基于北斗的LED路灯故障检测与报警系统设计

袁学松，张　静

1.安徽机电职业技术学院信息工程系,安徽芜湖，241000；2.合肥工业大学计算机与信息学院，安徽合肥，230009

基于北斗的LED路灯故障检测与报警系统设计

袁学松1，2，张静1

1.安徽机电职业技术学院信息工程系,安徽芜湖，241000；2.合肥工业大学计算机与信息学院，安徽合肥，230009

摘要：针对当前城市照明系统中常见的LED路灯故障检测、上报困难，故障响应速度慢等问题。通过对LED路灯常见的故障特征、短距离无线通信技术与北斗通信系统中短报文数据传输等技术的研究，设计了一种基于北斗模块和ZigBee模块的路灯自检装置与报警系统。该系统通过多传感器检测路灯故障，并将故障点使用ZigBee技术传输至控制箱。控制箱内的北斗模块同时将故障信息传输给处于商用基站盲区维护人员的北斗设备上。实验测试结果表明：该系统能准确的检测照明系统的故障，并为维护人员提供路灯的故障参数，有很好的实用价值。

关键词：北斗通信系统；ZigBee；故障检测；城市照明系统

LED路灯作为一种照明工具，在人们日常生产生活中是必不可少的。由于缺乏路灯故障检测设备和及时的报警机制，城市中路灯报修工作通常还是人工来完成的。在一些偏远的乡村或基站难以覆盖的山区，一旦路灯发生故障，维护人员很难准确地定位及修复，给当地人们的出行带来不便。当前的路灯故障检测装置通常使用路灯电源供电，当发生断路等严重故障时，将无法报修。同时，这些检测装置大多使用的是GSM技术，通信依靠基站，在一些没有信号的地方也无法工作。因此，需要设计和研发出一种能够为维护人员及时提供故障位置和故障类型的路灯检测与报警装置。

1相关技术背景与问题描述

本节将着重介绍LED路灯的常见故障和检测方法及相关的数据传输技术。数据传输技术包括：系统每个路灯节点故障检测装置与路灯控制箱接收装置数据传输使用的ZigBee技术和路灯控制箱与数据服务器乃至维保人员的移动终端交互使用的北斗短报文传输技术。

1.1LED路灯故障描述

在日常生活中经常可以看到工作中的LED路灯出现不亮、亮度明显不足或闪烁的现象，这表明路灯的LED光源处于失效状态。在国际规定和我国的实际情况，主要把LED的路灯故障分为：供电故障、封装与芯片故障、电过应力故障和热过应力故障等[1-2]。这些故障大多是由于产品质量、用户使用不当、芯片被短路击穿、严重静电损伤等原因所造成的。下文将针对这些故障点设计相应的故障检测传感装置。

1.2北斗短报文传输技术和ZigBee技术

1.2.1北斗技术

北斗卫星导航系统(BDS,Bei Dou Navigation Satellite System)是全球第四大卫星导航系统，仅次于美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯和欧洲的伽利略导航系统。2003年发射的第三颗卫星已形成了Beidou I。遵循着“先区域后全球”的建设原则，2012年北斗系统已覆盖了整个亚太地区。为服务区域提供连续无源定位、导航和授时服务，同时它的性能也大大提高，在建立标校站的前提下能达到水平20米的精度[3-6]。北斗系统在提供定位等服务的同时提供了一种其他导航系统不具备的短报文的通信服务功能[7]。这种功能逐步地向民用开放，被广泛地应用于交通、航天、气象、水文观测等领域。

BDS的短报文传输技术的主体是空间卫星、地面控制中心和普通北斗用户的终端设备，三者间可以互相进行双向的数据传输，每次最多可以传输120个汉字的短报文数据[5]。由北斗通信管理机构颁发的北斗IC卡是每个通信终端的唯一身份标识。当终端A需要发送数据给终端B时，A先给需发送的数据进行加密处理(保证数据安全)。加密后的数据和终端的标识被发送给卫星，卫星将数据发送给地面控制中心，控制中心经过解密再将数据加密并通过卫星传送给接受方B。在这个通信过程中，地面中心站全程参与。在本系统中，将北斗短报文传输技术应用于路灯控制箱内，用来将故障信息传送给数据服务器。

1.2.2ZigBee技术

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗、短距离局域网无线通信协议,工作在2.4 GHz频段下[8]。ZigBee技术是一种可靠的无线传输技术，传输距离可达到数百米，基本满足了系统的要求。同时，它采用动态路由和网络拓扑结构来解决数据的可靠传输问题。本系统中ZigBee技术被应用在路灯故障检测模块和路灯控制箱的通信中。

