摘 要：针对传统的城市路灯监控系统铺设成本高、施工复杂、智能化程度低等问题，提出了一套基于ZigBee无线网络和GPRS技术的智能路灯监控系统。该系统采用ZigBee网络与GPRS网络相结合的方法对路灯进行远程监控。实验结果表明,系统成本低廉,经济实用,可靠性强,智能化程度高，是一套理想的智能路灯控制方案。

关键词：物联网； 路灯； 监控； ZigBee； GPRS

近年来随着社会经济的发展，人们对城市路灯的管理也越来越重视。城市路灯的控制是城市管理中一项重要的工作，据统计城市照明用电占整个城市耗电的15%左右，因此如何最大限度地提高城市路灯的管理水平成为一个当前研究的热点课题。目前我国城市采用的路灯控制系统普遍存在智能化程度低、成本高、能源利用率低等问题。路灯大多采用人工控制的方法，这种方式不仅智能化程度低，而且还易受人为因素的影响[1-4]。特别是控制系统多采用有线控制的方式，铺设线缆成本高，施工繁琐，难于维护。于是人们开始寻求价格低廉、智能化程度高的控制系统。

物联网技术是一项新兴的技术，广义上的物联网是信息空间与物理空间的融合，将一切事物数字化、网络化，实现高效信息交互方式，是信息化在人类社会综合运用达到的更高境界[5]，物联网技术正悄悄应用到人们生活的方方面面。

针对目前路灯控制中遇到的问题并结合物联网技术的特点，提出了基于ZigBee无线传感器网络和GPRS技术的智能路灯监控系统。该系统采用无线控制的方式代替传统的有线控制，摆脱了线缆的束缚，不仅施工简单，成本低廉，而且还极大地提升了系统的性能。

1 监控系统工作原理

智能路灯控制系统主要由控制路灯工作的ZigBee网络和GPRS远程数据传输模块两部分组成。

控制路灯工作的ZigBee节点包括以下三类，协调器节点、路由器节点和终端节点。其中协调器节点只有一个，路由器节点和终端节点都有若干个。协调器节点负责建立网络并与GPRS模块进行数据交互。路由器节点可以作为无线节点的中继控制器，同时也可以作为一个终端节点对路灯进行控制。终端节点只能接收控制信号并对路灯进行相应的控制。

GPRS模块与协调器节点通过串口相连接。GPRS模块可以将ZigBee网络收集的各节点数据通过GPRS网络发送到远程控制终端，同时也可以将远程控制终端发送过来的控制命令通过协调器节点传递给ZigBee网络。

系统工作原理:远程控制终端将控制命令通过GPRS网络发送到GPRS模块，GPRS模块再通过协调器节点将命令发送到终端节点，从而实现对路灯的控制。同时终端节点也可以将自身的状态通过GPRS网络发送到远程控制终端，从而实现对路灯的远程监控。系统的工作原理图如图1所示。

2 系统的硬件设计

系统的硬件电路主要由三部分组成：CC2430通信电路、路灯开关电路和GPRS模块与协调器节点的连接电路。

2.1通信电路

选用TI公司的CC2430芯片来构建ZigBee网络。CC2430的性能十分优异，单片的价格仅为几美分，这使得它可以以很低的费用构建ZigBee网络，结合TI公司业界领先的ZigBee协议栈，使得它具有很强的市场竞争力。另外CC2430还具有多种运行模式 ，这使得它十分适合搭建低功耗的系统。

由于ZigBee形成的是一种短距离的无线网络，覆盖的距离有限，因此当路灯之间的距离较远时，ZigBee控制节点之间传输的数据就很有可能不稳定。为了提高ZigBee节点信号的传播距离，增强系统的可靠性，有必要提高各节点的输出功率。为此选用TI公司的CC2591芯片。CC2591是一款性能优异的射频前端,可提供22 dBm的输出功率，而且可以与CC2430实现无缝连接[6]。CC2591 与CC2430相配合可以极大地增加无线信号的传播距离。CC2430通信电路原理图如图2所示。

2.2 路灯开关电路

系统通过控制终端节点I/O口的高低电平来对继电器的通断进行控制，进而控制路灯。由于CC2430芯片的各个I/O引脚的驱动能力有限，不能直接驱动继电器，于是选用TI公司的SN74HC04D作为输出缓冲，它与其他元器件配合间接控制继电器，进而控制路灯。路灯开关电路如图3所示。

