城市照明測控系統(tǒng)雙模架構設計分析

肖紅兵，孫志海

(1.杭州億利通信器材有限公司，浙江 杭州 310015；

2.杭州電子科技大學信息工程學院，浙江 杭州 310018)

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城市照明測控系統(tǒng)雙模架構設計分析

肖紅兵1，孫志海2

(1.杭州億利通信器材有限公司，浙江 杭州 310015；

2.杭州電子科技大學信息工程學院，浙江 杭州 310018)

摘要：城市照明是市政建設的重要組成部分，現(xiàn)代通信技術和物聯(lián)網(wǎng)技術為城市照明提供了新的測控方法和管理手段。提出了一種融合Zigbee與G3-PLC兩種通信模式的城市照明測控系統(tǒng)架構，并對城市照明測控系統(tǒng)的網(wǎng)絡構成進行了仔細分析，提出雙模架構、融合運用的思路，并對此進行了工程實踐。

關鍵詞：城市照明；Zigbee；G3-PLC；雙模架構；物聯(lián)網(wǎng)

0引言

城市照明不僅為交通安全和社會治安提供有力保障，且通過亮化城市提升城市魅力，促進商業(yè)和旅游業(yè)的發(fā)展[1]。但傳統(tǒng)的手動控制、定時控制、照度控制等城市照明管理方式已無法適應城市的發(fā)展需求，也無法有效地集中管理[2]。因此，新型的智能照明測控系統(tǒng)應運而生，通過提供多種智能化管理手段，滿足管理需求。隨著城市照明網(wǎng)絡的快速擴大，城市照明能耗迅速膨脹，照明能耗占據(jù)了大部分市政運營費用，新的智能照明測控系統(tǒng)支持多種照明節(jié)能方案，實現(xiàn)了城市照明節(jié)能降費的愿景。本文提出的城市照明測控系統(tǒng)融合了Zigbee與G3-PLC兩種通信模式，構建了一種雙模架構，詳細闡述了城市照明測控系統(tǒng)雙模架構的設計與分析。

1城市照明測控系統(tǒng)網(wǎng)絡架構設計

1.1　網(wǎng)絡層次劃分

城市照明測控系統(tǒng)采用層級結(jié)構設計，整個城市照明的測控網(wǎng)絡是一個3層的主從分布式結(jié)構，按從上到下的順序分為服務器層、區(qū)域控制層和節(jié)點控制層。

1)服務器層?？刂浦行挠煞掌鳌⒐ぷ髡?、相關外設以及數(shù)據(jù)通信接口等部分組成，通過Internet與所有的區(qū)域控制層通信，采用輪詢和自動上報的方式，完成對系統(tǒng)所有節(jié)點的集中控制、遠程測量、實時監(jiān)控等任務，其核心是系統(tǒng)測控軟件。

2)區(qū)域控制層。核心是區(qū)域控制器，它是服務器層和節(jié)點控制層之間上傳下達的信息傳輸通道，是當前區(qū)域所有照明節(jié)點的網(wǎng)絡管理核心，也是當前區(qū)域照明線路輸配電的控制核心。一個控制中心控制若干區(qū)域控制器。控制中心可以管理多個控制柜，各控制柜彼此之間相互獨立。每個控制柜可以控制一條或多條照明線路，控制鏈路為PLC載波通訊或Zigbee無線通訊。

3)節(jié)點控制層。照明線路上若干單燈控制器組成的網(wǎng)絡集合，它包含多個相互獨立的照明網(wǎng)絡。每個單燈控制器就是一個網(wǎng)絡節(jié)點，它接收控制中心經(jīng)區(qū)域控制器通過網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)的控制指令，并完成相應的控制動作，同時將自身測控信息通過網(wǎng)絡及時上報。一個區(qū)域控制器可控制節(jié)點控制層一個或多個網(wǎng)絡。

1.2　控制中心與區(qū)域控制器的遠距離通信

控制中心位置固定，區(qū)域控制器遍布各處，兩者距離有近有遠，若是通過專網(wǎng)通信，投資極大，基本不予選擇，若是接入Internet公網(wǎng)通信，方便靈活，是常用選項。