2LED路灯检测与报警系统设计

2.1系统总体结构设计

本文设计的基于北斗的路灯检测与报警系统由路灯故障检测装置、路灯控制箱装置、路灯管理数据和日志服务器组成(图1)。其中路灯故障检测装置是嵌入在路灯杆中的装置，该装置对各类传感器(如光感传感器、温湿度传感器等)传来的数据进行分析，并判断该值是否在合理的范围内。如果传感器测量值超过了阈值，则通过装置内的ZigBee模块向有效传输范围内的LED路灯控制箱传送报警信息和相关故障数据参数。控制箱在收到检测与报警装置的信息后将以短报文的形式，通过北斗模块向卫星发送信息，信息内容为产生故障的时间、大致经度纬度、故障类型等信息。当信息被传送到路灯管理数据和日志服务器上，服务器产生报警消息，通过北斗卫星短报文机制传送给相应的维修人员。下文着重介绍嵌入在路灯中的报警装置和为该系统所设计的北斗短报文传输的通信协议。

图1　系统总体设计图

2.2LED路灯检测与报警装置设计

图2　装置外观和组成

该装置的外观如图2所示。它是由镶嵌在路灯灯杆上的装置主体和一块太阳能电池板组成的，适用于任何型号的LED路灯。安装时，只需按要求在灯杆上打相应大小的孔径即可，既方便又易于重复利用。太阳能电池板是给装置供电。整个装置的工作流程如图3所示。首先，当装置上电后会自检，检查自身的各个传感器模块是否工作正常，如果工作不正常，则通过ZigBee模块向控制箱发送错误信息。当自检结束后，通过控制电路维护自身蓄电池电量。当确认自身可以正常工作时，进入数据采集和比较阶段，在这种工作模式下，MCU将各传感器实测的数值和预设的阈值进行比较，如果超出或低于阈值则进行告警，同时通知断路控制器给LED灯具停止供电，等待维修。

图3　LED路灯检测与报警装置工作原理流程图

路灯控制箱是对LED路灯进行开、闭控制的装置。在本系统中对路灯控制箱进行了改进，在原有功能的基础上增加了ZigBee接收模块和北斗短报文数据发送和接收模块。当收到服务范围内的路灯ZigBee告警信息后，控制箱中北斗模块将编制特殊格式的消息与路灯管理机构相应服务器通信。数据和日志服务器在收到消息后存储日志记录，同时将该短报文信息发送到相应维修人员的北斗移动设备上。

2.2.1电源供电模块设计

根据上述的总体设计，对电源部分的设计既要考虑能给本装置提供稳定的电源，同时当LED路灯发生故障时能够及时切断电源供电，让路灯关闭，等待维修。从而避免路灯长时间在损坏状态下工作，以防引起更大的安全隐患，从而提高路灯的安全性。在结构设计上，电源模块主要由太阳能电池板、蓄电池组、供电控制电路和电压与电流比较电路组成。

图4 智能电源供电流程图

太阳能电池板采用光电转化效率较高的多晶硅材料，主要是负责给蓄电池组提供电能。整个检测过程与报警装置的电能都是由蓄电池组供给，市电不参与供电。供电控制电路通过变压器将蓄电池提供的电压转化为各传感器芯片组所需要的不同的工作电压，保障MCU和各传感器正常工作。供电控制模块的工作原理如流程图4，具体工作流程如下：

(1)当装置自检发现自己的电量<50%，不足以持续给装置提供稳定的电源时，市电将直接给蓄电池充电，同时蓄电池持续为装置供电。

(2)当判断电量>50%时，智能供电模块将判定太阳能电池板是否可以给电池充电，如果不行，仍然通过市电对蓄电池进行充电。当太阳能板能产生足够的电能给蓄电池充电时，改由太阳能给蓄电池充电。

(3)当供电模块判断电量小于80%时，继续进行(2)操作。

同时，在供电模块中还设计有电压和电流控制电路(图5)。当给LED灯具供电的电压或电流经过比较器后，控制电路发现其超过了灯具的电压阈值则控制电路断开市电供电。这样，光感传感器发现路灯故障则通过ZigBee模块报警。

图5 电源控制装置

2.2.2各传感器模块设计

在本系统传感器的设计上，主要使用了光感传感器模块和温湿度传感器模块，并在板卡上预留了相应模块的空间，便于对系统进行扩展。图6是各传感器和MCU的工作模式。

图6　故障检测装置传感器和相关模块

(1)光感传感器模块。光感模块是故障检测的重要部件，LED路灯发生故障时的表现形式为不亮、亮度减弱、闪烁等，同时还要考虑环境光对传感模块的影响，所以光敏原件安装在太阳能电池板的中心位置。这个位置正对着LED路灯，可以避免其他光源的干扰。系统在对该光感传感器的设计上充分考虑到传感器的敏感度，选择抗干扰能力强的光敏二极管(如S1133 DIP-2直插式)和相应的数显模块(如TSL2561)。光感模块将处理过的数值传送给MUC，如果产生高于或低于阈值的情况，则MCU控制电源断路并上报故障参数。

