图Fig.1 Structure diagram of system

2 系统硬件设计

硬件部分主要包括：ZigBee模块、传感器模块、UART接口、GTM900C、计算机等。本系统中，传感器单元中包含霍尔电流传感器、红外传感器和光敏传感器，分别用于采集路灯故障信息、行人信息和光强信息。ZigBee模块选用TI公司生产的C2530芯片，该芯片集成了Z-Stack协议栈，可以方便的实现自组网，建立无线传感网络。为实现故障报警功能，系统通过串口将GSM模块与ZigBee协调器相连，当出现路灯故障时，GSM模块以短信的形式将故障信息发送至相关负责人。本系统硬件结构如图2所示。

图2 硬件结构图Fig.2 Structure of hardware

ZigBee的无线传输网络为树形拓扑结构，结点按层次进行连接，主要在上、下结点之间进行信息交换，即终端与路由器交换信息、路由器与协调器交换信息，适用于汇集信息的应用要求[4]。ZigBee无线传输网络图如图3所示。

3 系统软件设计

图3 ZigBee无线传输网络Fig.3 ZigBee wireless transmission network

本系统采用B/S模式使用户实现远程监控路灯的功能，B/S模式由3个模块组成，包括客户端、WEB服务器和数据库服务器。客户端仅仅使用浏览器即可访问服务器，事务处理放在服务器端，数据处理则由数据库服务器进行，这样用户就可以通过网络进行异地数据访问，最终实现路灯的监控。系统软件平台为Microsoft Visual Studio2010和Microsoft SQL Server2005，主要工作包括WEB服务器的搭建，数据库建立及事件处理和服务器端程序的开发。当系统为监测模式时，计算机通过串口，按照设定的时间定时通过串口向ZigBee协调器发送数据采集命令，对ZigBee协调器的数据进行接收，并将数据传送至控制中心，控制中心通过入库线程将数据入库，同时更新最新的路灯状态；当系统为控制模式时，通过外部中断的方式向ZigBee协调器发送控制命令，由无线传感网络进行转发，最终由ZigBee终端节点通过路灯控制单元对路灯进行控制。由于是B/S结构，所以使用普通浏览器即可查看或控制[5]。普通用户登陆只能查看路灯状况，管理员身份登陆还可以控制路灯工作状态。服务器端程序流程图如图4所示。

图4 服务器软件流程图Fig.4 Flow chat of Web software

4 系统测试

4.1 测试方法

系统调试主要分为硬件测试和软件调试两部分[6]。硬件测试主要检测系统的硬件是否正常工作，包括ZigBee结点的硬件测试和嵌入式网关的硬件测试。采用方法：人工改变路灯的运行状态，设置虚假“紧急”情况，检测是否能收到报警短信。软件调试是在硬件正常工作的基础上来检测软件是否能实现远程监控以及自己搭建的服务器的压力测试。采用的方法：人工改变路灯的运行状态，检测是否能正确显示以及控制是否有效；压力测试方面，由于用于搭建服务器的主机为个人电脑，所以实际抗压性能并不强，但是作为模型检测，它是可行的。系统软硬件整合后，通过计算机对系统进行双向的监控。

4.2 效果图

整体调试的效果图如图5所示。

图5 效果图Fig.5 Monitoring interface

5 结 论

本系统将物联网技术应用到对路灯的管理中，利用了ZigBee技术，计算机技术和传感器技术构建了智能城市路灯监控系统。经过测试，本系统可以实现对路灯的远程监控和管理，并能够实现故障定位和自动报警功能，节约了路灯维护工作的人力成本，并减小了照明能耗，为传统的路灯管理方法创新提供了新的思路。

[1]宋剑飞.基于ZigBee的智能路灯控制研究[D].河北：河北科技大学，2011.

[2]甘典文.基于ZigBee/GSM的无线粮情远程数据传输终端的研究与实现[D].北京：北京邮电大学，2011.

[3]张慧，王建华.基于ZigBee的高校宿舍防火防盗监控系统设计[J].电子设计工程，2014，22（6）：148-149 ZHANG Hui，WANG Jian-hua.Design of a fireproof and burglar-proof monitoring system for university dormitories based on ZigBee technology[J].Electronic Design Engineering，2014，22（6）:148-149.

[4]张颖斐.基于GSM智能路灯监控系统的研究与设计[D].甘肃：兰州交通大学，2013.

[5]陈鑫.路灯监控系统设计与实现[D].福建：厦门大学，2006.

[6]刘佶，徐群.ZigBee无线传感网络技术在油田信息采集系统中的应用[J].电子设计工程，2014，22（5）：157-160.LIU Ji，XU Qun.Smart oil field information collection system design based on ZigBee[J].Electronic Design Engineering，2014，22（5）:157-160.