近年來隨著社會經濟的發展，人們對城市路燈的管理也越來越重視。城市路燈的控制是城市管理中一項重要的工作，據統計城市照明用電占整個城市耗電的15%左右，因此如何最大限度地提高城市路燈的管理水平成為一個當前研究的熱點課題。目前我國城市采用的路燈控制系統普遍存在智能化程度低、成本高、能源利用率低等問題。路燈大多采用人工控制的方法，這種方式不僅智能化程度低，而且還易受人為因素的影響[1-4]。特別是控制系統多采用有線控制的方式，鋪設線纜成本高，施工繁瑣，難于維護。于是人們開始尋求價格低廉、智能化程度高的控制系統。
    物聯網技術是一項新興的技術，廣義上的物聯網是信息空間與物理空間的融合，將一切事物數字化、網絡化，實現高效信息交互方式，是信息化在人類社會綜合運用達到的更高境界[5]，物聯網技術正悄悄應用到人們生活的方方面面。
    針對目前路燈控制中遇到的問題并結合物聯網技術的特點，提出了基于ZigBee無線傳感器網絡和GPRS技術的智能路燈監控系統。該系統采用無線控制的方式代替傳統的有線控制，擺脫了線纜的束縛，不僅施工簡單，成本低廉，而且還極大地提升了系統的性能。
1 監控系統工作原理
    智能路燈控制系統主要由控制路燈工作的ZigBee網絡和GPRS遠程數據傳輸模塊兩部分組成。
    控制路燈工作的ZigBee節點包括以下三類，協調器節點、路由器節點和終端節點。其中協調器節點只有一個，路由器節點和終端節點都有若干個。協調器節點負責建立網絡并與GPRS模塊進行數據交互。路由器節點可以作為無線節點的中繼控制器，同時也可以作為一個終端節點對路燈進行控制。終端節點只能接收控制信號并對路燈進行相應的控制。
    GPRS模塊與協調器節點通過串口相連接。GPRS模塊可以將ZigBee網絡收集的各節點數據通過GPRS網絡發送到遠程控制終端，同時也可以將遠程控制終端發送過來的控制命令通過協調器節點傳遞給ZigBee網絡。
    系統工作原理:遠程控制終端將控制命令通過GPRS網絡發送到GPRS模塊，GPRS模塊再通過協調器節點將命令發送到終端節點，從而實現對路燈的控制。同時終端節點也可以將自身的狀態通過GPRS網絡發送到遠程控制終端，從而實現對路燈的遠程監控。系統的工作原理圖如圖1所示。

2 系統的硬件設計
    系統的硬件電路主要由三部分組成：CC2430通信電路、路燈開關電路和GPRS模塊與協調器節點的連接電路。
2.1通信電路
    選用TI公司的CC2430芯片來構建ZigBee網絡。CC2430的性能十分優異，單片的價格僅為幾美分，這使得它可以以很低的費用構建ZigBee網絡，結合TI公司業界領先的ZigBee協議棧，使得它具有很強的市場競爭力。另外CC2430還具有多種運行模式 ，這使得它十分適合搭建低功耗的系統。
　由于ZigBee形成的是一種短距離的無線網絡，覆蓋的距離有限，因此當路燈之間的距離較遠時，ZigBee控制節點之間傳輸的數據就很有可能不穩定。為了提高ZigBee節點信號的傳播距離，增強系統的可靠性，有必要提高各節點的輸出功率。為此選用TI公司的CC2591芯片。CC2591是一款性能優異的射頻前端,可提供22 dBm的輸出功率，而且可以與CC2430實現無縫連接[6]。CC2591 與CC2430相配合可以極大地增加無線信號的傳播距離。CC2430通信電路原理圖如圖2所示。

2.2 路燈開關電路
    系統通過控制終端節點I/O口的高低電平來對繼電器的通斷進行控制，進而控制路燈。由于CC2430芯片的各個I/O引腳的驅動能力有限，不能直接驅動繼電器，于是選用TI公司的SN74HC04D作為輸出緩沖，它與其他元器件配合間接控制繼電器，進而控制路燈。路燈開關電路如圖3所示。