(2)温湿度传感器模块。LED灯体内的温度和湿度是检测故障的重要参考标准。当温度和湿度达到灯具的设计上限值时，MCU可以强制供电模块断路，达到保护灯具的功能。如果由于温湿度的原因发生故障，传感器会采集到故障时候的数据供维修人员参考。在设计上，温湿度传感器均采用了能够数显的传感器设备(如HS1101LF等)，传感器将信号传送给MCU，MCU通过A/D转换，并通过ZigBee射频模块发送给路灯控制箱。

3一种短报文的传输通信协议设计

为了使路灯控制箱中的北斗模块、数据日志中心和维修人员的北斗移动设备之间能很好地通信，系统为每种设备之间的通信分别设置了不同的通信协议。

当传感器感应到故障产生后，通过射频模块将故障信息传给路灯控制箱，此时箱内的北斗模块将这部分信息及时传给数据和日志服务器。在这个过程中，由于需要记录详细的故障点、经纬度数据和故障LED路灯的序号，通信量较大。系统为其设计了16个字节的报警协议(图7)。

图7　故障远程传输短报文协议

在传送给数据中心的短报文中主要描述故障地点(5字节)、产生故障的设备IC卡号(2字节)和发生的时间(4字节)，并将1个字节的故障代码和1个字节的路灯编号传给服务器。数据和日志服务器在接收到故障报警后，通过维修通信协议发送给维修人员的北斗设备(图8)。该协议不需要详细描述故障时间和地点，所以系统为其设计了6字节的传输协议。维修人员在看到报警设备IC卡号后，通过自身设备的数据库查询找到故障的大致地点，然后通过路灯序号找到具体的故障路灯，同时通过故障代码了解故障的类型进行维修。

图8 维保通信协议

4测试实验结果

当系统处于正常工作状态时，通过实验分别测试装置的传感器、智能电源工作装置、ZigBee报警装置和北斗传输装置的工作情况。第一次实验使用升流器测试电源控制模块的断路控制器，当大电流通过时检测装置自动断路，LED灯具停止工作并触发报警，同时在数据和日志服务器及巡检设备上均能收到短报文信息。第二次实验使用强光闪烁照射光感传感器，同样，检测装置自动断路，巡检设备上收到服务器发送的故障IC卡号和故障代码等信息。测试结果表明：该系统能够有效地检测出路灯的故障，并通过北斗短报文协议及时上报数据和日志服务器，解决了基站盲区的通信问题，并提高了故障点检测的准确性和上报的及时性。

参考文献：

[1]刘学.LED路灯可靠性设计技术研究[D].沈阳:沈阳理工大学机械制造及其自动化学院,2011:13-16

[2]张语.太阳能LED路灯智能化控制系统的设计与研究[D].武汉:武汉轻工大学电气与电子工程学院,2013:8-18

[3]杨元喜.北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战[J].测绘学报,2010,39(1):1-6

[4]谭述森.北斗卫星导航系统的发展与思考[J].宇航学报，2008,29(2):391-396

[5]朱永辉．基于北斗卫星的地质灾害实时监测系统研究与应用[D].北京:清华大学土木工程系，2010:22-30

[6]李亚军,谢云开,徐晓晗.基于北斗+GPS+GSM的远程目标无线监控系统[J].科学技术与工程，2012,12(14):3369-3372

[7]刘天曼.北斗卫星导航系统B1频段信号分析研究[D].上海:上海交通大学仪器科学与工程系,2013:1-11

[8]田亚辉.基于ZigBee的城市路灯无线监控系统研究[D].大连:大连理工大学电子信息与电气工程学院,2013:10-44

(责任编辑：汪材印)

doi:10.3969/j.issn.1673-2006.2016.05.027

收稿日期：2016-02-18

基金项目：安徽省教育厅高校领军人才引进与培育计划项目“基于ECC的802.16安全策略研究”(gxfxZD2016324)；安徽省教育厅省级教学团队(2014jxtd99)。

作者简介：袁学松(1982-)，安徽芜湖人，硕士，讲师，主要研究方向：网络仿真技术、无线传感网、数据挖掘、物联网技术。

中图分类号：TN914

文献标识码：A

文章编号：1673-2006(2016)05-0100-04