控制中心接入Internet的選擇比較多，可以是ADSL撥號，也可以是各運營商的寬帶專線，或者移動運營商的GPRS/CDMA/EDGE/HSPA/4G等各種遠程無線數(shù)據(jù)傳輸單元(Data TransFer Unit，DTU)。為便于區(qū)域控制器通過公網(wǎng)連接，控制中心需申請公網(wǎng)固定IP地址或固定域名。新制式無線DTU的傳輸速率已基本趕上有線寬帶，且在Internet中斷的情況下，無線DTU可以和區(qū)域控制中心的同類設備進行GSM短信通信，在緊急情況下傳輸控制指令，保證信息通道暢通?？紤]到網(wǎng)絡流量的成本問題，無線DTU一般作為控制中心Internet的備用接入設備。區(qū)域控制器靠近各條照明線路的饋電入口，分布在城內(nèi)各處，與控制中心相隔較遠。受制于現(xiàn)場情況，少部分區(qū)域控制器可以使用有線方式接入Internet，大部分需要使用無線DTU接入網(wǎng)絡。通訊協(xié)議采用TCP/IP。

1.3　節(jié)點控制層組網(wǎng)方式

常見網(wǎng)絡拓撲結(jié)構有星狀(STAR)、簇狀(CLUSTER)、網(wǎng)狀(MESH)3種。網(wǎng)絡中的節(jié)點按網(wǎng)絡中的位置和作用分為為協(xié)調(diào)器(PAN Coordinator)或集中器(Concentrator)、路由器(Routers)、終端節(jié)點(End Device)3類，各自具備不同的網(wǎng)絡功能。采用何種網(wǎng)絡結(jié)構由照明節(jié)點的排列方式?jīng)Q定。比如，小型廣場可用星狀網(wǎng)絡，路燈照明可用簇狀網(wǎng)絡，園林景觀照明可用網(wǎng)狀網(wǎng)絡。在網(wǎng)絡性能和節(jié)點容量滿足要求的情況下，應盡量采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡的架構來組網(wǎng)。無線Zigbee和載波G3-PLC都是基于IEEE 802.15.4協(xié)議開發(fā)的組網(wǎng)技術，支持星狀、簇狀、網(wǎng)狀網(wǎng)絡架構，滿足項目設計要求，所以本文在區(qū)域控制層與節(jié)點控制層之間以及節(jié)點控制層內(nèi)部的各節(jié)點之間采用了無線Zigbee或載波G3-PLC進行組網(wǎng)。這兩種通信模式均無需額外布線，因而可以混合使用，構建雙模架構，不僅有利于已建項目的改進升級，也方便新建項目的實施。Zigbee網(wǎng)絡中的節(jié)點按功能分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點，而G3-PLC網(wǎng)絡中對應功能節(jié)點稱為集中器、路由器和終端節(jié)點。

2Zigbee與電力線載波節(jié)點組網(wǎng)

2.1　Zigbee無線節(jié)點組網(wǎng)

道路照明Zigbee信息傳輸通道如圖1所示。點劃線為協(xié)調(diào)器與路由器之間的信息傳輸通道，粗線為路由器與路由器之間的信息傳輸通道，細線為路由器與終端節(jié)點之間的信息傳輸通道，虛線為正常情況下的信息通道，實線為異常情況的冗余信息通道。圖1中，道路兩邊有兩排路燈，在只考慮一排路燈的情況下，就是一個標準的線性網(wǎng)絡。所有路由器(單燈控制器之骨干節(jié)點)通過粗的虛線相連，組成一個一級骨干網(wǎng)，路由器個數(shù)等于系統(tǒng)路由深度減1。每個路由器又控制著一定數(shù)量的終端節(jié)點(單燈控制器之普通節(jié)點)，這些終端節(jié)點通過細的虛線與路由器相連，組成一個二級子網(wǎng)，每個子網(wǎng)內(nèi)終端節(jié)點的數(shù)量不受系統(tǒng)路由深度限定。采用這種方法，可進一步擴大線性網(wǎng)絡的容量。網(wǎng)絡規(guī)模和性能由Zigbee節(jié)點模塊[3-4]的傳輸距離和路由深度決定。