2.3 數據遠傳電路
    系統要求對路燈進行遠程控制，然而ZigBee無線網絡的一個特點就是近距離，為了實現遠程監控，系統搭配了一個GPRS模塊，ZigBee無線網絡可以通過GPRS網絡與遠程控制終端進行聯系[7]。本系統采用的GPRS模塊是西門子公司的MC35i，該模塊的體積小、功耗低，能夠提供數據、語音、短信等功能，完全滿足系統傳輸數據的要求。MC35i與ZigBee網絡中的協調器節點通過串口相連接。
3 系統的軟件設計
    系統的軟件設計主要包括兩部分：GPRS模塊子程序和ZigBee節點子程序。其中ZigBee節點子程序又包括協調器節點程序、路由器節點程序和終端節點子程序三部分[6]。
3.1 GPRS模塊程序
    GPRS模塊是ZigBee無線網絡與遠程控制終端進行數據交互的橋梁。當GPRS模塊檢測到有協調器節點通過串口發送過來數據時，則將數據寫入緩存區，然后再將數據發送出去。同時如果GPRS模塊接收到遠程控制終端發送過來的命令，則將命令通過串口發送給協調器節點，并最終傳遞到各個終端節點。GPRS模塊的程序流程圖如圖4所示。

3.2 ZigBee節點程序
3.2.1協調器節點程序
    協調器節點的主要作用是建立無線網絡并與GPRS模塊進行數據傳輸。協調器節點上電后會主動建立一個網絡，然后等待路由器節點和終端節點的加入，并最終將所有的ZigBee節點組成一個網絡。同時協調器節點還要接收由GPRS傳輸過來的命令，并將命令發送到其他ZigBee節點。如果其他終端節點需要發送數據，協調器節點還負責將數據通過串口發送到GPRS模塊。協調器節點的主程序流程如圖5所示。

3.2.2 路由器節點程序
    路由器節點上電后會申請加入由協調器節點建立的網絡，一旦加入網絡路由器節點就進入監控狀態。一方面監測有無其他路由器節點或終端節點申請加入網絡，并根據情況做出相應反應；另一方面監測有無從協調器節點發送過來的命令，如果有則根據命令進行相應的讀寫操作。路由器節點的主程序流程如圖6所示。
3.2.3 終端節點程序
    終端節點的主要作用是監控有無從協調器節點發送過來的命令，如果有則根據命令對路燈進行控制。如果要讀取自身狀態，則根據命令將讀取到的狀態發送給協調器節點。終端節點與路由器節點不同，它只能接受控制命令并發送數據，而不能加入其他節點。終端節點的主程序流程圖如圖7所示。

4 系統測試
4.1點對點數據傳輸測試
    根據設計需要，對系統進行了數據傳輸測試[8]。選用兩個節點進行點對點通信測試，兩個節點分別是協調器節點和終端節點。遠程控制終端發送測試數據到GPRS模塊，GPRS模塊通過串口再將測試數據傳輸給協調器節點，協調器節點將測試數據直接傳遞到終端節點；終端節點收到測試數據后將其直接傳遞回協調器節點，協調器節點再將數據通過串口傳遞到GPRS模塊，最后再由GPRS網絡傳遞到遠程控制終端，在遠程控制終端對數據進行分析。點對點測試數據如表1所示。

    由表1可知，當節點之間的距離一定且節點之間無遮擋物時的丟包率要小于有遮擋物時；當距離增加時，丟包率也會隨之增加；在實際中路燈之間可能會有樹木等遮擋物，要根據情況合理選擇各個路燈節點之間的距離，本系統最遠的有效覆蓋距離為50 m。
4.2 組網測試
    遠程控制終端通過GPRS網絡將測試數據發送到協調器節點，協調器節點將數據發送給所有終端節點；終端節點收到測試數據后再通過多跳網絡將測試數據發送到協調器節點，最終由GPRS網絡發送到遠程控制終端，在遠程控制終端對數據進行分析。組網測試數據如表2所示。

    由表2可知，當發送間隔相同時，丟包率與跳數成正相關；當跳數一定時，發送間隔增加，丟包率降低；當發送間隔增大時，丟包率隨跳數的變化的趨勢變慢；當發送間隔為20 s時，丟包率幾乎為零。對于本系統而言，如果發送間隔達到20 s，加上系統具有重發機制，就可以達到系統要求。
    本文提出了一套基于物聯網技術的智能路燈監控系統設計方案，詳細介紹了系統軟硬件。對系統的一部分功能進行搭建，取得了良好的預期效果。整個系統采用無線的方式傳遞控制信號,鋪設系統的成本低,方便靈活；系統的智能化程度高,可以根據情況對路燈進行控制,不僅節約了人力成本,還提高了能源利用率；本系統能夠有效地對路燈進行遠程監控。
　　系統仍有不夠完善的地方，如操作界面智能化程度低等。在我國智能路燈尚處于起步階段，相信隨著物聯網技術的迅猛發展,智能路燈系統必將得到廣泛的應用。
參考文獻
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