基于Zigbee协议的智慧节能路灯

薛曼玲　冯开革　宋鑫　宋雪林

摘 要：路灯作为城市照明的主要组成成分，在夜晚其照明的同时，也消耗着巨大的能量。我们的系统便是针对夜晚路灯能源消耗问题，所提出的一种智慧节能系统。道路路灯控制系统目前在城市中的用途非常广泛，但多数的路灯控制系统的设计是根据制定好的时间来开关灯。我们为了节省能源，设计了基于Zigbee协议的智慧节能路灯，一个区域的路灯组件成一个灯联网，单个路灯能够根据环境中光的明暗变化自动开关灯的同时，还可以将本路灯或路段环境信息传输给其他路灯，使的其他路灯可以相应作出响应。比如平时夜晚时灯是低亮度，在其他路灯传输来或者是自身监测到人时会逐渐提高亮度。该系统基于可靠的硬件设计和稳定的软件算法实现了理想的设计效果，达到了节能的目的。

关键词：Zigbee协议；智慧；节能路灯；交通灯管制

中图分类号：TM923.5 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）15-0010-03

Abstract： As the main component of city lighting， street lamps consume huge energy while lighting at night. Our system is a kind of intelligent energy saving system aimed at the energy consumption of street lamps at night. The road lamp control system is widely used in the city at present， but most of the design of the street lamp control system is based on the established time to switch on and off lights. In order to save energy， we designed intelligent and energy-efficient street lamps based on Zigbee protocol. The street lamp components in one area form a light network， and individual street lamps can automatically switch on and off according to the brightness and darkness of the light in the environment. The environmental information of the street lamp or road section can also be transmitted to other street lamps so that the other lamps can respond accordingly. For example， usually at night when the light is of low brightness， and when other street lights are transmitted or monitoring people， it will gradually improve the brightness. The system is based on reliable hardware design and stable software algorithm to achieve an ideal design effect and achieve the purpose of energy saving.

Keywords： Zigbee protocol； wisdom； energy-saving street lights； traffic light control

隨着城市飞速发展，市政路灯数量更是呈现出跳跃式的增长，同时其也不可避免地消耗着大量电能。城市道路照明作为城市功能性照明，是整个城市夜间运行的基础，是不可或缺的，而城市照明系统的合理配置和有效运行，更是衡量一个城市市容、市貌的重要标志。因此，针对城市照明之路，积极实施能源管理路灯节能改造项目建设，有效推进能源管理路灯照明节能工作具有重大意义。

目前一般的传统路灯，主要是高压钠灯，一盏路灯的功率约为100W-400W，一些大型路灯功率可以达到1000W以上。我们现以一盏灯250W为例来计算，假设一晚上照明时长11小时（从晚7点到第二天早6点），则可知一盏路灯消耗的电能为250×11/1000=2.75度。假设灯与灯之间的间距是15米，那么一条长1千米的道路就有2×1000/15=133盏路灯（乘2因为道路两边各有一盏路灯），那么道路一晚上电能消耗量为2.75×133=365.75度，1年的电能消耗量是365.75×365=13.35万度。假设照明的有效时长为30%，那么一条街道电能浪费量就有13.35×0.7=9.3万度。对于中等规模的城市这样的街道可能就有100个以上，大规模城市这样的街道就可能有数百个，这样一个大规模城市每年只在路灯上电能的浪费量可能就高达数百到数千万度。考虑到全国有数百个大规模城市，中小型的城市则更多，那么总的电能浪费量是非常巨大的。

为了解决这一普遍存在的路灯浪费能源这一问题，我们产生了智慧路灯的想法。我们的实行方案是有一个远程控制终端，可对路灯实现远程点控、组控、群控、监测的同时，路灯与路灯之间还可以相互的“交流”，实现一种路灯自主的节能。

1 系统研究内容

1.1 模块插件功能

因为不是每个路灯节点上面都需要全部的功能，同时若每个节点都安装上全部功能只会造成资源浪费并且成本太高。所以我们采用模块化插件设计。每一个路灯节点都留出多个安装端口，可扩展安装检测模块，监测模块，Zigbee无线传输模块，总控模块、太阳能充电+风力发电+电能储蓄模块。

1.1.1 检测模块

含有检测模块的节点可通过传感器对周围环境的状况进行检测。主要包含路况检测、环境检测和自身监测三大内容。

1.1.2 Zigbee传输模块

包含节点间传输（小型Zigbee传输）和路段间传输（大型Zigbee网关）。用于节点间、路段间和节点与路段间信息的传输。

1.1.3 总控模块

接收和处理各种信息，设置各个模块的各项功能，能够对整个系统的运转做出控制。

1.1.4 新能源发电模块

包含太阳能充电+风力发电+电能储蓄模块，主要利用太阳能、风能新能源发电。

1.2 记录交通信息功能

每个路段都能“记忆”每晚的车流量的信息，然后通过算法智能判断得出平均每天车流量较大的时段来关闭节能功能，即让路灯保持长亮状态。这样一来，在车流量大的时段关闭节能，能达到更有效的保护路灯的目的。