圖1　道路照明Zigbee信息傳輸通道

2.2　電力線載波節(jié)點組網(wǎng)

圖2　道路照明G3-PLC信息傳輸通道

3混合組網(wǎng)的雙模架構

G3-PLC依托電力線通信，各節(jié)點依次并接在同一根供電線路上，新的OFDM技術使其路由節(jié)點間距比Zigbee長得多，這樣路由深度就可以控制在一個合理范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)少，因此在線路較長的線性網(wǎng)絡上應用，比Zigbee有優(yōu)勢。而Zigbee為無線信號，向四周立體覆蓋，在類似廣場、公園、停車場這樣的塊狀區(qū)域，無需較大的路由深度就可以覆蓋很大的范圍，是較為理想的選擇。特別是在太陽能、風力等新能源供電的系統(tǒng)中，若無集中供電線路的支持G3-PLC就無法應用，此種場合，Zigbee就具有先天的優(yōu)勢，是不二之選。

當然，這兩種通信網(wǎng)絡并不是互相排斥的，在很多場合，可以結(jié)合兩者的優(yōu)點實現(xiàn)二網(wǎng)合一，做到雙模架構、融合運用。比如，在城市的十字路口，總會有些街心公園，其照明要求與路燈不盡相同，但面積不大，若單獨設置區(qū)域控制器，經(jīng)濟上很不合算。假如路燈照明使用G3-PLC載波網(wǎng)絡控制，街心公園的照明使用Zigbee無線網(wǎng)絡控制，在靠近街心公園的單燈控制器上配置兩種通訊模塊，G3-PLC為路燈網(wǎng)絡的路由器，Zigbee模塊為無線網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)控制街心公園的照明。表1給出了Zigbee與G3-PLC兩種通信模式的網(wǎng)絡傳輸性能比較。

4結(jié)束語

本文提出了混合組網(wǎng)的雙模架構，據(jù)此構建了一個完整的城市照明測控系統(tǒng)，并進行了工程實踐，經(jīng)過聯(lián)調(diào)聯(lián)測，很好地實現(xiàn)了設計意圖。蓬勃發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術和現(xiàn)代通信技術為城市照明管理提供了基礎性的技術支撐，通過這些技術的有機融合，逐步實現(xiàn)了城市照明的燈燈相連。

表1　Zigbee與G3-PLC兩種通信模式的網(wǎng)絡傳輸性能比較

參考文獻

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Design and Analysis oF Dual-mode Architecture For

Urban Lighting Measurement and Control System

Xiao Hongbing1， Sun Zhihai2

(1.HangzhouYiliCommunicationEquipmentCo.，Ltd.，HangzhouZhejiang310009，China;

2.SchooloFInFormationEngineering，HangzhouDianziUniversity，HangzhouZhejiang310018，China)

Abstract:Lighting is an important part oF the city municipal building. Modern communication and networking technology provide a new method For monitoring， control and management For urban lighting. An urban lighting and control system architecture combining Zigbee with G3-PLC communication modes is proposed in this paper. Detailed explanation For urban lighting measurement and control system is showed. Dual-mode architecture and combining ideas are mentioned， and engineering practices are also perFormed to show the eFFects oF proposed method．

Key words:urban lighting; Zigbee; G3-PLC; dual-mode architecture; internet oF things

中圖分類號：TP391.8

文獻標識碼：A

文章編號：1001-9146(2015)03-0040-04

作者簡介：肖紅兵(1967-)，男，浙江杭州人，工程師，通信工程.

基金項目：浙江省3D產(chǎn)業(yè)關鍵技術重點科技創(chuàng)新團隊資助項目(2011R50009-3)

收稿日期：2015-01-05

DOI:10.13954/j.cnki.hdu.2015.03.007