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附录X 译文
使用ZigBee设备和传感器网络的高效智能路灯远程控制系统
FabioLeccese
摘要：所提出的远程控制系统可以优化街道照明系统的管理和效率。它的使用基于ZigBee的无线设备，凭借先进的界面和控制架构，可实现更高效的路灯系统管理。它使用传感器组合来控制和保证所需的系统参数；信息通过ZigBee发送器和接收器逐点传送，并发送到控制终端，以检查路灯的状态并在发生故障时采取适当措施。
关键词 自动化，控制系统，照明系统，传感器，无线网络，ZigBee
1. 引言
照明系统，尤其是公共部门的照明系统，仍然是按照旧的可靠性标准进行设计的，它们常常没有利用最新的技术发展优势。在许多情况下，这与工厂管理员有关，他们尚未完成因现有设施建设而产生的费用的归还。但是，最近与原材料成本相关的压力越来越大，社会对环境问题的敏感性越来越强，这促使制造商开发新技术和新技术，从而可以节省大量成本并更加尊重环境。我们可以在文献中找到针对这些问题的三种可能的解决方案。
第一个，也许是最直观的，是将新技术用于光源。在此领域，发光二极管（LED）技术是最佳解决方案，因为它具有许多优点。研究人员[1]–[4]很有可能设计一种基于LED的先进街道照明系统。
第二种可能的解决方案（也许是最具革命性的解决方案）是使用基于智能灯柱的远程控制系统，该系统将信息发送到中央控制系统，从而简化了管理和维护问题。研究人员[5]–[9]开发了使用通用分组无线服务（GPRS），电力线载波或全球移动通信系统（GSM）传输的路灯系统。
图1. 系统示意图
最后，第三种可能性是使用可本地使用的可再生能源，而不是传统的能源，对环境产生积极影响。太阳能是该领域最重要的资源。
我们的工作旨在统一上述三种可能性，创建一个由远程控制系统管理的智能灯柱，该系统使用基于LED的光源并由可再生能源（太阳能电池板和电池）供电。通过传感器网络实施控制，以收集与系统管理和维护有关的相关信息，并使用ZigBee协议通过无线传输信息。ZigBee遥感和控制系统领域广泛存在于文献中。我们还可以在结构和管理上找到类似于照明系统的ZigBee系统[10]–[18]。在本文中，我们介绍了我们的系统，该系统能够集成最新技术，以描述一种先进且智能的路灯管理和控制系统。
2、设备与方法
图1显示了提出的系统的概念方案。它由街道上的一组观察站（每个灯柱一个站）和一个通常位于附近建筑物中的基站组成。它是一个模块化系统，易于扩展。
测量站监视街道状况和日照强度，并根据它们决定打开或关闭灯。条件取决于灯光所在的街道的图案以及街道的给定点的太阳辐射，并随天气条件，季节，地理位置和许多其他因素而频繁变化。
由于这些原因，我们决定使每个灯完全独立于其照明管理。街道上的车站还会检查灯泡是否正常工作并通过无线网络将该信息发送给基站进行数据处理。如果检测到任何故障，则通过图形界面通知服务工程师，并可以执行纠正措施。
图2. 车站路灯示意图
A. 检测站
位于每个灯柱上的监视站由几个模块组成：存在传感器，光传感器，故障传感器和紧急开关。这些设备协同工作，并将所有信息传输到微控制器，该微控制器处理数据并自动设置适当的操作过程。信息传输的优先级已分配给每个传感器，例如，紧急开关优先于其他任何设备。
1）存在感应器：存在感应器的任务是识别车辆或行人的通过，并给出打开灯或一组灯的输入。此功能取决于街道的模式；如果街道上没有交叉路口，则有一个足够的信号强度（或者在有两个路口的情况下两端各有一个），因此需要更精确的控制的情况下，需要有多个存在探测器的解决方案。
此功能仅在必要时才打开灯，避免浪费能源。这种传感器的主要挑战是正确放置。传感器应放置在最佳高度，不要太低（即避免对小动物的错误检测）或太高（例如，避免检测不到儿童的高度）。对传感器放置的研究可以根据用户需求确定最佳高度，并考虑系统将在其中工作的特定环境。我们发现，在现场测试中，SE-10PIR运动传感器提供了良好的性能并且价格合理。
2）光传感器：光传感器可以测量日光的亮度并提供信息。此测量的目的是确保法规要求的街道照明达到最低水平（请参阅CIE等[19]）。传感器必须在可见光谱中具有高灵敏度，并提供足够高的光电流以实现低亮度水平。因此，已选择了光电晶体管TEPT5700（VishaySemiconductors制造）。