1.3 Zigbee信息传输

Zigbee是一种新兴的无线短距离、低速率的传输技术。因其功耗小、价格低、延时短、安全性高且最多支持65000个无线数传模块的特点。我们采用无线Zigbee协议进行数据的传输。

1.3.1 节点交互

路灯节点之间都可以通过Zigbee传输协议进行信息的“交流”即数据的传输。

1.3.2 分级传输

每个路灯节点的数据都可以传输到本路段或其他路段Zigbee网关处再由Zigbee网关迅速传输到控制终端。

1.3.3 交通灯智能管理

目前交通灯基本都是采用定时切换的工作方式，这种方式效率很低。我们在传统模式的定时切换的基础上，根据路灯节点反馈的路况信息，判断出每条道路上需要通过车辆的数量和路口处行人的数量，再通过Zigbee网络将各路口车辆和行人数据汇总到交通灯中心的处理器上，根据每条道路的车流量，按照一定的算法就可以计算出最优化的交通灯切换时间。这样可以将车辆整体的排队等待时间减少，提高道路的利用效率，同时减少了汽车因为等待造成尾气的排放量，这也是一种环境保护的方式。

1.3.4 终端远程控制

接入路灯“灯联网”，通过Zigbee實现远程监控、节能管理每一盏灯，实现路灯“四遥”监控功能。路灯“遥控”：点控、间控、组控、群控；单灯“遥调”：单灯调光范围30～100%；单灯“遥测”：实时测量单灯电压、电流、当日开关灯次数等参数。

1.3.5 移动端远程控制

市民可以通过移动端（手机，平板）来通过网络接口来访问控制终端进行路况查看以方便出行，但市民只有访问权限无法控制路灯。同时有专门的远程移动控制器，可以实现远程可移动的对路灯进行控制。

1.3.6 节点自动报警

在路灯节点故障、Zigbee网关故障或线缆损坏时进行报警通过短信或邮件，提醒管理者及时处理。

1.4 多种照明模式

照明模式可以通过终端和移动控制端进行调整设置（默认有两个模式，管理者可增加）。

1.4.1 间灭灯模式

一段时间未检测到车隔一个灯亮一个，当自身检测到周围一定距离有人或车或者是由交互信息得知周围一定距离内有人或车时，灭的灯就逐渐全亮。之后检测不到时就再慢慢返回间灭灯模式。

1.4.2 半夜灯模式

一段时间未检测到人或车以微弱亮度（40%-50%）照明，当检测到一定距离有人或车或者是由交互信息得知周围一定距离内有人或车时，灯的亮度就逐渐增亮。之后一段时间内检测不到人或车时就慢慢变暗。

2 系统关键问题

2.1 基于Zigbee协议的节点交互

本系统需要数据采集和监测的节点比较多，并且要求设备成本低，要求数据传输可靠性高，但传输的数据量不大。

Zigbee协议适应无线传感器的低花费、低能量、低容错率等的要求，且在数千个微小的传感器之间相互通讯效率非常高，这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，满足我们的需求。

2.2 分级传输

每一个路段都有一个大型的Zigbee网关，每个路灯节点的数据都可以传输到本路段或其他路段Zigbee网关处再由Zigbee网关迅速传到控制终端（如图2）。而由终端控制节点时先反馈给网关，再由网关反馈到节点。

2.3 终端营建和移动端的支持

本项目需要一个总控端，具有控制功能和一个信息呈现功能。

2.3.1 控制功能

终端可以实现对节点的远程遥控。控制终端接入路灯“灯联网”，通过Zigbee实现远程监控、节能管理每一盏灯，实现路灯“四遥”监控功能。路灯“遥控”：点控、间控、组控、群控；单灯“遥调”：单灯调光范围30～100%；单灯“遥测”：实时测量单灯电压、电流、当日开关灯次数等参数。

2.3.2 信息呈现功能

来对各个节点上传的信息进行整合并呈现在网络上，方便民众出行。民众能用手机访问终端了解路况，以合理选择出行路线。

3 系统的实施方案

方案计划一共有两个终端。路灯节点和远程控制体系。

3.1 路灯节点

主要是包含总控模块、Zigbee无线传输模块、太阳能充电+风力发电+电能储蓄模块、检测、监测模块、路段大型Zigbee传输模块的路灯节点的搭建。

3.2 远程控制体系

主要包含远程PC控制端、远程移动控制端和网络端的一套远程监测和控制体系。

4 结束语

下面提出本系统需要优化完备的功能：

4.1 Zigbee通讯网络的优化

Zigbee网络需要进行算法处理的优化，以减少通信延时，提高通信的精准度和效率。

4.2 路灯交互处理算法的优化

路灯与路灯之间的交互很重要，既需要保证交互的准确性，又要保证数据的完整性。

4.3 交通灯智能管理算法优化

基于交互网络的交通灯智能管制，需要庞大的信息处理，算法较复杂需要继续优化。

参考文献：

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[2]汤伟康.节能路灯控制系统的设计[J].信息技术，2014.

[3]姚树香.基于ZigBee的LED智能节能路灯控制系统方案设计[J].赤峰学院学报（自然科学版），2015.

[4]李皓.基于ZigBee的无线网络技术及应用[J].信息技术，2008.

[5]郑勤创，徐施翮.智能节能路灯设计[J].装备制造技术，2013.