2.3 数据远传电路

系统要求对路灯进行远程控制，然而ZigBee无线网络的一个特点就是近距离，为了实现远程监控，系统搭配了一个GPRS模块，ZigBee无线网络可以通过GPRS网络与远程控制终端进行联系[7]。本系统采用的GPRS模块是西门子公司的MC35i，该模块的体积小、功耗低，能够提供数据、语音、短信等功能，完全满足系统传输数据的要求。MC35i与ZigBee网络中的协调器节点通过串口相连接。

3 系统的软件设计

系统的软件设计主要包括两部分：GPRS模块子程序和ZigBee节点子程序。其中ZigBee节点子程序又包括协调器节点程序、路由器节点程序和终端节点子程序三部分[6]。

3.1 GPRS模块程序

GPRS模块是ZigBee无线网络与远程控制终端进行数据交互的桥梁。当GPRS模块检测到有协调器节点通过串口发送过来数据时，则将数据写入缓存区，然后再将数据发送出去。同时如果GPRS模块接收到远程控制终端发送过来的命令，则将命令通过串口发送给协调器节点，并最终传递到各个终端节点。GPRS模块的程序流程图如图4所示。

3.2 ZigBee节点程序

3.2.1协调器节点程序

协调器节点的主要作用是建立无线网络并与GPRS模块进行数据传输。协调器节点上电后会主动建立一个网络，然后等待路由器节点和终端节点的加入，并最终将所有的ZigBee节点组成一个网络。同时协调器节点还要接收由GPRS传输过来的命令，并将命令发送到其他ZigBee节点。如果其他终端节点需要发送数据，协调器节点还负责将数据通过串口发送到GPRS模块。协调器节点的主程序流程如图5所示。

3.2.2 路由器节点程序

路由器节点上电后会申请加入由协调器节点建立的网络，一旦加入网络路由器节点就进入监控状态。一方面监测有无其他路由器节点或终端节点申请加入网络，并根据情况做出相应反应；另一方面监测有无从协调器节点发送过来的命令，如果有则根据命令进行相应的读写操作。路由器节点的主程序流程如图6所示。

3.2.3 终端节点程序

终端节点的主要作用是监控有无从协调器节点发送过来的命令，如果有则根据命令对路灯进行控制。如果要读取自身状态，则根据命令将读取到的状态发送给协调器节点。终端节点与路由器节点不同，它只能接受控制命令并发送数据，而不能加入其他节点。终端节点的主程序流程图如图7所示。

4 系统测试

4.1点对点数据传输测试

根据设计需要，对系统进行了数据传输测试[8]。选用两个节点进行点对点通信测试，两个节点分别是协调器节点和终端节点。远程控制终端发送测试数据到GPRS模块，GPRS模块通过串口再将测试数据传输给协调器节点，协调器节点将测试数据直接传递到终端节点；终端节点收到测试数据后将其直接传递回协调器节点，协调器节点再将数据通过串口传递到GPRS模块，最后再由GPRS网络传递到远程控制终端，在远程控制终端对数据进行分析。点对点测试数据如表1所示。

由表1可知，当节点之间的距离一定且节点之间无遮挡物时的丢包率要小于有遮挡物时；当距离增加时，丢包率也会随之增加；在实际中路灯之间可能会有树木等遮挡物，要根据情况合理选择各个路灯节点之间的距离，本系统最远的有效覆盖距离为50 m。

4.2 组网测试

远程控制终端通过GPRS网络将测试数据发送到协调器节点，协调器节点将数据发送给所有终端节点；终端节点收到测试数据后再通过多跳网络将测试数据发送到协调器节点，最终由GPRS网络发送到远程控制终端，在远程控制终端对数据进行分析。组网测试数据如表2所示。

由表2可知，当发送间隔相同时，丢包率与跳数成正相关；当跳数一定时，发送间隔增加，丢包率降低；当发送间隔增大时，丢包率随跳数的变化的趋势变慢；当发送间隔为20 s时，丢包率几乎为零。对于本系统而言，如果发送间隔达到20 s，加上系统具有重发机制，就可以达到系统要求。

本文提出了一套基于物联网技术的智能路灯监控系统设计方案，详细介绍了系统软硬件。对系统的一部分功能进行搭建，取得了良好的预期效果。整个系统采用无线的方式传递控制信号,铺设系统的成本低,方便灵活；系统的智能化程度高,可以根据情况对路灯进行控制,不仅节约了人力成本,还提高了能源利用率；本系统能够有效地对路灯进行远程监控。

系统仍有不够完善的地方，如操作界面智能化程度低等。在我国智能路灯尚处于起步阶段，相信随着物联网技术的迅猛发展,智能路灯系统必将得到广泛的应用。

参考文献

[1] 王海涛,朱兆优.基于ZigBee的LED节能街灯控制系统[J].东华理工大学学报(自然科学版),2009,32(4):394-396.

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