基于测得的亮度，微控制器驱动灯以维持恒定的照明水平。显然，在白天，不需要执行此操作，但是在清晨和黄昏时，则不需要这样做，因为不需要以全功率操作灯，而只是作为对太阳光的“支撑”即可。
此模式可以节省提供给灯泡的电能，因为灯泡是通过传感器和微控制器的组合动作来调节的，以确保所需的最低照度。
3）操作控制：此传感器有助于改善故障管理和系统维护。由于使用了此传感器（在这种情况下为霍尔传感器），因此可以在打开灯时识别出来。该系统能够识别出误报，因为将识别出的参数与存储的数据进行了比较（例如，白天时灯已关闭，并且传感器错误地检测到故障，但由于附加的逻辑功能，微控制器不会报告故障）。该信息通过ZigBee网络报告给站点控制单元，在该站点上，操作员会收到有关故障灯位置的通知，并可以派遣技术人员更换它。系统电流为1.5A，因此需要一个适合检测此电流的传感器。已将检测灯工作的适当阈值设置在1至1.5A之间。所选的传感器是AllegroMicrosystems的ACS756[20]，这是一种用于交流或直流电流感测的经济且精确的解决方案，特别适合于通信系统。借助此传感器，可以将在正常工作条件下流过LED灯的电流值存储在微控制器的存储器中，从而实现在线功耗测量。
4）紧急设备：系统具有紧急按钮，在紧急情况下很有用。该设备不包括整个传感器系统，其目的是立即打开灯。指示灯将保持点亮一段预设时间。之后，必须再次按下该按钮。这样可以防止系统在必要时意外启动。显然，该设备在白天不需要人工照明时无法工作。
图3. 控制软件流程图
5）控制单元：传感器将收集到的信息传输到控制器，该控制器运行软件以分析系统。图3示出了控制软件流程图。初始设置后，系统由光传感器控制，仅当日光照度低于固定阈值时才激活微控制器。在这种情况下，系统将读取紧急按钮的状态，并在激活后打开灯。在车辆或行人的情况下也会发生同样的情况。灯打开后，运行传感器将开始监视，并在检测到故障的情况下将警报发送到控制中心。如果未检测到故障，则微控制器通过霍尔传感器存储电流值来测量电流通量。整个操作由计时器调节，该计时器可使系统在预定时间内工作。在停止输入处，灯熄灭，循环重新开始。该算法已用PicBasic编写，并在微控制器上运行。
B. 基地控制站
基地控制站是系统的枢纽，因为它可以可视化整个照明系统。传输系统由ZigBee设备组成，该设备接收有关灯状态的信息并将其发送到终端。该处理单元由一个带有串行通用异步收发器（UART）接口的终端组成，该接口接收有关ZigBee设备提供的指示灯状态的信息。需要终端以图形方式显示结果。此外，有关灯泡操作的数据与灯泡地址相关联；因此，所有故障都易于识别。
图形界面可通过灯的状态和每个灯的功耗（图4的下部）监视系统状态（图4的上部）。操作员将获得系统安装区域内灯泡位置的图形表示。按下“功耗数据”按钮，出现第二个窗口，其中给出了任何灯泡的功耗和工作时间。该程序还配备了一个管理系统，该系统在整个系统描述后，在第III-E节中有充分说明的情况下，无法与灯柱通信。
图4. 灯控制系统GUI和功耗测量
C. ZigBee网络
ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的无线通信技术，用于无线个人区域网（WPAN）中多个设备之间的通信。ZigBee旨在在成本以及最重要的是能耗方面比其他WPAN（例如蓝牙）更实惠。ZigBee个人区域网络（ZBPAN）由至少一个协调器，一个（或多个）终端设备以及（如果需要）一个（或多个）路由器组成。当协调者选择一个通道并开始通信时便创建了网络，因此，路由器或终端设备可以加入网络。ZigBee传输范围的典型距离取决于环境条件和传输功率，从几十米变化到数百米，并且故意将传输功率保持在尽可能低的水平（大约几毫瓦），以保持最大功率。最低能耗[21]–[26]。在提出的系统中，建立了网络以将信息从灯柱传输到基站控制。信息逐点地从一个灯柱传递到另一灯柱，其中每个灯柱在系统中都有唯一的地址。每个灯柱只能将信息发送到最近的灯柱，直到信息到达基站为止。因此，发射功率被限制在所需的低值，并且灯柱发送的信号不会相互干扰。万一一个灯出现故障，灯柱之间的选定传输距离可确保信号可以到达下一个可操作的灯柱而不会断开链。ZigBee无线通信网络已通过使用称为XBee模块的Digi-MaxStream射频模块来实现，该模块有标准版和专业版（与引脚对引脚兼容）[20]，[21]。标准Xbee模块在室内的工作范围为几十米，在室外为数百米，而XBeePro模块在室内的扩展范围在数百米的范围内，而在室外约1.5公里，因为Pro模块具有更高的扩展范围。传输功率，但意味着更高的功耗（约为标准版本功耗的三倍）。
