基于ZigBee的城市路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計
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隨著國家城市化進(jìn)程的發(fā)展,城市規(guī)模不斷變大,人們對城市照明的需求也不斷提高,方便高效的路燈監(jiān)控系統(tǒng)對于一個城市現(xiàn)代化發(fā)展具有重要意義。很多發(fā)達(dá)國家已普遍采用計算機技術(shù)來實現(xiàn)對路燈的監(jiān)控,大大節(jié)約了人力資源。與發(fā)達(dá)國家相比,我國的城市路燈控制系統(tǒng)還處于計時器/光感控制階段,智能化的研究還處于初期階段,表現(xiàn)為:通過人工巡查及群眾反映等方式實現(xiàn)路燈的開關(guān)控制以及故障排查;城市夜晚沒有行人時,路燈也照常工作,浪費了能源;路燈工作狀態(tài)沒有存檔,不方便日后的查詢。以上缺點不但消耗了大量的人力、物力和財力,而且實時性差,故障的上報率較低,故障處理率也低。最重要的是路燈控制手段不靈活,無法實現(xiàn)單點控制和按需照明,導(dǎo)致照明能耗的浪費,因此實現(xiàn)路燈的智能監(jiān)控刻不容緩。
ZigBee技術(shù)是一門新興通信技術(shù),利用該技術(shù)可以實現(xiàn)終端節(jié)點的聯(lián)網(wǎng),并通過互聯(lián)網(wǎng)對終端進(jìn)行跟蹤和管理,ZigBee技術(shù)的發(fā)展使路燈的網(wǎng)絡(luò)化和智能化管理成為可能。
在本路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)中,使用ZigBee節(jié)點將路燈與傳感器組成一個無線傳感網(wǎng)絡(luò),傳感器對路燈工作狀態(tài),如有無行人、路燈是否出現(xiàn)故障和光強等信息進(jìn)行采集,通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)將狀態(tài)信息通過網(wǎng)關(guān)上傳至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中,實現(xiàn)用戶遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制。
1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計
本系統(tǒng)設(shè)計了基于ZigBee/GSM和WEB服務(wù)器的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過多種傳感器采集工作環(huán)境參數(shù)(如光強)并通過ZigBee終端節(jié)點將參數(shù)傳輸至ZigBee協(xié)調(diào)器。Zi gBee協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)通過串口傳輸至計算機服務(wù)器,本系統(tǒng)在計算機上搭建了WEB服務(wù)器,最終可由互聯(lián)網(wǎng)終端利用瀏覽器訪問服務(wù)器網(wǎng)站實現(xiàn)實時監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制。為了實現(xiàn)對路燈的本地控制功能,本系統(tǒng)在單片機網(wǎng)關(guān)中對實時采集到的數(shù)據(jù)加以分析,并反饋調(diào)節(jié)路燈亮度,同時啟用故障檢測功能,若出現(xiàn)故障,利用GSM模塊將報警短信發(fā)送至路燈維修人員處。綜上,本系統(tǒng)在路燈信息監(jiān)測、路燈故障報警、路燈遠(yuǎn)程控制三方面對城市路燈進(jìn)行高效、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的管理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
硬件部分主要包括:ZigBee模塊、傳感器模塊、UART接口、GTM900C、計算機等。本系統(tǒng)中,傳感器單元中包含霍爾電流傳感器、紅外傳感器和光敏傳感器,分別用于采集路燈故障信息、行人信息和光強信息。ZigBee模塊選用TI公司生產(chǎn)的C2530芯片,該芯片集成了Z—Stack協(xié)議棧,可以方便的實現(xiàn)自組網(wǎng),建立無線傳感網(wǎng)絡(luò)。為實現(xiàn)故障報警功能,系統(tǒng)通過串口將GSM模塊與ZigBee協(xié)調(diào)器相連,當(dāng)出現(xiàn)路燈故障時,GSM模塊以短信的形式將故障信息發(fā)送至相關(guān)負(fù)責(zé)人。本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
ZigBee的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)為樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),結(jié)點按層次進(jìn)行連接,主要在上、下結(jié)點之間進(jìn)行信息交換,即終端與路由器交換信息、路由器與協(xié)調(diào)器交換信息,適用于匯集信息的應(yīng)用要求。ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)圖如圖3所示。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
本系統(tǒng)采用B/S模式使用戶實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控路燈的功能,B/S模式由3個模塊組成,包括客戶端、WEB服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器??蛻舳藘H僅使用瀏覽器即可訪問服務(wù)器,事務(wù)處理放在服務(wù)器端,數(shù)據(jù)處理則由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進(jìn)行,這樣用戶就可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行異地數(shù)據(jù)訪問,最終實現(xiàn)路燈的監(jiān)控。系統(tǒng)軟件平臺為Microsoft Visual Studio2010和Micros oft SOL Seiver2005,主要工作包括WEB服務(wù)器的搭建,數(shù)據(jù)庫建立及事件處理和服務(wù)器端程序的開發(fā)。當(dāng)系統(tǒng)為監(jiān)測模式時,計算機通過串口,按照設(shè)定的時間定時通過串口向ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令,對ZigBee協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收,并將數(shù)據(jù)傳送至控制中心,控制中心通過入庫線程將數(shù)據(jù)入庫,同時更新最新的路燈狀態(tài);當(dāng)系統(tǒng)為控制模式時,通過外部中斷的方式向ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送控制命令,由無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),最終由ZigBee終端節(jié)點通過路燈控制單元對路燈進(jìn)行控制。由于是B/S結(jié)構(gòu),所以使用普通瀏覽器即可查看或控制。普通用戶登陸只能查看路燈狀況,管理員身份登陸還可以控制路燈工作狀態(tài)。服務(wù)器端程序流程圖如圖4所示。
4 系統(tǒng)測試
4.1 測試方法
系統(tǒng)調(diào)試主要分為硬件測試和軟件調(diào)試兩部分。硬件測試主要檢測系統(tǒng)的硬件是否正常工作,包括ZigBee結(jié)點的硬件測試和嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件測試。采用方法:人工改變路燈的運行狀態(tài),設(shè)置虛假“緊急”情況,檢測是否能收到報警短信。軟件調(diào)試是在硬件正常工作的基礎(chǔ)上來檢測軟件是否能實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控以及自己搭建的服務(wù)器的壓力測試。采用的方法:人工改變路燈的運行狀態(tài),檢測是否能正確顯示以及控制是否有效;壓力測試方面,由于用于搭建服務(wù)器的主機為個人電腦,所以實際抗壓性能并不強,但是作為模型檢測,它是可行的。系統(tǒng)軟硬件整合后,通過計算機對系統(tǒng)進(jìn)行雙向的監(jiān)控。
4.2 效果圖
整體調(diào)試的效果圖如圖5所示。
5 結(jié)論
本系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到對路燈的管理中,利用了ZigBee技術(shù),計算機技術(shù)和傳感器技術(shù)構(gòu)建了智能城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)過測試,本系統(tǒng)可以實現(xiàn)對路燈的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理,并能夠?qū)崿F(xiàn)故障定位和自動報警功能,節(jié)約了路燈維護(hù)工作的人力成本,并減小了照明能耗,為傳統(tǒng)的路燈管理方法創(chuàng)新提供了新的思路。