接收器具有很高的灵敏度，接收损坏的数据包的可能性很小（小于1％）。模块应由3V直流电源供电。上行链路的电流消耗约为50mA（对于XBee）和150-200mA（对于XBeePRO），而下行链路则为50mA（两种版本相同）；而且，他们支持睡眠模式，功耗低于10A。XBee模块分布在三种天线类型中：带有片上天线，有线天线以及用于外部天线的集成连接器。
图5. 印刷电路板
图6. 原型
图7. 测试系统
D. 细节和积累
在建议的系统中，最重要的元素是：
bull;为所有其他设备供电的电压控制器；
bull;微控制器（U2，MicrochipPIC16f688），用于管理上传固件的系统；
bull;XBee module；
bull;用于对pic（ProgPort）进行编程，用于可选的串行晶体管晶体管（TTL），用于外部基准电压，对于PIC模数转换器（ADC）的正确活动以及输入/输出所必需的连接器（I/O）端口。
图5显示了监视站电路的印刷电路板（PCB）。该电路已采用表面贴装器件（SMD）技术实现，以减小整体尺寸。
图6显示了在其包装盒中分配的已实现原型，可以进行测试。这是在真实条件下测试的原型。
最后，图7显示了在真实条件下运行的测试系统。可见，提出的系统也可以用于升级现有的常规灯柱。
白天由太阳能电池板充电的电池供电。电池的容量取决于最终应用的特定需求。为了确定太阳能电池板的正确倾斜度和方向，以实现最佳操作效果，在有关制造光伏系统的项目中研究了该场所的辐照曲线。可以参考根据纬度提供精确数据的出版物（请参考PVGIS[27]获得的UNI10349数据）。为了确定面板的尺寸，有必要确定为分析中的照明系统供电所需的年度能量。下面的项目数据对于确定光伏面板每年产生的能量是必要的：
bull;安装面板的位置；
bull;吸收表面的倾斜度；
bull;吸收面的方向；
bull;地面反射；
bull;面板的标称功率；
bull;太阳能电池板的损失；
bull;充电器控制器的效率。
充电控制器管理电池充电和电源的过程。光伏板产生的电力由控制器处理，以为电池充电提供输出电流。充电过程必须根据电池的功能（容量，电压，化学性质等）进行，直到电池完全充电后才提供电流，然后切换到待机电流以补偿电池的自放电。所选型号（哈尔滨希望之星的CMP12JUTA[28]）提供了随温度变化的电池充电电压调节功能，并具有内置的电子保护功能，可防止过载，短路和过压。
3、测试结果
该原型已经在各种实际条件下进行了测试，以验证整体功能并寻求更好的性能。在测试阶段收集的测量值可以计算出节能量，因此也可以使用近似值来估算大型系统的成本节省。
A. 范围测试
Xbee模块性能的首次测试是在罗马特雷大学的电气和电子测量实验室进行的，目的是在以下环境条件下测试两个或多个ZigBee模块之间通信的可靠性：
1）模块之间视线开阔；
2）障碍物为大树或小山的视线之外的开阔视野；
3）室内测试。
使用不同类型的Xbee模块Standard和Pro进行了测试，每个模块都使用制造商提供的三种不同类型的天线（贴片，电线，外部）。
为了检查Zigbee传输的可靠性，我们使用了Digi-MaxStream提供的X-CTU软件。
测试用例旨在在各种实际操作条件下检查网络：晴朗的天气，下雨以及可能干扰传输的电气或电子设备（例如WiFi接入点）的距离。
室内测试是考虑到发射器和接收器之间的一堵或多堵墙而进行的，而室外测试则是用一种或多种自然障碍物（例如树木或丘陵）进行的。使用适当的适配器模拟重传，每种情况下进行了上万次传输测试。<!--
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